不同能量管理策略的增程電動(dòng)汽車排放的實(shí)際道路試驗(yàn)

王煜安，羅佳鑫，王亞超，王 欣，葛蘊(yùn)珊*，蔣 震

（1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081，中國；2. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300，中國）

增程式電動(dòng)汽車兼?zhèn)浼冸妱?dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)，它在技術(shù)特點(diǎn)上屬于串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車[1]。當(dāng)車輛電池組電量較高時(shí)，由動(dòng)力電池提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的電力，當(dāng)電池組電量較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并通過發(fā)電機(jī)與動(dòng)力電池一起提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的電力。

劉成祺等人[2]研究了增程式電動(dòng)汽車在北方冬季典型道路行駛時(shí)的電耗與油耗，試驗(yàn)結(jié)果表明，增程式電動(dòng)汽車在高速路況電耗最高，擁堵路況油耗最高。P. Lijewski等人[3]對(duì)增程式電動(dòng)汽車與并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行了實(shí)際行駛排放(real driving emission, RDE)對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明增程式電動(dòng)汽車的一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔颒C排放更高，在高速區(qū)間CO的瞬態(tài)排放升高了10倍，氮氧化物（NOx）的排放隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工作時(shí)間的增加而增加。

已有研究表明: 駕駛行為[4]與交通狀況[5]會(huì)影響到汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放，由于增程式電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)不直接通過機(jī)械連接輸出功率，所以駕駛行為與交通狀況是否會(huì)影響到增程式電動(dòng)汽車的實(shí)際道路排放需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)驗(yàn)證。由于瞬時(shí)排放測量存在偏差，瞬時(shí)低排放易受到這兩者的影響而不能很好的反映瞬時(shí)排放的真實(shí)值。而瞬時(shí)高排放作為總行程累計(jì)排放的主要貢獻(xiàn)者，能夠更好的反映排放特征。

Z. Mera等人[6]首先提出可以通過NOx瞬時(shí)高排放集合對(duì)柴油車的NOx排放進(jìn)行分析，其中瞬時(shí)高排放集合是由原始排放數(shù)據(jù)聚類獲得。WANG Yachao等人[7]也利用了瞬時(shí)高排放集合 (instantaneous high emission set, IHES) 對(duì)混合動(dòng)力汽車的細(xì)顆粒數(shù)量 (particle number, PN) 排放影響因素進(jìn)行了分析。

本文對(duì)2輛具有不同能量管理策略的增程式電動(dòng)汽車在不同駕駛工況下，分別進(jìn)行了實(shí)際行駛排放(RDE)試驗(yàn)，其中駕駛工況分別為：正常駕駛、激進(jìn)駕駛、擁堵路況駕駛3種。從CO、PN原始排放數(shù)據(jù)聚類，獲得瞬時(shí)高排放集合(IHES)，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度等參數(shù)，分析了CO、PN瞬時(shí)高排放產(chǎn)生的原因，以研究不同能量管理策略和駕駛工況對(duì)CO、PN排放的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為Horiba公司生產(chǎn)的OBS-ONE便攜式車載排放測試系統(tǒng)(portable emission measurement system, PEMS)。該設(shè)備主要由氣體分析模塊、粒子數(shù)量計(jì)數(shù)模塊和排氣流量計(jì)3大模塊組成。其中CO2和CO的氣體濃度使用不分光紅外法(non-dispersive infrared, NDIR)測得，NOx的氣體濃度使用化學(xué)發(fā)光探測法(chemiluminescent detector, CLD)測得，PN的數(shù)量則由凝結(jié)粒子計(jì)數(shù)器(condensation particle counters, CPC)測得。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等瞬態(tài)狀態(tài)通過車載診斷系統(tǒng)(on board diagnostic system, OBD)測得，車輛行駛速度、海拔高度以及溫濕度等信息則由全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)和氣象模塊測得。

1.2 試驗(yàn)車輛

本試驗(yàn)選取兩輛滿足國六排放法規(guī)的增程式電動(dòng)汽車，并根據(jù)國六排放法規(guī)[8]附錄R中對(duì)于混合動(dòng)力汽車I型試驗(yàn)的要求確定兩車的平衡電量。車輛主要的技術(shù)參數(shù)由表1所示。

