基于實際道路測試的插電式混合動力汽車排放特性研究

羅佳鑫 于恒彬 溫 溢 朱慶功 楊 超

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽車在為人們提供便捷出行的同時，也對大氣環(huán)境造成了大量的污染。為解決汽車排放導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，各國加大了對清潔能源汽車的支持和推廣。新能源汽車包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。目前，純電動汽車受限于續(xù)駛里程較短（尤其在低溫環(huán)境下）以及充電時間較長，在實際應(yīng)用過程中仍存在一些問題；而混合動力汽車尤其是插電式混合動力汽車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）發(fā)展相對較為成熟，綜合了燃油汽車?yán)m(xù)駛里程長與純電動汽車清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，在城市工況下是一種較為節(jié)能環(huán)保的出行工具[1-2]。

研究證明，輕型車在實驗室工況與實際道路行駛過程中的排放特性存在較大差異，對于插電式混合動力汽車，這種差異更為明顯[3-5]。在實際道路行駛過程中，插電式混合動力汽車根據(jù)動力電池電量調(diào)整控制策略，若動力電池電量充足，則優(yōu)先使用電能進(jìn)行驅(qū)動，此時發(fā)動機(jī)不參與動力供應(yīng)，汽車不產(chǎn)生油耗與污染物排放；而在動力電池電量較少或上坡等較大負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)起動參與動力供應(yīng)，從而產(chǎn)生油耗與污染物排放[6-8]。

本文對插電式混合動力汽車在電池電量保持模式下的實際道路運(yùn)行過程中的油耗與污染物排放特性進(jìn)行了研究。

1 試驗方案與試驗車輛信息

1.1 試驗車輛與試驗設(shè)備

本文涉及到的試驗車輛共3 輛，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗車輛主要技術(shù)參數(shù)

主要使用的試驗設(shè)備見表2，其中底盤測功機(jī)為四驅(qū)型。

表2 試驗設(shè)備

1.2 試驗方案

試驗前，通過適當(dāng)放電處理將PHEV 調(diào)整至電量保持模式。試驗過程中，將便攜式車載排放測試系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System，PEMS）安裝在試驗車輛上進(jìn)行試驗，通過車載診斷系統(tǒng)（On-board Diagnostic System，OBD）監(jiān)控車輛電量狀態(tài)。

本文中試驗車輛采用的測試包括全球輕型車排放測試循環(huán)（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，WLTC）與實際道路排放測試（Real Driving Emission，RDE），通過對3 輛試驗車進(jìn)行WLTC 測試循環(huán)與RDE 測試，對比不同工況下的油耗與排放情況。此外，試驗車C 還進(jìn)行不同環(huán)境溫度條件下的RDE 測試。本文選擇典型城市道路進(jìn)行實際道路排放試驗，試驗路線包括北京市亦莊開發(fā)區(qū)-南六環(huán)-京津高速部分道路。

機(jī)動車比功率（Vehicle Specific Power，VSP）的物理意義是發(fā)動機(jī)移動單位質(zhì)量（1t）時所輸出的功率，單位為kW/t。VSP 的計算公式[9]如下：

式中：VSP 表示機(jī)動車比功率，kW/t；v 表示車速，m/s；a 表示加速度，m/s2；θ 表示道路坡度，rad。

近年來，多種宏觀或微觀排放模型中采用了基于VSP 的建模分析方法。為了更好地分析車輛在不同行駛工況下的排放，本文參考MOVES 模型并結(jié)合實際情況，對VSP 區(qū)間進(jìn)行了劃分，并計算了不同VSP區(qū)間內(nèi)的污染物排放因子。表3 所示為VSP 區(qū)間劃分。

表3 VSP 區(qū)間劃分

2 結(jié)果分析

2.1 WLTC 與RDE 油耗對比

圖1 所示為3 輛試驗車在WLTC 測試循環(huán)與RDE 測試下的油耗對比。

圖1 不同工況下油耗對比

從圖1 可知，處于電量平衡狀態(tài)下的PHEV 在RDE 測試下的油耗高于實驗室測試（WLTC 測試循環(huán)），平均升高16.1%。說明在實際使用過程中，PHEV 的油耗高于其在實驗室內(nèi)的油耗。

