混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗測(cè)試和評(píng)價(jià)方法探討

文/謝 歡

【機(jī)動(dòng)車(chē)專(zhuān)欄】

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗測(cè)試和評(píng)價(jià)方法探討

文/謝 歡

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）因需兼具傳統(tǒng)燃油汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)，如何能夠更充分地利用電能，減少傳統(tǒng)石化燃料消耗，是新能源汽車(chē)中的一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)。本文分析了HEV技術(shù)特點(diǎn)和工作特性，對(duì)比研究了國(guó)內(nèi)外針對(duì)HEV能量消耗試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)HEV能量消耗評(píng)價(jià)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論， 并對(duì)今后國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中HEV能量消耗評(píng)價(jià)方法提出了修改建議。

HEV 能量消耗 測(cè)試和評(píng)價(jià)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)其工作機(jī)制更為復(fù)雜，且即使用燃料也消耗電能，如何合理地對(duì)HEV的能量消耗進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，真實(shí)反映HEV的實(shí)際能量消耗，一直是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，特別是對(duì)于可外接充電HEV，其可直接連接到電網(wǎng)上給電池充電，具備純電動(dòng)行駛模式，工作模式更為多樣。國(guó)內(nèi)外也先后制訂了HEV能量消耗率的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。本文從HEV原理和工作特性出發(fā)，著重分析了HEV能量消耗的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法。

一、HEV工作特性

HEV可分為不可外接充電HEV和可外接充電HEV。

不可外接充電HEV的驅(qū)動(dòng)能量最終來(lái)源，實(shí)際上只有發(fā)動(dòng)機(jī)燃料一個(gè)。無(wú)論是制動(dòng)能量回收，還是電池為驅(qū)動(dòng)車(chē)輛所提供的能量，歸根結(jié)底都來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。只是利用電池充放電對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的較高效率和較低的廢氣排放?？赏饨映潆奌EV（見(jiàn)圖1），其車(chē)輛系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)介于傳統(tǒng)混合動(dòng)力和純電動(dòng)之間，兼?zhèn)淙剂习l(fā)動(dòng)機(jī)和可充放的電力儲(chǔ)能裝置。同時(shí)，還與純電動(dòng)一樣，直接連接到電網(wǎng)上給電池充電，故其驅(qū)動(dòng)能量來(lái)源既有發(fā)動(dòng)機(jī)燃料也有電網(wǎng)電能。

圖 1 可外接充電HEV工作模式

對(duì)于不可外接充電的HEV，其運(yùn)行模式以電量維持（CS）模式為主；對(duì)可外接充電HEV，在充電后先以電量消耗（CD）模式運(yùn)行。當(dāng)荷電狀態(tài)達(dá)到最低水平時(shí)，如果沒(méi)有及時(shí)充電，此時(shí)車(chē)輛以CS模式運(yùn)行。

不可外接充電HEV的可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（RESS）沒(méi)有外接充電能力，只能在車(chē)輛運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工作的過(guò)程中，由發(fā)動(dòng)機(jī)或剎車(chē)制動(dòng)過(guò)程來(lái)給RESS充電，因此，這類(lèi)車(chē)能量管理策略的目標(biāo)一般是儲(chǔ)能裝置的能量保持在一定范圍內(nèi)。

可外接充電HEV的RESS可以連接到車(chē)外電源進(jìn)行充電。因此，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，能量管理策略通常是將電能消耗最大化，而盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的使用，達(dá)到最大程度減少燃油消耗和污染排放的目的。當(dāng)電量消耗到一定程度，車(chē)輛的荷電狀態(tài)會(huì)維持在某一水平，直到對(duì)車(chē)輛進(jìn)行充電。

從圖 1的可外接充電HEV運(yùn)行模式中可以看出，電池充滿(mǎn)電或處于較高荷電水平（SOC）的狀態(tài)下，可外接充電HEV一般運(yùn)行于純電動(dòng)模式或者電量消耗模式，電池電量下降較快；當(dāng)SOC下降到允許下限時(shí)，可外接充電HEV進(jìn)入電量維持模式運(yùn)行，電池SOC在這種運(yùn)行模式下波動(dòng)很小，總體維持平衡。某些可外接充電HEV可能還具備純發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式， 即電池電量消耗到允許下限值后停止工作， 只由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

二、不可外接充電HEV能耗測(cè)試評(píng)價(jià)

不可外接充電HEV的RESS沒(méi)有外接充電能力，所有的能量均來(lái)自于燃料。但不能簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗的燃料總量視為車(chē)輛的能耗。因?yàn)?，部分燃油消耗是為了給電力輔助裝置充電。如果在計(jì)算HEV能耗時(shí)，既把這部分油耗算在燃料消耗中，又把其轉(zhuǎn)化成的電能算在電耗中，就會(huì)造成能量的重復(fù)計(jì)算。為了避免此種現(xiàn)象，應(yīng)測(cè)量?jī)綦娏孔兓∟EC），并將NEC等效折算成油耗，對(duì)油耗進(jìn)行修正。