A車的能量管理策略為多點(diǎn)控制，多點(diǎn)控制策略會(huì)預(yù)先設(shè)置多個(gè)處于高效區(qū)或經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，增程器根據(jù)整車功率需求調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)在預(yù)設(shè)的工作點(diǎn)工作，其發(fā)動(dòng)機(jī)供油方式為進(jìn)氣道噴射(port fuel injection, PFI)。而B車的能量管理策略為功率跟隨，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)整車功率需求實(shí)時(shí)調(diào)整工作點(diǎn)以工作在最優(yōu)工作曲線附近[9]。當(dāng)同一車輛進(jìn)行不同駕駛工況試驗(yàn)時(shí)，能量控制策略預(yù)先設(shè)定并保持不變，其發(fā)動(dòng)機(jī)供油方式為汽油缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection, GDI)。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)路線

試驗(yàn)路線按照國六排放法規(guī)的行駛路線要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，市區(qū)、市郊以及高速階段的總里程及其占比均符合RDE的行程要求。試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京大興區(qū)與通州區(qū)，試驗(yàn)時(shí)均為晴朗天氣。

試驗(yàn)中激進(jìn)駕駛要求駕駛員僅在市區(qū)、市郊階段加減速時(shí)比正常工況更為劇烈，擁堵路況則選擇周一8點(diǎn)的早高峰時(shí)段開始試驗(yàn)，此時(shí)市區(qū)較為擁堵，車輛低速行駛時(shí)間較長。表2列出了6次試驗(yàn)各自的“激進(jìn)程度”[va]p-95、市區(qū)階段的平均車速v、試驗(yàn)時(shí)長T、試驗(yàn)總里程S等信息。[va]p-95為大于0.1 m/s2的正加速度a和其對(duì)應(yīng)車速v的乘積va，再升序排列后的第95分位值，表征總行程的激進(jìn)程度。（國六法規(guī)中的符號(hào)為“v*apos-[95]”，本文簡化為[va]p-95，下標(biāo)p代表正加速度的含義）。

從表2中可以看出，相較于正常駕駛工況，激烈駕駛工況對(duì)應(yīng)的[va]p-95明顯更高，A、B兩車分別達(dá)到了16.98、17.80 m2/s3；擁堵路況駕駛工況則對(duì)應(yīng)更低的平均車速與更高的試驗(yàn)時(shí)長，A車為35.75 km/h和7 522 s，B車為36.77 km/h和7 345 s。

表2 各試驗(yàn)行程信息

2 試驗(yàn)結(jié)果預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

不同的計(jì)算方法會(huì)對(duì)排放量的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響[10]，本文采用數(shù)據(jù)平均法計(jì)算最終污染物的排放量，即用總累計(jì)排放除以總試驗(yàn)里程，不做任何數(shù)據(jù)平滑或加權(quán)處理，反映的是真實(shí)排放水平。

2.2 瞬時(shí)高排放集合聚類

本文以CO的瞬時(shí)高排放集合(instantaneous high emission set, IHES)聚類過程為例。

步驟1：計(jì)算單次試驗(yàn)總行程累計(jì)污染物質(zhì)量排放mtot，并對(duì)試驗(yàn)每1 s采集記錄的CO瞬時(shí)質(zhì)量排放降序排列。

步驟2：將降序排列后的CO瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)逐個(gè)累加：

式中，Δmk為在k時(shí)刻，1 s內(nèi)的質(zhì)量排放。

步驟3：分別對(duì)貢獻(xiàn)了mtot前20%、50%、80%的CO瞬時(shí)高排放集合IHES 20、IHES 50、IHES 80進(jìn)行分析。即若mk小于mtot的20%、50%、80%，則將當(dāng)前時(shí)刻的Δmk以及對(duì)應(yīng)的車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)數(shù)據(jù)分別加入IHES 20、IHES 50、IHES 80。

2.3 CO瞬時(shí)高排放集合分析

表3表示CO瞬時(shí)高排放分別貢獻(xiàn)CO總質(zhì)量排放前20%、50%、80%時(shí)的瞬時(shí)質(zhì)量排放臨界值(e(CO))及其在試驗(yàn)總時(shí)間的占比(τ)。

