環(huán)境溫度對(duì)混合動(dòng)力汽車實(shí)際道路行駛油耗的影響研究

鄭思凱 閆峰 劉樂 李飛 楚成歡

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300000）

1 前言

混合動(dòng)力汽車的續(xù)駛里程和動(dòng)力性與傳統(tǒng)燃油汽車相當(dāng)，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，混合動(dòng)力汽車能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性并降低CO2排放量[1]。目前，混合動(dòng)力汽車的油耗及CO2排放量通過試驗(yàn)室全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）測(cè)得，其試驗(yàn)環(huán)境溫度為(23±2)℃，對(duì)消費(fèi)者實(shí)際使用的環(huán)境溫度和工況覆蓋有限。相關(guān)研究表明，混合動(dòng)力汽車因具有油箱、電池2 個(gè)能量源，行駛工況對(duì)其油耗的影響尤為突出[2]。而溫度是電池容量的重要影響因素[3]，故對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行不同環(huán)境溫度下的實(shí)際道路行駛測(cè)試，分析其真實(shí)油耗及CO2排放量具有重要意義。

本文擬采用國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中給出的Ⅱ型試驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)不同混動(dòng)形式的輕型車進(jìn)行不同環(huán)境溫度下的實(shí)際道路行駛油耗測(cè)試，獲得其在實(shí)際使用條件下的真實(shí)油耗水平并分析其油耗隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)車輛

本研究選取4臺(tái)不同形式的輕型混合動(dòng)力汽車開展實(shí)際道路行駛油耗測(cè)試，車型覆蓋插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、增程式混合動(dòng)力汽車和不可外部充電式混合動(dòng)力汽車（NotOff-VehicleChargingHybridElectricVehicle，NOVC-HEV）。試驗(yàn)車輛均已完成磨合，機(jī)械狀況良好，車輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文選用的試驗(yàn)設(shè)備信息如表2 所示，設(shè)備均按時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)和校準(zhǔn)，準(zhǔn)確度良好，同一車輛選取同一套便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System，PEMS）開展各次試驗(yàn)，以降低試驗(yàn)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

表2 試驗(yàn)設(shè)備信息

2.3 試驗(yàn)路線

試驗(yàn)路線參考國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型試驗(yàn)相關(guān)要求選取[4]，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)路線示意

試驗(yàn)應(yīng)在平坦的鋪裝道路上按照市區(qū)、市郊、高速公路的順序開展，且道路交通秩序良好，并避開學(xué)校、醫(yī)院等人流密集地段，以保障試驗(yàn)安全。本研究所選用試驗(yàn)路線均位于天津市東麗區(qū)，試驗(yàn)路線車流量較小，便于模擬各種駕駛工況，使各次試驗(yàn)駕駛行為和工況具有較好的一致性，從而減少其他因素對(duì)油耗結(jié)果的影響。所選取試驗(yàn)路線各階段里程份額如表3所示。

表3 市區(qū)、市郊和高速公路階段里程份額

3 試驗(yàn)開展

3.1 WLTC油耗測(cè)試

在試驗(yàn)室條件下，按照GB/T 19753—2021[5]中所規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)各試驗(yàn)車輛進(jìn)行電量保持模式下WLTC 工況油耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 WLTC工況油耗結(jié)果

3.2 實(shí)際道路行駛油耗測(cè)試

參照國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型試驗(yàn)相關(guān)要求，在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行多次實(shí)際道路行駛油耗測(cè)試。參考天津市歷年日間環(huán)境溫度[6]，分別在[0,10]℃、(10,20]℃、(20,30]℃、(30,35]℃4種常見溫度區(qū)間內(nèi)開展測(cè)試。測(cè)試燃油選用95號(hào)國(guó)六基準(zhǔn)燃油，完成燃油加注和PEMS 設(shè)備安裝后，于測(cè)試前對(duì)試驗(yàn)車輛（含駕駛員和試驗(yàn)員各1名）進(jìn)行稱重，各次試驗(yàn)質(zhì)量的結(jié)果最大差值應(yīng)小于20 kg，并檢查胎壓與WLTC 工況油耗測(cè)試要求一致，以盡量減少其他因素對(duì)試驗(yàn)車輛油耗的影響[7]。