目前，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中采用兩種方法可對(duì)NEC進(jìn)行折算：效率折算法和線(xiàn)性回歸校正法。

1. 效率折算法

Vfuel——試驗(yàn)循環(huán)燃料消耗量，L；

E——試驗(yàn)過(guò)程中的電量消耗，kWh;

jNHV——燃料的低熱值，J/kg;

ρfuel——燃料密度，kg/L;

ηAPU*——輔助動(dòng)力系統(tǒng)平均工作效率。

注：*如果HEV是并聯(lián)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即為發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率乘以發(fā)電機(jī)平均效率；如果是混聯(lián)結(jié)構(gòu)，即為發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率乘以發(fā)電機(jī)平均效率乘以動(dòng)力分配裝置效率。

2. 線(xiàn)性回歸校正法

多次測(cè)量，利用一元回歸分析法進(jìn)行線(xiàn)性插值，折算到NEC為0時(shí)的油耗值，該油耗值即為不可外接充電HEV的能量消耗（見(jiàn)圖2）。

圖 2 線(xiàn)性回歸法

為保證有效性，必須：

① 保證最少有4個(gè)有效點(diǎn)：凈電量變化與燃油消耗值（NEC/fuel）大于±1%，小于等于±5% ，并且至少有1個(gè)點(diǎn)的NEC大于0和1個(gè)點(diǎn)的NEC小于0；

② 驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)R2大于等于0.8（線(xiàn)性回歸假設(shè)可接受）

k——單位換算系數(shù)，（3.6×103）-1kWh/J;

jNHV——燃料的低熱值，J/kg;

ρfuel——燃料密度，kg/L。

△Q——電池安時(shí)能量變化量，Ah；

V——電池在測(cè)試期間的平均電壓，V。

校正條件為：

NEC/fuel小于等于±1%，接受；NEC/fuel大于±1%，小于等于±5%，校正；NEC/fuel大于±5%，則無(wú)效。

C——試驗(yàn)測(cè)得的燃油消耗量，L/100 km；

Q——試驗(yàn)測(cè)得的NEC，Ah；

通過(guò)一元回歸分析法，進(jìn)行K的參數(shù)估計(jì)：

Ci——第i次試驗(yàn)測(cè)得的燃油消耗量，L/100 km；

Qi——第i次試驗(yàn)試驗(yàn)測(cè)得的NEC，Ah；

i——測(cè)試數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

對(duì)于效率折算法，由于無(wú)法對(duì)輔助動(dòng)力系統(tǒng)平均工作效率進(jìn)行有效準(zhǔn)確的估計(jì)，故該方法準(zhǔn)確度無(wú)法保證，目前采用較少。線(xiàn)性回歸校正法由于有數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確度有保證，且可重復(fù)性較好，故建議采用線(xiàn)性回歸校正法。

三、可外接充電HEV能耗測(cè)試評(píng)價(jià)

可外接充電HEV的RESS可以連接到車(chē)外電源進(jìn)行充電。因此，在運(yùn)行過(guò)程中，能量管理策略通常是將電能消耗最大化，即運(yùn)行在荷CD模式，盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的使用，達(dá)到最大程度減少燃油消耗和污染排放的目的。當(dāng)電量消耗到一定程度，車(chē)輛的荷電狀態(tài)會(huì)維持在某一水平，即運(yùn)行在荷CS模式，直到對(duì)車(chē)輛進(jìn)行充電。

可外接充電HEV具有電能量消耗比例大、運(yùn)行模式多的特點(diǎn)，使得針對(duì)它的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法比較難以制訂。

可外接HEV由于同時(shí)消耗電能和燃油兩種類(lèi)型的能源。由于電能量消耗比例大，電池SOC變化的范圍很大，電能量消耗與燃油消耗之間難以明確可靠地轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且可外接HEV電池的能量?jī)?chǔ)備大部分來(lái)自于外部電網(wǎng)，而非發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗。因此，可外接HEV電能消耗向燃油消耗的轉(zhuǎn)化也缺乏合理的依據(jù)。評(píng)價(jià)時(shí)如何選取模式或模式組合來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，才能最客觀地反映車(chē)輛的實(shí)際能耗和排放水平，也是較難解決的問(wèn)題。

依據(jù)可外接充電的HEV特性，應(yīng)分別測(cè)量在CD模式和CS模式下的能量消耗率（燃油消耗和電能消耗），利用加權(quán)系數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，以此來(lái)評(píng)價(jià)可外接充電的HEV綜合能量消耗率。如何科學(xué)有效并符合用戶(hù)實(shí)際使用情況地確定加權(quán)系數(shù)，是綜合能量消耗試驗(yàn)結(jié)果、計(jì)算處理的重要問(wèn)題。

可采取兩種方式對(duì)可外接充電的HEV能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1. 典型狀態(tài)測(cè)量法

分別測(cè)試條件A（在CD模式下的最高SOC值）和條件B（在CS模式下的最低SOC值）的燃料消耗和能量消耗，采用平均充電里程和純電動(dòng)形式里程對(duì)條件A和條件B的燃料消耗進(jìn)行加權(quán)，得到綜合燃料消耗，同樣采用平均充電里程和純電動(dòng)形式里程對(duì)條件A和B的電能消耗進(jìn)行加權(quán)，得到綜合電能消耗（見(jiàn)圖3）。

