中美插電式混合動力汽車能耗評價方法

呂力 葛鵬 柳邵輝

（中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)資源中心）

近年來，插電式混合動力電動汽車（PHEV）在中國國家政策的強力推動下，憑借其較為均衡的產(chǎn)品力，得到快速發(fā)展。與傳統(tǒng)混合動力電動汽車（HEV）相比，PHEV的優(yōu)勢在于電池容量更大，純電續(xù)航里程更長，能更好地利用電能并降低石油燃料的消耗；與純電動汽車相比，PHEV在電量不足時，可以使用傳統(tǒng)內(nèi)燃機進行驅(qū)動，在充電設(shè)施尚未完善時可在一定程度上降低用戶“里程焦慮”的擔(dān)憂。隨著PHEV越來越受到關(guān)注，對PHEV燃油經(jīng)濟性的評價也成為了爭論的焦點[1]。能耗（燃料及電量消耗量）是評價PHEV性能的核心指標(biāo)，由于PEHV特有的運行模式，其能耗特征與傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車均有顯著差異。文章從美國和中國的能耗指標(biāo)計算和能耗標(biāo)簽等方面研究PHEV能耗評價方法的差異及中國未來改善方向。

1 能耗指標(biāo)計算方式

1.1 PHEV的運行模式

PHEV對能源的消耗和傳統(tǒng)汽車相比有2個特點：1）PHEV可使用電能和燃油2種能源；2）PHEV的運行分為電量消耗（CD）和電量維持（CS）2個階段。

CD模式是指運行時只消耗外接充電的電能，或者在消耗電能時輔助消耗燃料，直到進入CS模式；而CS模式是指PHEV運行時只消耗燃料，同時通過發(fā)動機帶動電機運轉(zhuǎn)對電池充電，保持儲能裝置的電荷狀態(tài)（SOC）在一定水平。PHEV在充滿電后使用時，一般先以CD模式運行，此時SOC不斷降低，當(dāng)SOC降低到允許下限時，PHEV進入CS模式運行，此時SOC狀態(tài)基本保持平衡[2]。

因為以上特點，PHEV的平均能耗隨出行特征（包括行駛工況和出行里程等）的變化而改變。PHEV在CD和CS這2個階段運行時，車輛的能耗值截然不同，因此如何權(quán)衡2個階段的能耗在平均能耗中所占的比例是PHEV能耗評價方法的一個核心內(nèi)容。同樣的車型和動力系統(tǒng)，在不同的能耗指標(biāo)計算方法下，將呈現(xiàn)完全不一樣的認(rèn)證能耗水平。

1.2 能耗指標(biāo)計算方法

1.2.1 美國PHEV能耗指標(biāo)計算方法

美國對于2個階段的權(quán)衡是利用基于美國居民出行特征的利用系數(shù)（Utility Factor，Uf）來實現(xiàn)的。美國SAE J2841規(guī)定了不同里程對應(yīng)的利用系數(shù)的計算方法，該利用系數(shù)Uf是根據(jù)美國居民日均出行里程統(tǒng)計得來的[3]。圖1示出SAE J2841利用系數(shù)曲線。利用系數(shù)曲線并不等于出行里程的分布曲線，其定義為：x km對應(yīng)利用系數(shù)為y%，表明在美國居民日均出行里程中，有y%的里程是在x km以內(nèi)的。從圖1可見，日均出行里程在300 km以內(nèi)的居民占90%以上。

圖1 SAE J2841利用系數(shù)曲線

根據(jù)美國居民出行特征得出的結(jié)論，在PHEV的綜合油耗中，CD階段的油耗所占的權(quán)重系數(shù)就等于該PHEV車型CD循環(huán)里程所對應(yīng)的利用系數(shù)（Uf），剩余部分則為CS階段的油耗，其權(quán)重為1-Uf；最終PHEV車型的綜合油耗計算公式為：

