串聯(lián)式和增程式混合動(dòng)力輕型商用車的性能對(duì)比

李敏清，馮 堅(jiān)，韓志玉

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804，中國）

隨著汽車技術(shù)向低碳化、信息化、智能化發(fā)展，混合動(dòng)力汽車已經(jīng)成為中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)方向之一[1]。

在混合動(dòng)力汽車中，增程式電動(dòng)汽車（rangeextender electric vehicle，REEV）和串聯(lián)式電動(dòng)汽車（series hybrid electric vehicle,SHEV）由于其高效、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在乘用車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。REEV 和SHEV 均屬于串聯(lián)構(gòu)型，兩者的差異在于REEV 的電池可以外接充電，屬于插電式混合動(dòng)力汽車（plug-in hybrid electric vehicle,PHEV），SHEV 則屬于傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車（hybrid electric vehicle,HEV）。REEV 可以利用外部電網(wǎng)電能，有效降低車輛的燃油消耗量及溫室氣體排放[2]，而SHEV 較小的電池容量降低了整車的整備質(zhì)量及制造成本[3]。有研究表明，REEV 相較于SHEV 在燃油經(jīng)濟(jì)性和排放上的優(yōu)勢(shì)在工況的行駛里程較長時(shí)會(huì)減弱[4]。因此，在選擇整車系統(tǒng)方案時(shí)，需要結(jié)合使用場(chǎng)景和車型綜合考慮。

目前，許多研究人員對(duì)不同混合動(dòng)力構(gòu)型在不同場(chǎng)景、不同策略下的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性、使用成本等進(jìn)行了比較研究[5-8]。F.Vincent 等[7]對(duì)一款中型轎車的串聯(lián)、并聯(lián)和功率分流3 種構(gòu)型在2 種純電續(xù)駛里程方案下的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比；文獻(xiàn)[9]研究了串聯(lián)和并聯(lián)PHEV 的“從油井到車輪”（well-to-wheel,WTW）二氧化碳排放。雖然相關(guān)研究取得了一定進(jìn)展，但是針對(duì)乘用車型較多，商用車型的研究較少；針對(duì)PHEV不同構(gòu)型的研究較多，在同一構(gòu)型下比較PHEV與HEV 性能的較少。

能量管理策略（energy management strategies,EMS）也是影響混合動(dòng)力汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)油減排的關(guān)鍵技術(shù)之一[10]，不同的構(gòu)型所適用的能量管理策略不同[5]。在進(jìn)行不同動(dòng)力系統(tǒng)方案對(duì)比時(shí)，為了公平性應(yīng)當(dāng)首先選定各自油耗、排放最優(yōu)策略。REEV 和SHEV 的能量管理策略存在明顯的差異性，REEV 存在電量消耗、電量維持（charge-depleting charge-sustaining,CD-CS）模式和混合模式（blended mode），SHEV 只有CS 模式。許多研究表明，PHEV 在混合模式下可以有效地提高燃油經(jīng)濟(jì)性[4,11-12]。然而目前PHEV 和HEV 性能比較研究中，仍舊使用規(guī)則式策略（rule-based strategies,RB）使PHEV 運(yùn)行于CD-CS 模式，未充分利用其節(jié)油優(yōu)勢(shì)。有些研究雖然分別針對(duì)PHEV 和HEV 進(jìn)行策略的優(yōu)化，所用策略的實(shí)時(shí)性和工程可用性卻難以實(shí)現(xiàn)[4,13-14]。

本文旨在比較增程式（REEV）和串聯(lián)式（SHEV）車輛使用端的油耗和二氧化碳排放差異，并且充分考慮比較的公平性和策略的實(shí)時(shí)性。以一款日行150 km、滿載質(zhì)量4.5 t 的輕型箱式卡車為研究對(duì)象，采用2 款1.2 L 和1.5 L 量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真。將一種動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（dynamic equivalent consumption minimization strategy,DECMS）應(yīng)用于此類商用車型，并與規(guī)則式策略（RB）進(jìn)行了比較。對(duì)DECMS在SHEV 車型上難以適用的問題，提出了改進(jìn)的混合DECMS 策略（mixed DECMS,M-DECMS）從而獲得更佳的結(jié)果。為2 款車型選擇了油耗結(jié)果最優(yōu)的策略，并在各自最優(yōu)策略下比較了燃油消耗和二氧化碳排放差異，為企業(yè)整車開發(fā)提供性能數(shù)據(jù)參考。