為了進(jìn)一步分析PHEV 在不同工況下的油耗及CO2排放差異，本文對不同VSP 區(qū)間內(nèi)的油耗及CO2排放進(jìn)行了對比。

圖2 為試驗車B 在不同VSP 區(qū)間內(nèi)的CO2對比，圖3 為試驗車B 在不同VSP 區(qū)間的油耗對比。

圖3 不同VSP 區(qū)間內(nèi)油耗對比（試驗車B）

從圖2 和圖3 可知，WLTC 測試循環(huán)與RDE 測試下油耗及CO2排放的差異主要發(fā)生在低速與中速區(qū)間。RDE 測試循環(huán)下的油耗比WLTC 測試循環(huán)高，說明在實際道路行駛過程中，車輛制動后重新加速過程中加速度較大，動力電池電量迅速耗盡，發(fā)動機(jī)起動參與動力供應(yīng)，且參與動力供應(yīng)的比例較高，導(dǎo)致油耗升高。

在以往的研究中，通常認(rèn)為在交通較為擁堵的城市路況，頻繁起停將導(dǎo)致額外的能量消耗，也就意味著產(chǎn)生更多的污染物排放，而混合動力技術(shù)能夠大幅度降低頻繁起停過程所導(dǎo)致的油耗與排放。試驗結(jié)果顯示，在動力電池電量較低的情況下，實際行駛過程中，由于發(fā)動機(jī)頻繁起動，混合動力技術(shù)降低油耗的效果不如實驗室工況顯著，該現(xiàn)象隨著VSP增加而更加明顯。

隨著車速的增加，在市郊與高速階段的行駛過程中，WLTC 測試循環(huán)與RDE 測試下的油耗及CO2排放逐漸接近。在高速區(qū)間的Bin 35，由于RDE 測試過程中的最高車速小于WLTC 測試循環(huán)，該區(qū)間內(nèi)WLTC 測試循環(huán)的油耗比RDE 測試高。

圖4 所示為試驗車B 在整個RDE 測試期間的電量（state of charge，SOC）變化。

圖4 試驗車B 在整個RDE 測試過程中的電量變化

由圖4 可知，在車速較低且起停較為頻繁的市區(qū)行程中，PHEV 在起動瞬間會消耗動力電池電量；在市區(qū)行程中，動力電池電量逐漸減少。在市郊與高速行程中，車速較為穩(wěn)定時，動力電池電量基本保持穩(wěn)定；當(dāng)出現(xiàn)急減速時，通過制動能量回收，動力電池電量迅速增加；隨后的加速過程中增加的電量用于加速，電量迅速減少。試驗前與試驗結(jié)束后，動力電池電量相對變化較小。整個RDE 測試過程中，動力電池電量最高值出現(xiàn)在高速行程中較高車速急減速過程。

2.2 PHEV 實際道路排放特性

本文研究PHEV 在電量平衡模式下的實際道路排放特性。國六標(biāo)準(zhǔn)中，目前暫定了市區(qū)與總行程的符合性因子，其中NOx與PN 的符合性因子暫定為2.1，CO 的符合性因子尚未確定。

圖5、圖6、圖7 與圖8 分別為試驗車B 在冷起動工況（Cold Start，CS），市區(qū)行程包含市區(qū)行程冷起動工況（Urban-In-CS）與市區(qū)行程剔除冷起動工況（Urban-Ex-CS），總行程包含總行程冷起動工況（Total-In-CS）與總行程剔除冷起動工況（Total-Ex-CS）5 種工況下的CO、NOx、PN 與THC 排放因子。