式中：Ffuel——PHEV綜合油耗，L/100 km；

FCD，F(xiàn)CS——CD，CS階段油耗，L/100 km。

可見美國的計算方法是基于其國民實際日均出行里程的研究，因此油耗計算結(jié)果更能體現(xiàn)PHEV在實際運用中的能耗。

1.2.2 中國PHEV能耗指標(biāo)計算方法

中國PHEV能耗計算參考?xì)W盟法規(guī)，采用“車輛純電動續(xù)航里程”以及“充電間隔車輛平均行駛里程”2個參數(shù)分別對CD階段和CS階段試驗結(jié)果進行加權(quán)[4]，計算方法為：

式中：C——PHEV綜合燃料消耗量，L/100 km；

C1，C2——CD、CS階段燃料消耗量，L/100 km；

De——純電（CD階段）續(xù)航里程，km；

Dav——假設(shè)儲能裝置2次充電之間的平均行駛里程，歐盟標(biāo)準(zhǔn)中，Dav=25 km。

式（2）中C1對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為De占總行駛里程的比例；CS階段的權(quán)重系數(shù)為Dav占總行駛里程的比例；而總行駛里程為De與Dav之和。

此種計算方法與美國類似，但加權(quán)所用參數(shù)Dav的定義及其確定的取值存在問題，將Dav的數(shù)值規(guī)定為25 km尚缺乏中國駕駛員實際調(diào)研數(shù)據(jù)支持,僅是直接借用歐盟法規(guī)的相關(guān)內(nèi)容。正是該計算方法使得中國PHEV的認(rèn)證油耗主要由純電動續(xù)航里程決定，導(dǎo)致了多款PHEV車型認(rèn)證油耗遠(yuǎn)低于消費者實際駕駛情況，引起社會輿論的關(guān)注。

1.3 油耗和電耗的折算

美國的燃油經(jīng)濟性與環(huán)保標(biāo)簽中包含等效燃油經(jīng)濟性指標(biāo)，等效燃油經(jīng)濟性計算時是根據(jù)能量等價的原理，每加侖汽油等效為33.7 kW·h電能，按中國法定計量單位即為8.9 kW·h電能折算為1 L油耗[5]。

而中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)沿襲歐盟ECE法規(guī)，PHEV的油耗與電耗是分別公布的，在確定PHEV油耗公告認(rèn)證參數(shù)時，電能消耗量并不折算成油耗，而是按零油耗計算，故目前的認(rèn)證油耗無法準(zhǔn)確衡量PHEV的真實能耗水平。

中國正在制定《電動汽車與插電式混合動力汽車能耗折算方法》國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿已于2016年7月公開征求意見，從熱值和碳排放2個方面著手對電動車和PHEV運行過程中所消耗的電量進行折算[6]。其中，熱值折算方法又分為簡單折算和燃料生命周期折算2種方式，從企業(yè)平均油耗管理的角度看，總計3種方法對電耗的折算越來越嚴(yán)苛，利于未來分步實施。該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后將應(yīng)用于第四階段乘用車燃料消耗量核算時的新能源汽車能耗折算，以及新修訂后的能耗標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)中新能源汽車能耗的表達。

1.4 中國PHEV認(rèn)證綜合油耗

由中國對PHEV能耗指標(biāo)計算方法確定了2種運行方式的權(quán)重系數(shù)，2次充電行為之間的平均行駛里程定為25 km，且電耗按照零油耗進行折算，決定了車型純電續(xù)航里程（CD階段里程）越長，認(rèn)證綜合油耗越小，計算公式簡化后為：

可見認(rèn)證油耗僅由該車型搭載的傳統(tǒng)內(nèi)燃機的油耗水平和純電動續(xù)航里程大小來決定。在內(nèi)燃機節(jié)能技術(shù)遭遇技術(shù)瓶頸時，提高PHEV的認(rèn)證油耗水平最直接的方式即為增大動力電池容量，提高純電動續(xù)航里程。

參考中國部分PHEV車型的認(rèn)證參數(shù)，如表1所示。

表1 中國市場PHEV車型能耗參數(shù)

從表1可發(fā)現(xiàn)，認(rèn)證油耗、發(fā)動機油耗和純電續(xù)航里程之間的關(guān)系，存在如下問題：

1）認(rèn)證油耗與發(fā)動機油耗相距甚遠(yuǎn)。以國家新能源汽車購置補貼政策對PHEV純電續(xù)航里程的50 km要求為基準(zhǔn)計算認(rèn)證油耗，代入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2次充電間行駛距離（25 km），得到C=C2/3的結(jié)論，認(rèn)證油耗僅為發(fā)動機油耗的1/3，故消費者認(rèn)可度低。