1 動(dòng)力系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型

本文應(yīng)用AVL Cruise 軟件，建立了增程式和串聯(lián)式的整車縱向動(dòng)力學(xué)模型，并利用MATLAB/Simulink將能量管理策略模型以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式集成到AVL Cruise 中。本文的研究對(duì)象為一輛滿載質(zhì)量為4.5 T 增程式輕型商用廂式卡車，車輛的滑行阻力曲線通過試驗(yàn)法獲得。

增程式（REEV）和串聯(lián)式（SHEV）動(dòng)力系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)（integrated starter and generator,ISG）、電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（traction motor,TM）、主減速器等，其中發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG 電機(jī)構(gòu)成的輔助動(dòng)力單元（auxiliary power unit，APU）通常處于發(fā)電狀態(tài)，是決定整車油耗的關(guān)鍵。啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)（ISG）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)（TM）均為永磁同步電機(jī)。本文選用1.2 L和1.5 L 排量發(fā)動(dòng)機(jī)，分別與2 種ISG 電機(jī)匹配，同一發(fā)動(dòng)機(jī)下REEV 和SHEV 2 種車型在硬件方面的唯一的差別在于電池類型和性能參數(shù)，具體的動(dòng)力部件參數(shù)見表1。

表1 關(guān)鍵動(dòng)力部件參數(shù)

本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗be通過萬有特性曲線獲得，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)燃油消耗量公式為

啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)（ISG）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)（TM）的能耗通過公式（2）計(jì)算得到。

其中：下標(biāo)“i”代表ISG 或TM；Pi為電機(jī)功率；Ti為電機(jī)扭矩；ni為電機(jī)轉(zhuǎn)速；ηi為電機(jī)效率；C含義同式（1），為轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ti≥0 時(shí)電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)模式，Ti＜0 時(shí)電機(jī)處于發(fā)電模式。

在仿真中，發(fā)動(dòng)機(jī)（ICE）、ISG 和TM 的扭矩響應(yīng)特性如公式（3）所示（來自AVL Cruise 用戶指南）。

其中：下標(biāo)“j”代表ICE、ISG 或TM；Tj-1為上一計(jì)算步長下的扭矩；Tj-2為最大扭矩；Tj-3為能量管理策略的請(qǐng)求扭矩；Δtj為計(jì)算步長；j=ICE 時(shí)，tj為發(fā)動(dòng)機(jī)從0扭矩到最大扭矩的響應(yīng)時(shí)間；j=ISG 或TM 時(shí)，tj為電機(jī)從最大發(fā)電扭矩到最大驅(qū)動(dòng)扭矩的響應(yīng)時(shí)間。

本研究中，增程式（REEV）車型和串聯(lián)式（SHEV）車型使用的電池均為典型的非線性儲(chǔ)能元件。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本研究只涉及電池的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。SOC為電池荷電狀態(tài)（state of charge）[15]，R為電池內(nèi)阻。圖1 為模型中使用的電池內(nèi)阻曲線圖。

圖1 電池內(nèi)阻隨SOC 變化曲線

2 能量管理策略的描述和改進(jìn)

2.1 規(guī)則式能量管理策略

運(yùn)行規(guī)則式策略（RB）時(shí)，根據(jù)SOC 和整車需求功率Pdem決定輔助動(dòng)力單元（APU）啟動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)行工作點(diǎn)。本文執(zhí)行的規(guī)則式策略考慮了對(duì)電池電流的影響，保證電池電流不超過許用限值。APU 未啟動(dòng)，計(jì)算考慮電池充放電電流極值所對(duì)應(yīng)的電池放電功率上限Pbat,max，Pdem一旦大于Pbat,max，APU 啟動(dòng)，防止電池電流過大；APU 啟動(dòng)時(shí)，通過Pdem和SOC 查表求得APU 允許最大功率，約束APU 實(shí)際工作點(diǎn)。

2.2 動(dòng)態(tài)ECMS 管理策略

本文應(yīng)用了一種動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）[9]?；旌蟿?dòng)力汽車的能量管理問題可以視為一個(gè)有約束的有限時(shí)域最優(yōu)控制問題，在一個(gè)行駛工況下求解輔助動(dòng)力單元（APU）的電功率控制序列PA(t)使總?cè)加拖牧縁C 最少[16]。