表3可看出，A車的CO瞬時(shí)高排放更為集中，在3種不同的駕駛工況下，均在1%，5%，20%的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)排放了超過CO總排放量的20%，50%，80%。而B車的CO瞬時(shí)排放更為分散，在40%的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)才排放了超過CO總排放量的80%。

表3 CO瞬時(shí)高排放的臨界值與時(shí)間占比

2.4 PN瞬時(shí)高排放集合分析

表4表示A、B車PN瞬時(shí)高排放分別貢獻(xiàn)PN總質(zhì)量排放前20%、50%、80%時(shí)的瞬時(shí)質(zhì)量排放臨界值(e(PN))及其在試驗(yàn)總時(shí)間的占比。由表可以看出A車的PN瞬時(shí)高排放更為集中，在3種不同的工況下，均在0.2%，1%，10%的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)排放了超過PN總排放量的20%，50%，80%。與CO排放規(guī)律類似，B車的瞬時(shí)排放分布同樣更為分散，在40%的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)排放了超過PN總排放量的80%。這是因?yàn)锽車裝配了汽油機(jī)顆粒捕集器(gasoline particulate f ilter, GPF)所導(dǎo)致的，GPF能夠捕集汽油機(jī)排放的顆粒，從而改變了PN排放的分布規(guī)律。

表4 PN瞬時(shí)高排放的臨界值與時(shí)間占比

3 結(jié)果分析

3.1 CO原始瞬時(shí)排放及排放量

圖1為數(shù)值平均法計(jì)算得到的2車不同工況下CO總行程質(zhì)量排放量(em)。A車在擁堵路況下CO排放明顯劣化，達(dá)到了298 mg/km，而B車未觀察到明顯劣化。

圖1 2車不同工況下CO總行程質(zhì)量排放

圖2給出了2車正常工況下CO原始瞬時(shí)排放(e)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(n)隨時(shí)間的變化曲線。A車CO的最高瞬排集合HES20除了在冷啟動(dòng)期間產(chǎn)生以外，多集中于高速階段的高轉(zhuǎn)速變化區(qū)域（見圖2a），而B車CO的最高瞬排集合HES20集中于發(fā)動(dòng)機(jī)各啟動(dòng)階段。這是由于2車的能量管理策略差異所導(dǎo)致的，A車發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化時(shí)轉(zhuǎn)速負(fù)荷變化相對(duì)劇烈。而B車在高速階段工況變化更為緩和（見圖2b）。此外，A車的發(fā)電機(jī)功率和動(dòng)力電池容量較小，在高負(fù)荷工況或饋電狀態(tài)下，需要頻繁啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，CO控制效果相對(duì)較差。

3.2 CO瞬時(shí)高排放影響因素分析

表5和表6表示A車CO各瞬時(shí)高排放集合HES以及總行程的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率與節(jié)氣門開度變化率的分布，取上四分位數(shù)(U)和下四分位數(shù)(D)進(jìn)行表示，其中總行程數(shù)據(jù)即HES100中包含的所有數(shù)據(jù)。

由表5可看出：A車的瞬時(shí)高排放集合HES20、HES50對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率明顯高于HES80與總行程對(duì)應(yīng)的變化率。

由表6可以看出：HES20、HES50也對(duì)應(yīng)了更高的節(jié)氣門開度變化率分布。這與上文結(jié)論一致，即A車的多點(diǎn)控制策略依賴預(yù)設(shè)的工作點(diǎn)，高效經(jīng)濟(jì)區(qū)較窄，發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化相對(duì)劇烈。在高速加速階段，整車需求功率較大，A車需要頻繁地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效經(jīng)濟(jì)區(qū)。在這過程中，空燃比控制較難，易跳出閉環(huán)控制從而出現(xiàn)混合氣過濃的情況[11]。而B車的瞬時(shí)高排放集合的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率與節(jié)氣門開度變化率并未明顯升高，這是由于B車的CO瞬時(shí)高排放集中于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，B車功率跟隨的控制策略在需求功率較大時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化幅度相比A車更小，更利于空燃比的控制，降低了產(chǎn)生CO瞬時(shí)高排放的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 正常工況下2車CO瞬時(shí)排放、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系