2）部分消費者僅因為地方限行限購政策購買PHEV車型，由于居住環(huán)境與歐美國家存在差異，實際日常駕駛中部分時間是將PHEV作為普通燃油車使用，并沒有發(fā)揮新能源汽車節(jié)能減排的社會效益。

3）PHEV與同動力總成的燃油車型相比，認(rèn)證油耗大量減少，為生產(chǎn)企業(yè)降低平均油耗，實現(xiàn)企業(yè)油耗達標(biāo)提供了合規(guī)途徑，與純電動車型相比，企業(yè)將更傾向于投放市場認(rèn)可度高的PHEV這一折中過渡車型，進而影響中國汽車產(chǎn)業(yè)電動化轉(zhuǎn)型升級戰(zhàn)略的實施效果。

2 中美PHEV能耗標(biāo)識比較

2.1 美國PHEV能耗標(biāo)簽

美國現(xiàn)有PHEV能耗標(biāo)簽由聯(lián)邦法規(guī)40系列（40 CFR 86和40 CFR 600）提供支撐，以SAE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（SAE J1711和SAE J2841）為支撐，由美國環(huán)保署（EPA）和交通部（DOT）聯(lián)合推出燃油經(jīng)濟性與環(huán)保標(biāo)簽作為能耗水平評價的窗口。

美國機動車新能耗標(biāo)簽由EPA和DOT于2010年聯(lián)合發(fā)布，并從2013年開始正式實施。新的標(biāo)簽一共有10種，適用于采用不同動力系統(tǒng)車型的能耗和環(huán)保水平評價。其中有2種標(biāo)簽分別針對串聯(lián)式PHEV（在CD階段只使用電能，發(fā)動機完全不參與）和混聯(lián)式PHEV（在CD階段發(fā)動機在必要的時候會輔助驅(qū)動）[5]。

以混聯(lián)式PHEV為例，燃油經(jīng)濟性與環(huán)保標(biāo)簽顯示內(nèi)容主要有燃油經(jīng)濟性、續(xù)航里程區(qū)域、能源費用和排放評分4個方面，如圖2所示。

圖2 混聯(lián)式PHEV美國EPA燃油經(jīng)濟性和環(huán)保標(biāo)識

燃油經(jīng)濟性位于標(biāo)簽的左上方，顯示了PHEV對燃油和電能的消耗率。由于PHEV的運行分為CD和CS階段，所以燃油經(jīng)濟性也分為了兩部分顯示，在電能消耗階段，燃油經(jīng)濟性指標(biāo)分別以等效燃油經(jīng)濟性、油耗和電耗的形式給出。在電量維持階段，因為電能并沒有消耗，所以該階段的燃油經(jīng)濟性僅用油耗表示。另外標(biāo)簽還給出了采用240 V電源將動力電池充滿電的時間（4 h）。續(xù)航里程指標(biāo)位于燃油經(jīng)濟性指標(biāo)的下方，分別顯示了CD階段（即純電續(xù)航里程）和該PHEV總的續(xù)航里程。

燃油費信息包括兩部分，分別位于標(biāo)簽的右上方和左下方。左下方的能源開支是按照行駛15 000 英里/年（24 140 km/車），油價為 3.7 美元/加侖（0.98美元/L），電價為0.12美元/kW·h的情況計算的結(jié)果。如圖2所示為1 050美元/年。右上方顯示的為5年內(nèi)使用該PHEV與該年度新車平均水平相比，能夠節(jié)約的開支；消費者在購買PHEV車型時，節(jié)約的開支為關(guān)鍵因素之一，故標(biāo)簽上專門列出該數(shù)值以供消費者參考。

排放評分區(qū)域位于右下方，分別是對于溫室氣體和有害氣體、顆粒物的排放進行打分制的評價，滿分為10分。標(biāo)簽所標(biāo)識的排放均只考慮車輛運行本身所帶來的排放，不考慮生命周期上游生產(chǎn)和運輸?shù)呐欧拧?/p>