式中：t0為計(jì)算域的開始時(shí)間；tf為計(jì)算域的結(jié)束時(shí)間；PA(t)為APU 電功率；Pdem(t)為車輛需求功率。此問題可以用Pontryagin 極小值原理（Pontryagin’s maximum principle,PMP）解決，等效燃油消耗最小策 略（equivalent consumption minimization strategy,ECMS）作為解決此優(yōu)化問題的一種啟發(fā)式方法也可以用PMP 進(jìn)行分析推導(dǎo)[17]。對(duì)于串聯(lián)構(gòu)型，PMP 中的Hamilton 函數(shù)為[18]

式中：S(t)為電池的SOC，PA(t)為APU 的電功率，λ為等效因子，為發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)油耗，Pdem(t)為車輛需求功率，為電池SOC 的導(dǎo)數(shù)。

在實(shí)時(shí)應(yīng)用過程中，如何在行駛工況未知時(shí)選取合適的等效因子λ成為ECMS 的挑戰(zhàn)。動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）采用SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于速度特征識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果從一個(gè)預(yù)定義集合中選擇最合適的等效因子。另外，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際啟停特性和SOC 約束，此策略引入模糊邏輯控制器來控制發(fā)動(dòng)機(jī)最小運(yùn)行時(shí)間，其詳細(xì)原理可參考文獻(xiàn)[9]。

動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）在一輛增程式乘用車上展現(xiàn)了較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。本研究將DECMS 應(yīng)用于4.5 t 輕型卡車增程式（REEV）和串聯(lián)式（SHEV）兩種車型上。DECMS 的實(shí)施框架見圖2。

圖2 DECMS 策略執(zhí)行框圖

首先，采用聚類中心數(shù)為4 的SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于速度特征識(shí)別[9]。圖3 展示了訓(xùn)練完畢的SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一個(gè)中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（China world transient vehicle cycle，C-WTVC）工況的識(shí)別結(jié)果，右側(cè)縱坐標(biāo)代表4 種車速特征模式，并將識(shí)別結(jié)果用于構(gòu)造打靶工況。

圖3 C-WTVC 工況車速特征識(shí)別結(jié)果

其次，通過打靶法求解4 種打靶工況下的最優(yōu)等效因子。打靶法是用PMP 求解最優(yōu)控制問題的標(biāo)準(zhǔn)方法[16]。給定4種打靶工況vp(t)，t∈[t0,tf]，p∈{1,2,3,4}。打靶求解的優(yōu)化問題進(jìn)一步表達(dá)為：

式中：S0為初始SOC，Sf為終值SOC，本文中S0=Sf=55%。打靶過程中，引入發(fā)動(dòng)機(jī)最小運(yùn)行時(shí)間tmin保證電量均衡，并選擇油耗FC 最小的λ作為最優(yōu)等效因子。1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)增程式（REEV）和串聯(lián)式（SHEV）車型在4種打靶工況下均可以求得電量均衡的λ值，然而1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)在打靶過程中發(fā)現(xiàn)SHEV 車型在超高速工況下無法找到電量均衡的λ4值，測(cè)試結(jié)果見表2。這意味著滿足此約束條件的微分方程無解，導(dǎo)致DECMS 策略中的關(guān)鍵控制參數(shù)λ4缺失。

表2 1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)選型下的4 種打靶結(jié)果

2.3 混合管理策略的提出及其對(duì)整車油耗的影響

研究中發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）應(yīng)用于1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)SHEV 車型時(shí)，出現(xiàn)超高速打靶工況無解的情況，導(dǎo)致參數(shù)λ4的缺失，λ4暫取系統(tǒng)約束范圍內(nèi)的極限值，并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，SOC在高速區(qū)間跌破最小限值，見圖4。

圖4 SHEV 1.2 L 車型DECMS 的SOC 曲線

由圖4 可知：SHEV 車型在1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)配置下，動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）無法滿足其在中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）高速工況的功率需求，電池電量耗盡。針對(duì)此問題，本文引入混合策略的概念，其關(guān)鍵思想在于，如果能在低、中速工況使用DECMS，而在預(yù)知未來一段工況超出DECMS 適用范圍時(shí)提前切換至規(guī)則式策略（RB），就能滿足SHEV 車型在小發(fā)動(dòng)機(jī)下的動(dòng)力性需求。當(dāng)模式切換條件在整個(gè)行駛工況不滿足時(shí)，不需要切換策略，混合DECMS（M-DECMS）就等價(jià)于DECMS。M-DECMS 在一個(gè)C-WTVC 循環(huán)的執(zhí)行方式見圖5。其中，紅色點(diǎn)劃線區(qū)分運(yùn)行模式。