圖 3 典型狀態(tài)測(cè)量法

C——燃油消耗量，L/100 km；

C1——條件A下所的燃油消耗量，L/100 km；

C2——條件B下的燃油消耗量，L/100 km；

E——電能消耗量，Wh/km；

E1——條件A下所的電能消耗量，Wh/km；

E2——條件B下的電能消耗量，Wh/km；

De——純電動(dòng)行駛里程，km；

Dav——平均充電里程，km。

2. 全程測(cè)量法

分別測(cè)量整個(gè)CD模式階段和CS模式階段（測(cè)量方法同不可外接充電HEV）的燃料消耗和電能消耗，對(duì)燃料消耗和電能消耗利用加權(quán)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)，得到綜合燃料消耗量和電能消耗量結(jié)果。

全程測(cè)量法對(duì)在CD模式階段有發(fā)動(dòng)機(jī)更多介入的情況更有效（見(jiàn)圖4）。

圖4 CD模式中發(fā)動(dòng)機(jī)較多介入

CD模式結(jié)束（見(jiàn)圖5）的判斷準(zhǔn)則：?jiǎn)蝹€(gè)循環(huán)或一些列循環(huán)NEC/fuel 不大于±1%。

圖5 CD模式結(jié)束條件

在試驗(yàn)結(jié)果的加權(quán)中，利用基于在用車(chē)的使用情況統(tǒng)計(jì)得到的利用系數(shù)（UF） 對(duì)兩種狀態(tài)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，根據(jù)HEV的純電動(dòng)里程在圖6中找到該車(chē)對(duì)應(yīng)的UF，然后分別用UF 和（1-UF）作為權(quán)重系數(shù)對(duì)兩個(gè)狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合。

圖6 利用系數(shù)（來(lái)自美國(guó)科研機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）

目前，采用Dav等于25 km的條件A和條件B典型狀態(tài)測(cè)量法，其將平均充電里程Dav設(shè)置為25 km缺乏足夠的數(shù)據(jù)支持，且其測(cè)試典型狀態(tài)，不能客觀反映HEV在整個(gè)工作范圍內(nèi)的特性，如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)較多介入的情況。故建議今后國(guó)標(biāo)采用全程測(cè)量法，并使用基于在用車(chē)的使用情況統(tǒng)計(jì)得到的利用系數(shù)對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行加權(quán)，計(jì)算綜合能量消耗。

四、結(jié) 語(yǔ)

HEV能量消耗測(cè)試應(yīng)盡量反映車(chē)輛實(shí)際使用過(guò)程中的平均水平，由于HEV工作特性復(fù)雜，故其能量消耗測(cè)試和評(píng)價(jià)方法較難制定。本文從HEV技術(shù)特點(diǎn)和工作特性入手，在對(duì)比研究了國(guó)內(nèi)外針對(duì)HEV能量消耗試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，針對(duì)HEV能量消耗測(cè)試和評(píng)價(jià)提出了一些合理的建議，供參考和借鑒。

（作者單位：上海機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)中心）

信息專(zhuān)遞——

貴州“質(zhì)量云”成為社會(huì)共治信息平臺(tái)

近日，從貴州省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局獲悉，貴州省“質(zhì)量云”自上線(xiàn)4個(gè)月來(lái)，用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)量已突破50萬(wàn)次。

據(jù)悉，實(shí)施“云上貴州”云工程建設(shè)是貴州省委省政府的重要部署。2015年， “質(zhì)量云”被列為貴州2015年新增云應(yīng)用工程建設(shè)?！百|(zhì)量云”建設(shè)緊緊圍繞“放、管、服”和“三個(gè)提升”的要求，以“云上貴州”大數(shù)據(jù)平臺(tái)為依托，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)為手段，以政府提升決策能力和管理能力，以為民生幸福、經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)為目標(biāo)，構(gòu)建集監(jiān)管、公眾和企業(yè)參與、促進(jìn)質(zhì)量和安全共治為一體的信息平臺(tái)。

2016年，貴州將進(jìn)一步完善“質(zhì)量云”工程建設(shè)，推進(jìn)應(yīng)用系統(tǒng)遷“云”工作和數(shù)據(jù)共享開(kāi)放，努力探索大數(shù)據(jù)在質(zhì)量領(lǐng)域的應(yīng)用，更好地為貴州省質(zhì)量發(fā)展服務(wù)。

Hybrid electric vehicle (HEV) has the characteristics of both conventional fuel and electrical vehicles. More efficient usage of electric energy, as well as reducing consumption of traditional fossil fuels, has become the focus of new energy automobile research and development. This paper analyzes the technical features and performance properties of HEV, compares the test methods and standards on energy consumption of HEV both at home and abroad, and discusses some critical issues confronting HEV in energy consumption evaluation, and proposes amendments to the energy consumption evaluation method of HEV for the future national standards.

Hybrid electric vehicle; Energy consumption; Test and evaluation