圖5 不同工況下的CO 排放因子

圖6 不同工況下的NOx 排放因子

圖7 不同工況下的PN 排放因子

圖8 不同工況下的THC 排放因子

從圖5、圖6、圖7 與圖8 可知，由于冷起動過程中的污染物排放較高，市區(qū)行程冷起動過程與總行程冷起動過程導(dǎo)致市區(qū)行程與總行程的排放因子出現(xiàn)較為明顯的上升，主要是CO、PN 與THC 的排放因子上升較為明顯。

插電式混合動力汽車在城市道路行駛過程中，市區(qū)內(nèi)擁堵路況下頻繁起停，在制動停車時發(fā)動機(jī)停機(jī)，隨后重新加速時首先消耗動力電池能量，隨后發(fā)動機(jī)重起。由于電池能量較低，發(fā)動機(jī)起停頻繁導(dǎo)致催化劑溫度變化較大，對尾氣排放造成一定影響。針對典型城市擁堵路況，本文進(jìn)一步對擁堵路況區(qū)間內(nèi)的排放情況進(jìn)行分析。

圖9 與圖10 分別為試驗車B 在擁堵路況下的CO 與THC 瞬態(tài)排放，同時使用OBD 系統(tǒng)實時監(jiān)控SOC 值與催化劑溫度。

圖9 擁堵路況下的CO 瞬態(tài)排放（試驗車B）

圖10 擁堵路況下的THC 瞬態(tài)排放（試驗車B）

由圖9 和圖10 可知，在制動停車時，制動能量回收至動力電池，發(fā)動機(jī)停機(jī)，催化劑溫度明顯下降；隨后在重新加速起動過程中，動力電池能量耗盡；發(fā)動機(jī)起動瞬間，由于催化劑溫度較低，未處于高效催化區(qū)間，導(dǎo)致CO 與THC 排放較高。發(fā)動機(jī)起動后，在較高溫度尾氣的作用下，催化劑溫度迅速上升，催化劑效率逐漸提高，CO 與THC 排放顯著下降。CO 與THC 排放主要集中于加速過程，造成該現(xiàn)象的主要原因為在加速過程中混合氣加濃，缸內(nèi)燃燒不充分程度加劇，導(dǎo)致未燃THC 與CO 排放增加。

圖11 所示為試驗車B 在擁堵路況下的NOx排放，同時使用OBD 系統(tǒng)實時監(jiān)控SOC 值與催化劑溫度。

圖11 擁堵路況下的NOx 排放（試驗車B）

由圖11 可知，與CO 排放相似，NOx排放同樣出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)重起瞬間。然而，只有當(dāng)催化劑溫度低于某一限度時，發(fā)動機(jī)重起瞬間才會導(dǎo)致產(chǎn)生大量的NOx排放。只要催化劑溫度高于NOx產(chǎn)生的溫度最低值，就不會出現(xiàn)明顯的NOx排放峰值。

圖12 所示為試驗車B 在擁堵路況下的PN 排放，同時使用OBD 系統(tǒng)實時監(jiān)控SOC 值與催化劑溫度。

圖12 擁堵路況下的PN 排放（試驗車B）

由圖12 可知，在發(fā)動機(jī)停機(jī)重起后的加速瞬間，PN 排放較高；當(dāng)發(fā)動機(jī)重新起動后，PN 排放只在加速過程中出現(xiàn)短暫的峰值。

3 不同環(huán)境溫度下PHEV 的排放特性

為了模擬冬季插電式混合動力汽車在室外低溫環(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)，本文將試驗車C 置于室外低溫環(huán)境下進(jìn)行浸車，浸車時間為12～24 h，直至冷卻液溫度達(dá)到環(huán)境溫度±2 ℃范圍。本試驗過程中，最低環(huán)境溫度為-3.8 ℃，平均環(huán)境溫度為-1.3 ℃。而常溫試驗期間，最低環(huán)境溫度為17.6 ℃，平均環(huán)境溫度為18.9 ℃。

不同環(huán)境溫度下，冷起動（CS），市區(qū)行程（Urban）與總行程（Total）工況的CO、NOx、PN 排放因子對比分別如圖13、圖14、圖15 所示。