圖5 混合DECMS 的執(zhí)行示意圖

2.3.1 混合管理策略的模式切換

混合DECMS（M-DECMS）的模式切換時(shí)刻tsw是決定此策略控制效果的關(guān)鍵參數(shù)，其對(duì)于電池SOC 的影響可見圖6，該圖截取了在一個(gè)中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）不同模式切換時(shí)刻下的SOC 曲線。模式切換時(shí)刻tsw分別取857、1 157 和1 257 s。

圖6 不同模式切換時(shí)間下的SOC 曲線

由圖6 可知：當(dāng)模式切換時(shí)刻tsw取857 s 時(shí)，SOC在進(jìn)入高速工況前的低中速工況提前充電，SOC 有明顯的上升；當(dāng)tsw取1 257 s 時(shí)，SOC 在進(jìn)入高速工況后不久跌破最小限值。另外，在857、1 157 和1 257 s 3 種切換時(shí)刻下的100 km 油耗分別為14.43、14.34、14.45 L，tsw取1157 s 時(shí)油耗最低。此結(jié)果說明，如模式切換的時(shí)刻不當(dāng)，會(huì)增加油耗；如果模式切換時(shí)刻太晚，還會(huì)造成電池過放的問題。模式切換時(shí)刻在實(shí)時(shí)應(yīng)用中，需要車輛通過GPS 等方式獲取外部道路信息，在預(yù)測(cè)到未來一段工況超出策略適用范圍時(shí)根據(jù)當(dāng)前SOC、未來工況平均車速等信息計(jì)算確定。需要說明的是，本文中模式切換時(shí)刻為標(biāo)定值，關(guān)于最優(yōu)模式切換時(shí)刻的實(shí)時(shí)算法有待后續(xù)研究。

2.3.2 混合策略的工況適應(yīng)性

為了分析混合DECMS（M-DECMS）應(yīng)用于串聯(lián)式（SHEV）車型時(shí)在不同工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）低速、C-WTVC 中速、實(shí)際路譜和C-WTVC 150 km 這4 種工況進(jìn)行仿真。實(shí)際路譜為采集獲得的一款商用車在日常行駛路線上的車速數(shù)據(jù)，車速曲線如圖7 所示，平均車速41 km·h-1，最高車速約為73 km·h-1，包含高速工況。60

圖7 采集車速曲線

在4 種工況下混合DECMS（M-DECMS）和規(guī)則式策略（RB）的油耗仿真結(jié)果見表3。由表3 可知，在中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）和實(shí)際道路工況下，M-DECMS 的油耗分別比RB 高0.2%和0.4%；在C-WTVC 低速和中速工況下，M-DECMS 的油耗比RB 低1.0%和1.3%。結(jié)果表明，M-DECMS 和RB 在包含高速區(qū)間的工況燃油經(jīng)濟(jì)性接近，而在城市擁堵等低中速工況M-DECMS 可能更具優(yōu)勢(shì)。在輕卡常見的城市物流場(chǎng)景下，M-DECMS 可以展現(xiàn)更佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。

表3 SHEV 1.2 L 不同工況及策略的油耗

圖8 展示了中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）中速工況和C-WTVC 工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作點(diǎn)（轉(zhuǎn)速和扭矩）的運(yùn)行時(shí)間占比，可以解釋M-DECMS 策略在低中速工況燃油經(jīng)濟(jì)性較好的原因。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間占比用γ表示。

圖8 SHEV 1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間占比

可以看出在C-WTVC 中速工況，M-DECMS 相較于RB，處于發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)（發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗be≤ 255 g·kWh-1）的工作點(diǎn)比例更高，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失；在C-WTVC 工況，2 種策略的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布相似，雖然M-DECMS 策略下處于高效區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)比例略高，但是其在大負(fù)荷高油耗區(qū)的比例也增加了。

3 整車性能仿真結(jié)果及分析

為了對(duì)比增程式（REEV）和串聯(lián)式（SHEV）的油耗和二氧化碳排放，仿真工況為7 個(gè)連續(xù)的中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC），用以模擬所研究商用車的日常行駛工況。其行駛里程為150 km，總時(shí)間約為3.8 h。