表5 A車CO各HES以及總行程的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率分布

表6 A車CO各HES以及總行程的節(jié)氣門開度變化率分布

圖3為A、B車正常工況下CO各HES以及總行程的車速頻次分布圖，左縱坐標(biāo)為各瞬時(shí)高排放集合中同一速度出現(xiàn)的頻次(fre)，右縱坐標(biāo)為總行程集合(CO_HES100)中同一速度出現(xiàn)的頻次[fre(CO_HES100)]。

由圖3可看出，A車CO的最高瞬排集合HES20多集中于100 km/h附近的區(qū)域，即高速階段。而B車CO的HES20多集中于0 km/h附近的區(qū)域，即車輛剛起步階段。激進(jìn)工況與擁堵駕駛工況下，瞬時(shí)高排放集合的車速頻次分布與正常工況一致，即工況的變化并沒有導(dǎo)致CO瞬時(shí)高排放的速度頻次分布發(fā)生明顯改變，說明CO瞬時(shí)高排放分布不受駕駛工況的影響，這是由增程式電動(dòng)汽車的技術(shù)特點(diǎn)決定的。

圖3 CO各HES以及總行程(CO_HES100)的車速-頻次分布

3.3 PN原始瞬時(shí)排放及排放量

圖4為數(shù)值平均法計(jì)算得到的A、B 2車PN總行程排放量。2車在激進(jìn)工況都會(huì)增加PN排放，A車在擁堵路況下明顯產(chǎn)生了更多的PN排放，達(dá)到了4.91×1011/km。B車由于裝配了GPF，所以整體的排放量較低，但是B車3個(gè)不同駕駛工況的試驗(yàn)均在高速階段有較多的濃度相對(duì)高的PN瞬時(shí)排放產(chǎn)生。

圖4 2車PN總行程排放量分布

3.4 PN瞬時(shí)高排放影響因素分析

表7為B車PN各HES以及總行程的排氣流量分布，HES20對(duì)應(yīng)了更大的排氣流量。

此外HES20也對(duì)應(yīng)了更大的轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度，激進(jìn)駕駛與擁堵路況駕駛的節(jié)氣門開度均處于最大開度。PN的瞬時(shí)排放隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的上升而上升，同時(shí)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的上升也引起了排氣流量即空速的上升。各工況下HES20對(duì)應(yīng)了更高的排氣流量，這是因?yàn)楦咚匐A段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷升高引起了排氣流量的上升，隨著排氣流量的上升PN瞬時(shí)排放增加。這與尹乾熙[12]針對(duì)一臺(tái)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)獲得的結(jié)論一致。

圖5為PN各HES以及總行程的車速頻次分布圖。由圖5可看出：A車PN最高瞬排集合HES20集中于40 km/h以下，這對(duì)應(yīng)于車輛各啟動(dòng)階段。市區(qū)階段的擁堵路況會(huì)存在更多的低速行駛，大部分時(shí)間由動(dòng)力電池提供需求功率，所以發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間更久，再啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度相對(duì)較低，混合氣更易偏濃，產(chǎn)生了更高的PN瞬時(shí)排放。而不同工況未對(duì)B車瞬時(shí)高排放集合的車速頻次分布產(chǎn)生明顯影響。

表7 B車PN各HES以及總行程的排氣流量分布

圖5 PN各HES以及總行程(PN_HES100)的車速-頻次分布

4 結(jié) 論

本文對(duì)2輛分別為多點(diǎn)控制策略和功率跟隨策略的增程式電動(dòng)汽車在正常、激進(jìn)、擁堵駕駛工況下進(jìn)行了實(shí)際道路排放試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果，得到了以下結(jié)論：

1) 不同的能量管理策略會(huì)導(dǎo)致CO的瞬時(shí)高排放規(guī)律存在明顯差異。A車采用多點(diǎn)控制策略，轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化相對(duì)激烈，這會(huì)導(dǎo)致空燃比控制產(chǎn)生偏差，偏離理論空燃比，CO瞬時(shí)排放增加。而B車采用功率跟隨策略，轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化相對(duì)緩和，排放控制效果好。

2) 駕駛行為不是影響增程式電動(dòng)汽車CO、PN排放的主要影響因素。這是因?yàn)樵龀淌诫妱?dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間是相對(duì)解耦的。

3) 擁堵路況會(huì)導(dǎo)致A車發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間更久，使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度相對(duì)低，再啟動(dòng)時(shí)混合氣加濃，產(chǎn)生了更高的PN排放。

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