Plug-in混合動力電動汽車能耗綜合評價(jià)方法研究*

李孟良，彭文明，，顏伏伍，楊慧萍，徐月云

(1．中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162; 2．武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢 430070)

前言

與傳統(tǒng)混合動力電動汽車(HEV)相比，插電式混合動力電動汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)在儲能裝置(電池)容量提高的同時(shí)，還增加了從家用電源到車輛充電的裝置。PHEV通過在電量消耗(charge-depleting，CD)模式下依靠電池電能行駛而大量替代燃油消耗，具有顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢［1］。道路能耗試驗(yàn)就是為了印證這一點(diǎn)。

PHEV能耗包含燃油消耗和電能消耗兩部分。從法規(guī)層面對PHEV能耗進(jìn)行評價(jià)，需要簡單有效。國內(nèi)目前針對PHEV能耗的評價(jià)方法主要沿用歐洲方法［2］。該方法先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行PHEV在CD模式和電量維持(charge-sustaining，CS)模式下的能耗試驗(yàn)，然后采用平均充電行駛里程權(quán)重系數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，以此來評價(jià)PHEV能耗［3］。本文中采用平均充電行駛里程權(quán)重系數(shù)方法和美國SAE的利用系數(shù)方法對實(shí)驗(yàn)室能耗試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合，將綜合結(jié)果與道路能耗試驗(yàn)結(jié)果對比，探討更能反映PHEV道路實(shí)際能耗的綜合評價(jià)方法。

1 道路能耗試驗(yàn)

PHEV能耗在不同地區(qū)和不同環(huán)境下使用時(shí)，能耗會有不同，為考察PHEV在我國使用的燃油經(jīng)濟(jì)性，豐田汽車公司與中國汽車技術(shù)研究中心在天津開展了為期1年的PHEV道路實(shí)證試驗(yàn)研究。

1.1 試驗(yàn)方案

組建由14輛PHEV(Prius)構(gòu)成的實(shí)證車隊(duì)，由不同通勤距離的用戶，包括短途(0～15km)、中途(15～25km)和遠(yuǎn)途(25km以上)，作為日常出行使用，并定期進(jìn)行輪換，而且根據(jù)需要在用戶的住宅或單位配置專用充電樁，用戶自由選擇對車輛進(jìn)行充電。通過車載數(shù)據(jù)及用戶手工記錄考察PHEV在用戶日常出行方式下的能耗。車載數(shù)據(jù)記錄信息包括車速、環(huán)境溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、空調(diào)消耗電力、電池耗電量、燃油消耗量等。用戶手工記錄主要是充電量。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)證車隊(duì)運(yùn)行在2011年4月～2012年1月，由車載數(shù)據(jù)和手工記錄有效統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)分析得到，車隊(duì)累計(jì)行駛里程為73 542km，充電1 880次。在平均每天約充1次電的情況下平均100km燃油消耗量和電能消耗量分別為2.63L和7.5kW·h。

根據(jù)電池殘余量容易區(qū)分PHEV運(yùn)行模式，為0時(shí)即進(jìn)入CS模式。從進(jìn)行道路試驗(yàn)的PHEV的車載數(shù)據(jù)分析得到車隊(duì)在CD和CS模式下的累計(jì)行駛里程及比例見表1。

表1 車隊(duì)行駛數(shù)據(jù)

PHEV的能耗與充電后行駛里程相關(guān)［4］。車隊(duì)的充電續(xù)駛里程分布見圖1，其中續(xù)駛里程在30km以內(nèi)的約占總行駛里程的60%。

由于充電習(xí)慣、駕駛習(xí)慣等的差異，PHEV能耗也隨著變化［5］。圖 2為車輛月平均100km燃油消耗量的分布，不僅展示了PHEV燃油消耗量在大范圍內(nèi)變化的現(xiàn)象，還展示了PHEV作為日常使用獲得低燃油消耗的潛能，可以低于2L。

2 實(shí)驗(yàn)室能耗試驗(yàn)

選擇1臺PHEV(Prius)在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上參照歐洲法規(guī)ECE R101選項(xiàng)二進(jìn)行試驗(yàn)。測試系統(tǒng)除了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺、CVS和氣體分析儀系統(tǒng)等以外，還增加了電力計(jì)及其配套電流傳感器，用于計(jì)量車載電池的充放電量，見圖3。另外還配備了電功率計(jì)，用于計(jì)量車輛從電網(wǎng)獲取的電能。