3.1 動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

增程式（REEV）和串聯(lián)式（SHEV）經(jīng)仿真驗(yàn)證滿足此款商用車型的動(dòng)力性要求，動(dòng)力性要求和仿真結(jié)果見表4。由表4 可知，選用同一發(fā)動(dòng)機(jī)，串聯(lián)式和增程式車型最高車速相同，這是因?yàn)樽罡哕囁偃Q于發(fā)動(dòng)機(jī)外特性；最大爬坡度則由TM 電機(jī)外特性曲線決定，因此兩種車型下其值也相同；串聯(lián)式車型50 km·h-1加速時(shí)間小于增程式車型，這是因?yàn)榇?lián)式車型的動(dòng)力性電池可以在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出較高的峰值功率。在同一車型下，選擇較大的發(fā)動(dòng)機(jī)可以提高最高車速和50 km·h-1加速時(shí)間。

表4 動(dòng)力性要求及仿真結(jié)果

油耗仿真中，將增程式的初始SOC 設(shè)置為100%，用以模擬增程式在日常使用中初始滿電的情況。為便于比較，在計(jì)算增程式最終油耗時(shí)，將電池終了SOC 折算至25%；同時(shí)，仿真中確保串聯(lián)式的初始SOC 與終了SOC 差異小于1%便于比較燃油經(jīng)濟(jì)性。不同能量管理策略下的100 km 油耗見圖9。

圖9 不同能量管理策略下的100 km 油耗

在中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）150 km 工況，對(duì)于1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)，增程式車型在動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）下油耗優(yōu)于RB 策略，相較于RB 降低了6.4%；串聯(lián)式車型規(guī)則式策略（RB）油耗略優(yōu)于混合DECMS（M-DECMS），差異為0.2%；在油耗最低策略下，增程式較串聯(lián)式降低了30.0%的燃油消耗。對(duì)于1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)，DECMS 在串聯(lián)式和增程式車型下燃油消耗均優(yōu)于RB 策略，分別降低1.4%和5.2%；在油耗最低策略下，增程式較串聯(lián)式降低了30.2%的燃油消耗。綜上所述，在增程式充分利用電池電能的情況下，增程式相較于串聯(lián)式車型可以平均降低30.1%的燃油消耗。

動(dòng)力部件能耗分解圖從能量損失（QL）的角度展現(xiàn)了不同策略間油耗差異的來源，見圖10。

圖10 主要?jiǎng)恿Σ考芎姆纸鈭D

以選用1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)的2 種車型為例（見圖10a），同一車型下不同策略主要影響了發(fā)動(dòng)機(jī)損耗和電池?fù)p耗，ISG 電機(jī)和TM 電機(jī)損耗差異很小。REEV 1.2 L車型中，動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）的發(fā)動(dòng)機(jī)損耗和電池?fù)p耗低于規(guī)則式策略（RB）。SHEV 1.2 L車型中，RB 與混合DECMS（M-DECMS）的總損耗十分接近，因而其燃油消耗也接近。另外，由于1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)總體燃油消耗率優(yōu)于1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)，因而在同一策略同一車型下，其發(fā)動(dòng)機(jī)損耗明顯小于REEV，且電池?fù)p耗也有所降低。

3.2 二氧化碳排放對(duì)比

本研究中二氧化碳排放是指車輛在駕駛階段產(chǎn)生的燃油消耗直接碳排放和外部電能消耗間接碳排放，其中串聯(lián)式（SHEV）車型外部電能消耗為零。

本文采用碳平衡質(zhì)量法計(jì)算100 km 油耗直接二氧化碳排放質(zhì)量[19]

式中：kf為汽油碳排放系數(shù)，kg·L-1；Qfue為車輛在特定行駛工況下的100 km 燃油消耗，L；ρ為汽油密度，取值0.745 kg·L-1；wF為汽油碳質(zhì)量百分比，取85.7%；B為碳到二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，B=3.67。

本文估算100 km電能消耗間接二氧化碳排放質(zhì)量[19]

式中：Qele為車輛在特定行駛工況下的100 km 電能耗，kWh；η為考慮電力傳輸及充電過程損耗的傳輸效率，取值88%[19]；P為火力發(fā)電在我國電力生產(chǎn)中的占比，取值67.8%[20]；kc為全國電力平均kWh CO2排放質(zhì)量，取值0.583 9 kg[21]。

基于上述公式和仿真結(jié)果，在中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）工況下按照日均行駛里程150 km、年工作日按250 d 計(jì)算，二氧化碳年排放質(zhì)量mae見圖11。