通過該標(biāo)簽所展示的數(shù)據(jù)，基本可以完成對一個PHEV的能耗和排放評價，該標(biāo)簽是一面窗口，展示的是美國EPA等機構(gòu)所構(gòu)建的PHEV相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐作用，提供了消費者所需的信息。

2.2 中國PHEV能耗標(biāo)識

中國對于PHEV的能耗評價方法是基于GB/T 19753—2005《輕型混合動力電動汽車能力消耗量試驗方法》，主要參考了歐洲ECE R101法規(guī)，對PHEV的試驗循環(huán)采用與傳統(tǒng)汽車同樣的ECE/NEDC認(rèn)證循環(huán)工況。對其評價指標(biāo)基本沿用傳統(tǒng)汽車的體系，評價指標(biāo)為在市區(qū)工況、郊區(qū)工況、綜合工況下的100 km燃油消耗量和電能消耗量。目前國內(nèi)現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 22757—2008《輕型汽車燃料消耗量標(biāo)識》并不適用于混合動力電動汽車，故并沒有專門針對PHEV的能耗標(biāo)識，公眾只能通過參考工信部公布的認(rèn)證綜合油耗來評價PHEV的能耗水平。

工信部于2012年開始組織開展GB 22757—2008的修訂工作，并于2015年7月對修訂后的《輕型汽車能源消耗量標(biāo)識》公開征求意見[7]。修訂后的能耗標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)分為兩部分，第1部分為汽油和柴油汽車，第2部分為PHEV和純電動汽車。其中PHEV部分能耗指標(biāo)均來源于根據(jù)GB/T19753—2013進行試驗所得到的數(shù)據(jù)，包括燃料消耗量、電能消耗量及純電動續(xù)航里程等。

對比中美現(xiàn)有的PHEV能耗標(biāo)簽評價體系可發(fā)現(xiàn)，在中國現(xiàn)有的能耗標(biāo)簽中，并沒有針對PHEV的2個技術(shù)特征進行專門的規(guī)定，現(xiàn)有指標(biāo)和體系大多是沿用之前對傳統(tǒng)汽車或傳統(tǒng)混合動力汽車的評價思路。

3 結(jié)論

綜上，中國PHEV能耗評價面臨的問題主要有3個方面：

1）測試方法直接沿用歐盟標(biāo)準(zhǔn)，與國內(nèi)車輛技術(shù)狀態(tài)及使用環(huán)境（路況、駕駛特性和使用頻率）的適用性缺乏論證。尤其在對CD和CS狀態(tài)下的測量結(jié)果進行綜合時，并未對本國車輛使用狀況信息進行足夠的調(diào)查，而是直接照搬歐盟標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的權(quán)重系數(shù)，默認(rèn)PHEV2次充電間行駛里程為25 km。

2）目前在計算PHEV認(rèn)證綜合油耗時，并未將純電狀態(tài)下的電耗指標(biāo)折算為油耗，而直接將其視為0進行計算，導(dǎo)致純電續(xù)航里程越長的車型認(rèn)證油耗越低，無法科學(xué)體現(xiàn)PHEV的真實能耗水平。

3）PHEV能耗標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺，公眾缺乏了解PHEV能耗水平的渠道。

鑒于上述問題，對中國PHEV能耗評價體系提出以下建議，為完善評價體系提供參考。

1）開展對于中國PHEV車輛日常行駛特征的調(diào)查，獲取統(tǒng)計數(shù)據(jù)以確定中國PHEV車輛的利用系數(shù)，為計算綜合能耗的權(quán)重系數(shù)提供支持。

2）出臺新能源汽車能耗折算標(biāo)準(zhǔn)，對電耗進行科學(xué)折算，體現(xiàn)PHEV的真實能耗水平。

3）法規(guī)層面的PHEV能耗評價，其指標(biāo)應(yīng)盡量客觀反映車輛的綜合性能水平，將不同運行狀態(tài)下的測量結(jié)果綜合加權(quán)，并引入車輛利用系數(shù)這一統(tǒng)計數(shù)據(jù)。