針對(duì)同一試驗(yàn)車輛，應(yīng)采用同一套PEMS 設(shè)備和同一駕駛員進(jìn)行不同溫度下的各次實(shí)際道路測(cè)試。各次測(cè)試應(yīng)在同一試驗(yàn)路線上進(jìn)行，市區(qū)段模擬停車次數(shù)和地點(diǎn)應(yīng)保持一致。駕駛員應(yīng)盡量減少各次試驗(yàn)行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)(v·apos)-[95]和相對(duì)正向加速度（Relative Positive Acceleration，RPA）差異，從而削弱人為因素對(duì)試驗(yàn)車輛油耗的影響。其中(v·apos)-[95]為車速與大于0.1 m/s2的正加速度乘積從小到大排列的第95 百分位所對(duì)應(yīng)數(shù)值，用來限制駕駛過于激烈的情況，相對(duì)正加速度為某階段所有v·apos之和與該階段行程距離的商，用來限制駕駛過于平緩的情況[4]。試驗(yàn)過程中各項(xiàng)參數(shù)如表5 所示。

表5 各次試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 油耗計(jì)算方法

本文所用PEMS 設(shè)備采用碳平衡法進(jìn)行油耗計(jì)算。由于燃燒產(chǎn)物中CO2、CO和THC中碳元素均來自汽油，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可根據(jù)尾氣中CO2、CO、THC的含量以及汽油密度和碳含量計(jì)算燃油消耗量[8]：

式中，F(xiàn)C為燃料消耗量；M(HC)、M(CO)、M(CO2)分別為測(cè)得的HC、CO、CO2排放量；D為15 ℃下試驗(yàn)燃料密度。

同理，瞬時(shí)燃料消耗量也可根據(jù)碳平衡法進(jìn)行計(jì)算：

式中，F(xiàn)R為瞬時(shí)燃料消耗量。

4.2 油耗分析

考慮到安全因素，本研究所用PEMS 設(shè)備均未配備THC 分析單元，無(wú)法對(duì)THC 進(jìn)行采樣分析。由于THC 排放量通常僅為CO2排放量的0.1%～0.2%，在油耗計(jì)算中影響甚微[9]，故本文在計(jì)算中將THC排放量設(shè)置為0，僅根據(jù)測(cè)得的CO2和CO 排放量計(jì)算油耗。

根據(jù)油品報(bào)告，本文所用95 號(hào)燃油的密度為0.756 kg/L。根據(jù)式（1）對(duì)各試驗(yàn)車輛不同溫度下實(shí)際道路行駛試驗(yàn)進(jìn)行油耗計(jì)算。

各車輛在4種常見溫度區(qū)間的實(shí)際道路行駛油耗計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 各次試驗(yàn)油耗計(jì)算結(jié)果 L

分析發(fā)現(xiàn)，在(10,30]℃溫度區(qū)間，除NOVCHEV車型實(shí)際行駛油耗與試驗(yàn)室WLTC循環(huán)油耗基本一致外，PHEV和增程式混合動(dòng)力汽車實(shí)際行駛油耗均高于試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果。主要原因包括：一是試驗(yàn)室WLTC 工況為固定工況，便于企業(yè)進(jìn)行針對(duì)性標(biāo)定以獲得優(yōu)秀的油耗結(jié)果，而實(shí)際道路行駛為隨機(jī)工況，企業(yè)無(wú)法進(jìn)行針對(duì)性標(biāo)定，故油耗結(jié)果存在一定差異；二是本文選用PHEV和增程式混合動(dòng)力汽車車型均為SUV，迎風(fēng)面積較大，較易受到風(fēng)阻影響，試驗(yàn)室測(cè)試時(shí)采用鼓風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)阻，與實(shí)際道路行駛風(fēng)阻存在較大差異，從而影響油耗結(jié)果。而在[0,10]℃及(30,35]℃溫度區(qū)間，各車型油耗結(jié)果相對(duì)于(10,30]℃溫度區(qū)間均出現(xiàn)不同程度上升。

4.3 油耗影響因素分析

表7所示為各次試驗(yàn)各階段里程及行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，可以看出各試驗(yàn)車各階段里程最大差異僅為3.4%，(v·apos)-[95]最大差異為7.6%，RPA 最大差異為9.3%，各次試驗(yàn)駕駛路線及駕駛風(fēng)格一致性較好，大幅減少了道路交通及駕駛員因素對(duì)實(shí)際道路行駛油耗測(cè)試結(jié)果的影響，故考慮各次試驗(yàn)油耗結(jié)果差異主要由溫度及正常行駛中的其他行為導(dǎo)致。

表7 各次試驗(yàn)里程及行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)