圖11 不同能量管理策略下的二氧化碳年排放質(zhì)量

由圖11可知：1.2 L 排量發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)式車型（SHEV 1.2 L）在規(guī)則式策略（RB）下年排放量略小于混合DECMS（M-DECMS），降低了20 kg；1.2 L 排量發(fā)動(dòng)機(jī)增程式車型（REEV 1.2 L）在動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）下年排放量相比RB 降低了650 kg；在兩種車型各自油耗最優(yōu)的策略下，增程式車型年排放量相比串聯(lián)式車型低17.75%，減少了2.23 t。1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)下，增程式和串聯(lián)式最優(yōu)策略均為DECMS，年排放量較RB 分別減少了450 kg 和150 kg。在油耗最佳策略下，增程式相比串聯(lián)式降低15.54%，減少了1.66 t 二氧化碳排放。

3.3 不同混合動(dòng)力系統(tǒng)的電池充放電特性比較

增程式（REEV）和串聯(lián)式（SHEV）的電池充放電特性存在差異，電池充放電電流的大小常用充放電倍率（battery C rates）表式，充放電倍率對(duì)電池的循環(huán)壽命有著較大的影響[22]。本文根據(jù)仿真獲得的電流值對(duì)兩種動(dòng)力系統(tǒng)方案在中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）150 km 工況下的電池充放電倍率進(jìn)行對(duì)比。兩種系統(tǒng)的動(dòng)力電池參數(shù)見表1，比較結(jié)果見圖12。該圖為1.2 L 排量發(fā)動(dòng)機(jī)下增程式車型（REEV1.2 L）和串聯(lián)式車型（SHEV1.2 L）在不同策略下的電池充放電倍率頻率直方圖。橫軸表示電池充放電倍率，增程式組距為0.2 C，充放電倍率從0 至2.8 劃分為14 個(gè)區(qū)間；串聯(lián)式組距為2 C，充放電倍率從0 至28 也劃分為14 個(gè)區(qū)間?？v軸為對(duì)應(yīng)組距下的頻率，所有條形圖的高度之和為1。規(guī)則式策略（RB）下的充放電倍率分布見圖13(a)和(b)，動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS）以及混合DECMS（M-DECMS）見 (c)和(d)。1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)下的分布規(guī)律與1.2 L 類似，此處不再展示。

由圖12 可知：增程式（REEV）的電池充放電倍率小于2C，串聯(lián)式（SHEV）的電池充放電倍率最高可達(dá)15C至20C。兩種策略下增程式對(duì)電池充放電倍率的使用需求都明顯低于串聯(lián)式，也就是說從電池使用壽命的角度來說，增程式優(yōu)于串聯(lián)式，串聯(lián)式的動(dòng)力電池配置應(yīng)關(guān)注電池的充放電性能和循環(huán)壽命。另外，在選擇兩種動(dòng)力系統(tǒng)方案時(shí)，應(yīng)考慮它們不同的充放電特性對(duì)電池循環(huán)壽命的影響，從電池生命周期的角度對(duì)成本、碳排放等進(jìn)行更深入的研究。

圖12 1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)不同車型電池電流控制表現(xiàn)

4 結(jié)論

針對(duì)一款日均行駛里程150 km 的4.5 t 輕型商用車，本文仿真分析比較了增程式和串聯(lián)式兩種動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和二氧化碳排放。比較了實(shí)用性強(qiáng)的規(guī)則式策略（RB）和動(dòng)態(tài)等效燃油消耗最小策略（DECMS），確定了不同混合動(dòng)力構(gòu)型下的油耗最低策略。針對(duì)等效燃油消耗最小策略應(yīng)用于串聯(lián)式車型時(shí)電池電量在高速工況會(huì)提前耗盡的問題，提出了改進(jìn)的混合DECMS 策略（M-DECMS）。結(jié)果表明：在中國-全球瞬態(tài)整車循環(huán)（C-WTVC）工況、150 km 行駛里程下，1.2 L 發(fā)動(dòng)機(jī)配置的增程式電動(dòng)汽車（REEV）的最佳策略為DECMS，串聯(lián)式電動(dòng)汽車（SHEV）為規(guī)則式策略；1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)配置下，增程式和串聯(lián)式最佳策略均為DECMS。在C-WTVC 工況最佳策略下，增程式車型相較于串聯(lián)式平均下降30.1%的燃油消耗及16.65%的二氧化碳排放。因此，增程式車型在燃油消耗和駕駛階段二氧化碳排放上要優(yōu)于串聯(lián)式。