條件A試驗(yàn):在充滿電的狀態(tài)下重復(fù)進(jìn)行測試循環(huán)(NEDC)，并且在每個(gè)循環(huán)測試放電量和燃油消耗量，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 條件A試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行兩個(gè)測試循環(huán)后，電池在第3個(gè)循環(huán)的放電量(0.379 8A·h)小于額定存儲值(15A·h)的3%(0.45A·h)，認(rèn)為已達(dá)到電池的最低荷電狀態(tài)，測試結(jié)束。則OVC續(xù)駛里程為兩個(gè)循環(huán)的總行駛里程，即DOVC=22km，也即在CD模式下能夠行使的距離。CD模式下的100km燃油消耗量c1=0.59L。然后對電池進(jìn)行充電直到滿足車輛制造廠規(guī)定的充滿截止條件，測量并記錄從電網(wǎng)獲得的電能e1=3.143 6kW·h，即為條件A下車輛的電能消耗，轉(zhuǎn)換成100km電耗為E1=14.29kW·h。

條件B試驗(yàn):按照制造廠建議，以70km/h的穩(wěn)定車速對車輛電池進(jìn)行放電，直到發(fā)動機(jī)起動并迅速停機(jī)，認(rèn)為達(dá)到測試的初始條件。進(jìn)行1個(gè)測試循環(huán)，測得100km燃油消耗量c2=4.05L，即CS模式下的燃油消耗量。然后將電池充滿電，測量并記錄從電網(wǎng)獲得的電能e2=3.158 4kW·h。然后按照之前的方法對電池進(jìn)行放電，即恢復(fù)到測試之前的SOC狀態(tài)，再將電池充滿電，獲得的電能e3=3.254 1kW·h，則條件B下車輛的電能消耗為e4=e2－e3=－0.095 7kW·h，轉(zhuǎn)換成100km電耗為E4=－0.44kW·h，即CS模式下的電能消耗量。

3 實(shí)驗(yàn)室綜合能耗與道路實(shí)際能耗對比

3.1 綜合權(quán)重系數(shù)

參照SAE J2841中利用系數(shù)的獲得方法，即式(1)，可以得到一條類似的利用系數(shù)曲線，見圖5中10 城市 UF［6］。

式中d(k)為第k個(gè)數(shù)據(jù)樣本［7］。

將距離D對應(yīng)的UF作為CD模式權(quán)重用于預(yù)測PHEV實(shí)際運(yùn)行在CD模式下行駛里程比例，則其中隱含開始使用前PHEV處于滿電狀態(tài)而且中途不再進(jìn)行充電的假設(shè)。由車隊(duì)充電行使里程分布(圖1)替代日均行使里程分布，則可得到車隊(duì)利用系數(shù)曲線(見圖5中車隊(duì)UF)［5］。這個(gè)系數(shù)由車隊(duì)使用情況而來，更能反映實(shí)際CD模式利用情況。

由圖5可見，車隊(duì)UF和10城市UF在整個(gè)區(qū)間內(nèi)都比較接近，一方面與實(shí)證用戶的選擇范圍較廣有關(guān)，日均行駛里程分布與調(diào)查結(jié)果接近;另一方面10城市UF關(guān)于充電頻率的假設(shè)與用戶實(shí)際的充電頻率相符。但是利用系數(shù)曲線與平均充電行駛里程權(quán)重系數(shù)曲線相比，只有在短距離內(nèi)接近，超過40km以后偏離越來越遠(yuǎn)。

而與美國UF相比，相同距離D對應(yīng)的各權(quán)重系數(shù)普遍要高，說明在我國推廣PHEV，能更充分利用CD模式，這與美國民眾平均出行里程比我國長有關(guān)。

3.2 綜合結(jié)果

由圖5中車隊(duì)UF、10城市UF和平均充電行駛里程權(quán)重系數(shù)曲線插值得D為22km時(shí)CD模式權(quán)重系數(shù)分別為46%、44%、47%。由車隊(duì)UF插值得到的CD模式權(quán)重系數(shù)46%，與道路實(shí)證試驗(yàn)中CD模式下行駛里程比例45%很接近。

運(yùn)用由不同方法得到的權(quán)重系數(shù)分別對實(shí)驗(yàn)室CD模式和CS模式下能耗進(jìn)行加權(quán)，結(jié)果見圖6。

運(yùn)用不同權(quán)重系數(shù)進(jìn)行加權(quán)后的綜合結(jié)果之間的偏差都在5%以內(nèi)，這與加權(quán)時(shí)所采用的權(quán)重系數(shù)比較接近有關(guān)。當(dāng)在CD模式下所能行駛的距離增加(超過40km)，由于加權(quán)時(shí)所采用的系數(shù)有比較大的差異(結(jié)合圖5)，綜合結(jié)果也會因此有比較大的差異。

運(yùn)用車隊(duì)UF、10城市UF和平均充電行使里程權(quán)重系數(shù)分別進(jìn)行加權(quán)后的燃油消耗量結(jié)果比車隊(duì)實(shí)際燃油消耗量分別低約7%、4%、8%，電能消耗量結(jié)果比車隊(duì)實(shí)際電能消耗量分別低約15%、18%、14%。燃油消耗量的偏差降低，電能消耗量的偏差就會增加，兩個(gè)偏差不可能都很小，至少有一個(gè)會超過10%。