通過對(duì)各次試驗(yàn)行程分析發(fā)現(xiàn)，在[0,10]℃溫度區(qū)間下，車輛純電行駛里程均出現(xiàn)較大幅度縮減，除車輛D 外，均達(dá)到各溫度段最低水平。對(duì)于車輛D，其純電行駛里程比例相比中位數(shù)28.4%縮減了38.5%，并與出現(xiàn)最低值的試驗(yàn)D4結(jié)果基本一致，說明電池效能在低溫條件下出現(xiàn)了明顯縮減。在(30,35]℃高溫區(qū)間下，由于正常使用開啟空調(diào)制冷，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，需要發(fā)動(dòng)機(jī)更頻繁地起動(dòng)工作，故各車輛純電行駛里程比例相比各次試驗(yàn)的中位數(shù)也出現(xiàn)了不同程度下降。各次試驗(yàn)純電行駛里程比例如表8所示。

表8 各次試驗(yàn)各車輛純電行駛里程比例 %

如圖2所示，除車輛C由于純電行駛里程過短未發(fā)現(xiàn)純電里程比例與油耗之間的明顯關(guān)系外，車輛A、車輛B、車輛D的油耗均與純電行駛里程比例呈反比關(guān)系，說明低溫條件下電池效能縮減，從而造成了各車輛均在[0,10]℃溫度區(qū)間出現(xiàn)了明顯的油耗升高。同時(shí)，由于高溫環(huán)境下空調(diào)的使用增加了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，使得發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)，純電行駛里程比例降低，車輛油耗在(30,35]℃高溫區(qū)間下也出現(xiàn)了一定程度提高。

圖2 各車輛各次試驗(yàn)油耗及純電里程比例變化趨勢(shì)

圖3 所示為車輛C 在不同溫度下某段相同行程4 次試驗(yàn)的瞬時(shí)油耗曲線，其瞬時(shí)油耗結(jié)果根據(jù)式（2）計(jì)算。車輛C 在4 次試驗(yàn)的此段行程中，發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持起動(dòng)狀態(tài)。圖中①～③為此段行程中3 次從停車狀態(tài)起動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)，各次試驗(yàn)均基本遵循了此規(guī)律。從圖3 中可以看出，試驗(yàn)C1 及試驗(yàn)C4 在3個(gè)加速點(diǎn)的瞬時(shí)油耗峰值明顯高于其他2 次試驗(yàn)，說明在同樣的駕駛行為下，[0,10]℃及(30,35]℃溫度區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷更大，需要更高的油耗來滿足相同的駕駛需求。

圖3 車輛C瞬時(shí)油耗曲線

綜上，混合動(dòng)力汽車油耗最主要的影響因素是環(huán)境溫度。低溫環(huán)境會(huì)降低車輛的純電續(xù)航能力，更多地使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而增加了油耗，同時(shí)，在低溫環(huán)境下，為保證車輛各部件維持在正常工作溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)需要額外增加工作負(fù)荷，2 種因素綜合導(dǎo)致低溫條件下車輛油耗大幅增加。高溫環(huán)境下，空調(diào)等用電器的長(zhǎng)時(shí)間使用降低了電池續(xù)航能力，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，從而導(dǎo)致油耗出現(xiàn)一定幅度提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

常溫環(huán)境下（(10,30]℃），NOVC-HEV 車型在實(shí)際道路行駛時(shí)的油耗結(jié)果與試驗(yàn)室油耗測(cè)試結(jié)果基本一致，而PHEV 和增程式混合動(dòng)力車型在實(shí)際道路行駛時(shí)的油耗結(jié)果明顯高于試驗(yàn)室油耗測(cè)試結(jié)果，說明試驗(yàn)室油耗測(cè)試并不能準(zhǔn)確反映插電式混合動(dòng)力汽車和增程式混合動(dòng)力汽車在實(shí)際使用過程中的油耗水平。

環(huán)境溫度是混合動(dòng)力汽車油耗的重要影響因素。低溫環(huán)境下混合動(dòng)力汽車油耗會(huì)明顯提高，這是由于低溫環(huán)境會(huì)降低車輛的純電續(xù)航能力，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下工作負(fù)荷增大，2 種因素綜合作用導(dǎo)致低溫時(shí)車輛油耗大幅增加。高溫環(huán)境下，空調(diào)等用電器的長(zhǎng)時(shí)間使用降低了電池續(xù)航能力，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，故混合動(dòng)力汽車油耗也會(huì)出現(xiàn)一定程度提高。

綜上所述，高、低溫環(huán)境下混合動(dòng)力汽車油耗明顯上升，勢(shì)必造成CO2排放量增加。故針對(duì)不同溫度下的混合動(dòng)力汽車油耗開展進(jìn)一步測(cè)試，補(bǔ)充混合動(dòng)力汽車高、低溫條件下的油耗及CO2排放測(cè)試是有必要的。