圖13 不同環(huán)境溫度下實際道路CO 排放

圖14 不同環(huán)境溫度下實際道路NOx 排放

圖15 不同環(huán)境溫度下實際道路PN 排放

低溫環(huán)境對實際道路排放的影響主要集中在冷起動過程乃至市區(qū)行程。在低溫環(huán)境下，試驗開始時，長時間的浸車導(dǎo)致冷卻液溫度與潤滑油溫度均較低。與常溫環(huán)境相比，低溫冷起動過程中，為盡快完成暖機(jī)過程，將向缸內(nèi)噴入較濃的燃油，導(dǎo)致污染物排放量較高。同時，低溫環(huán)境下催化器溫度較低，達(dá)到起燃溫度的時間較長，在冷起動階段催化器效率較低，導(dǎo)致低溫環(huán)境下冷起動過程的CO、NOx與PN 排放分別增加285.86%、203.53%與185.31%。

目前，國六排放標(biāo)準(zhǔn)中的低溫擴(kuò)展系數(shù)為1.6，擴(kuò)展溫度條件范圍為-7～0 ℃。本文通過對比低溫環(huán)境與常溫環(huán)境下的排放結(jié)果，計算出低溫環(huán)境對試驗車C 的影響系數(shù)（Influence factor，IF）。IF 的計算公式為：式中：IF 表示低溫影響系數(shù)；EFcold，i表示低溫環(huán)境下的排放因子，g/km；Fregular，i表示常溫環(huán)境下的排放因子，g/km；i 表示污染物CO、NOx或PN。

由圖13～圖15 可知，低溫環(huán)境對試驗車C 不同污染物排放的影響均較大，其中對市區(qū)行程的CO 排放影響最大，通過公式（2）計算出IF 達(dá)3.5。

圖16 為低溫影響系數(shù)。

圖16 低溫影響系數(shù)

由圖16 可知，低溫影響系數(shù)均高于1.6，說明低溫環(huán)境對插電式混合動力汽車的排放影響較大。

為了對比不同環(huán)境溫度下的CO2排放，本文以1 km 為區(qū)間，將整個RDE 測試過程中的CO2排放進(jìn)行擬合，如圖17 所示。

圖17 CO2 排放擬合曲線

由圖17 可知，在起動階段，低溫環(huán)境下CO2排放較高。這主要是由于在低溫環(huán)境下長時間浸車導(dǎo)致潤滑油粘度增大，傳動系統(tǒng)內(nèi)部阻力增加。為了滿足正常行駛需要，同時為了盡快完成暖機(jī)工況，需要向缸內(nèi)噴入更多的燃油，導(dǎo)致在市區(qū)行程車速較低的起動工況下，低溫CO2排放升高。隨著車輛的行駛，車輛內(nèi)阻逐漸與常溫狀態(tài)下的內(nèi)阻接近，在中速階段，CO2排放差異最小。在高速階段，溫度導(dǎo)致的空氣阻力差異起主要影響作用，導(dǎo)致低溫下的CO2排放較高。

綜上所述，低溫環(huán)境下，浸車導(dǎo)致的車輛內(nèi)阻增加、額外暖機(jī)需要以及空氣阻力增加導(dǎo)致CO2排放升高。

4 結(jié)論

1）插電式混合動力汽車（PHEV）在RDE 測試下的油耗及CO2排放高于WLTC 測試循環(huán)，差異主要體現(xiàn)在市區(qū)行程，隨著VSP 增加，差異更加明顯。

2）PHEV 在常溫環(huán)境下行駛時，當(dāng)動力電池電量較低時，市區(qū)行程頻繁起停將導(dǎo)致催化劑溫度不能達(dá)到正常工作溫度，進(jìn)而導(dǎo)致排放升高。該狀況在較為擁堵的市區(qū)行程中較為顯著。

3）與常溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境下，PHEV 在實際行駛過程中將消耗更多的燃油，產(chǎn)生更多的CO2與污染物排放。