從上面的結(jié)果可以看到，實(shí)驗(yàn)室綜合能耗(包括燃油消耗量和電能消耗量)和道路試驗(yàn)?zāi)芎拇嬖谝欢ǖ牟町悺＝?jīng)分析，這種差異主要源于兩個(gè)方面:一方面是由于實(shí)際行駛時(shí)的道路工況、附件(如空調(diào))的使用和環(huán)境氣候等相對實(shí)驗(yàn)室存在一定的差異;另一方面是實(shí)驗(yàn)室能耗綜合時(shí)采用的權(quán)重系數(shù)與實(shí)際利用系數(shù)也存在差異。為了使實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)更準(zhǔn)確地反映道路實(shí)際能耗，除了對綜合時(shí)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行調(diào)整外，還須對實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或補(bǔ)充，如補(bǔ)充空調(diào)試驗(yàn)或者調(diào)整試驗(yàn)工況等。

4 結(jié)論

PHEV通過在CD模式下依靠電池電能行駛而替代燃料消耗，其節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢通過道路能耗試驗(yàn)得以驗(yàn)證，在平均100km電能消耗量為7.5kW·h的情況下，平均100km燃油消耗量僅為2.63L，在適當(dāng)多充電的情況下還可更低。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行PHEV在CD和CS模式下的能耗試驗(yàn)，采用利用系數(shù)方法和平均充電行駛里程權(quán)重系數(shù)方法對實(shí)驗(yàn)室能耗試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，將綜合結(jié)果與道路能耗試驗(yàn)結(jié)果對比，得到以下結(jié)論。

(1)車隊(duì)利用系數(shù)由車隊(duì)使用情況而來，最能反映PHEV實(shí)際CD模式利用情況。運(yùn)用日均行駛里程分布得到的利用系數(shù)與車隊(duì)利用系數(shù)比較接近，能預(yù)測實(shí)際應(yīng)用中CD模式利用情況;

(2)平均充電行駛里程權(quán)重系數(shù)與利用系數(shù)在短距離內(nèi)比較接近，綜合后的結(jié)果也比較接近，偏差在5%以內(nèi);隨著車輛在CD模式下能夠行駛的距離增加(超過40km)，由于綜合時(shí)的權(quán)重系數(shù)差異增加，綜合結(jié)果之間的差異也因此增加;

(3)盡管利用系數(shù)或平均充電行駛里程權(quán)重系數(shù)(在短距離內(nèi))能預(yù)測實(shí)際應(yīng)用中CD模式利用情況，但應(yīng)用不同權(quán)重系數(shù)對實(shí)驗(yàn)室能耗綜合后的結(jié)果與道路實(shí)際能耗都存在超過10%的差異。

為了使實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)更準(zhǔn)確地反映道路實(shí)際能耗，除了對綜合時(shí)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行調(diào)整外，還須對實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或補(bǔ)充，如補(bǔ)充空調(diào)試驗(yàn)或者調(diào)整試驗(yàn)的工況等。

［1］ 秦孔建，陳海峰，方茂東，等．插電式混合動力電動汽車排放和能耗評價(jià)方法研究［C］//2010中國汽車工程學(xué)會年會優(yōu)秀論文集．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［2］ 國際質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB/T 19753—2005輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗(yàn)方法［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

［3］ Uniform Provisions Concerning the Approval of Passenger Cars Powered by an Internal Combustion Engine only，or Powered by a Hybrid Electric Power Train with Regard to the Measurement of the Emission of Carbon Dioxide and Fuel Consumption and/or the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range，and of Categories M1 and N1 Vehicles Powered by an Electric Power Train only with Regard to the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range［S］．ECE R-101 Rev．2 Amend．2，2009．

［4］ John Smart．Report on the Field Performance of A123Systems’HymotionTMPlug-In Conversion Module for the Toyota Prius［C］．SAE Paper 2009－01－1331．

［5］ Gonder J，Brooker A．Deriving In-Use PHEV Fuel Economy Predictions from Standardized Test Cycle Results:Preprint［C/OL］//The 5th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，Dearborn，Michigan，September 7 － 11，2009．http://www．nrel．gov/docs/fy09osti/46251．pdf．

［6］ Recommended Practice for Measuring the Exhaust Emissions and Fuel Economy of Hybrid-Electric Vehicles，Including Plug-in Hybrid Vehicles［S］．SAE J1711，2010．

［7］ Bradley Thomas H，Morgan Davis B．Alternative Plug in Hybrid E-lectric Vehicle Utility Factor［C］．SAE Paper 2011－01－0864．