增程式電動汽車虧電狀態(tài)實際道路排放特性研究

【摘 要】為了探究增程式電動汽車在虧電狀態(tài)下實際道路排放特性，文章采用AVL M.O.V.E便攜式車載排放測試系統(tǒng)，對一輛增程式電動汽車在虧電狀態(tài)下開展實際道路排放測試，對比不同車輛模式下排放表現(xiàn)。測試結果表明：在所有模式下，該車輛的污染物排放結果均低于國Ⅵ排放限值。其中，CO、PN排放因子與CO2排放量有較強的正相關性;NOx排放因子與市郊及高速段增程器啟停頻率及啟動功率有較強的正相關性。由于試驗過程增程器啟停頻繁，在冷機的起動、冷機（水溫低于70℃）及熱機起動等工況下易出現(xiàn)PN、CO、NOx排放峰值，且在急加速的瞬間也會出現(xiàn)NOx和PN排放峰值，這些情況在排放控制中應予以重點關注。

【關鍵詞】實際道路排放;車輛模式;增程式電動汽車

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0001-04

Study on Actual On-road Emission Characteristics of Extended Range

Electric Vehicles under Power Loss Condition

【Abstract】In order to explore the actual on-road emission characteristics of extended-range electric vehicles in the state of power loss，this paper uses AVL M.O.V.E portable on-vehicle emission test system to carry out the actual on-road emission test on an extended-range electric vehicle under the state of power loss，and compares the emission performance of different vehicle modes. The test results show that： in all modes，the pollutant emission results of the vehicle are lower than the national Ⅵ emission limit. Among them，CO and PN emission factors have strong positive correlation with CO2 emission. The NOx emission factor has a strong positive correlation with the start-stop frequency and starting power of the range extender in suburban and high-speed areas. Due to the frequent start and stop of the range extender during the test process，PN，CO and NOx emission peaks are prone to occur under the starting，cooling（water temperature below 70℃）and heat engine starting conditions，and NOx and PN emission peaks will also occur at the moment of rapid acceleration，which should be paid attention to in emission control.

【Key words】actual road emission;vehicle mode;extended-range electric vehicles

隨著中國汽車保有量的顯著增長，全國機動車保有量突破4億輛，汽車在為人們提供便利的同時，也帶來了巨大的環(huán)境污染。不斷加嚴排放法規(guī)和使用清潔能源是減少汽車污染物排放的有效途徑[1-2]。歐7排放法規(guī)于2024年5月8日正式發(fā)布，國內下階段排放法規(guī)研究工作也隨之啟動。

國內下階段排放標準將基于當前污染物排放管控體系，引入溫室氣體排放控制要求，繼續(xù)加嚴排放限值[3]，并注重真實環(huán)境下實際道路排放的全面考察。將增強實際道路排放獨立性，弱化RDE試驗和Ⅰ型試驗的聯(lián)系，在算法上放棄移動平均窗口法和OVC-HEV算法[4]，改用全程平均的方法，可以更直接、簡單地反映RDE試驗排放結果。對于混動車型，預估將放開“在電量保持狀態(tài)開始進行試驗”的要求，在所有電量狀態(tài)及車輛模式組合下，實際道路排放均需滿足排放限值。在虧電狀態(tài)下，增程式電動汽車動力性能降低，燃油經(jīng)濟性降低，實際道路排放性能變差。本文選擇一輛增程式電動汽車，在虧電狀態(tài)下，采用不同車輛模式開展實際道路排放試驗。路線、試驗條件、行程動力學等測試條件遵循國Ⅵ排放法規(guī)，分別采用OVC-HEV算法和算數(shù)平均法計算排放結果，研究虧電狀態(tài)下不同車輛模式的實際道路排放特性，對國內下階段RDE試驗標準制定有參考意義。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

本次試驗選取一臺符合國Ⅵ法規(guī)要求的增程式電動汽車，在虧電狀態(tài)下，用3個常用車輛模式開展實際道路排放測試。試驗車輛主要技術參數(shù)見表1，試驗車輛模式見表2。

1.2 試驗設備

采用奧地利AVL李斯特公司生產(chǎn)的AVL M.O.V.E系列PEMS（Portable Emission Measurement System）設備開展實際道路排放測試，AVL M.O.V.E系列車載排放系統(tǒng)如圖1所示。設備由氣體分析模塊AVL492、顆粒物計數(shù)模塊AVL496、流量測量模塊AVL495、主控電腦、GPS定位系統(tǒng)、氣象站和移動電源組成。AVL492測量排氣中各種污染物的濃度，其中CO和CO2濃度采用不分光紅外線法測量，NOx濃度采用非分散紫外線分析儀測量，AVL496測量尾氣中排氣污染物顆粒物數(shù)量。流量測量模塊AVL495安裝在尾氣管道中測量尾氣流量，全球定位系統(tǒng)GPS安裝在車頂用于測量車速和海拔，氣象站安裝在車頂上測量試驗環(huán)境溫度、濕度、大氣壓。同時，使用獨立的移動電源為PEMS設備供電。

1.3 試驗路線

試驗在重慶市區(qū)內開展，海拔高度250～350m，路線滿足國Ⅵ排放法規(guī)要求，其中市區(qū)路段、市郊路段和高速路段里程占總行程的比例分別為36%、33%和31%，按照市區(qū)→市郊→高速的順序連續(xù)進行。市區(qū)、市郊、高速路里程均高于16km，整個試驗時長90～100min，試驗起止點海拔差<20m，且累計正海拔高度增量為640m/100km。測試路線選擇在重慶市沙坪壩區(qū)和繞城高速進行。其中，市區(qū)路線為：沙坪壩振華路—曾家大道—金鳳—大學城南二路—大學城東路—大學城北路—科學城大道。市郊路線為：科學城大道—重慶外環(huán)歇馬收費站—重慶外環(huán)鳳凰段。高速路線為：重慶外環(huán)鳳凰段-金鳳收費站。

1.4 其他試驗條件

市區(qū)行駛車速在60km/h以下，平均車速5～40km/h之間，市區(qū)停車時長占市區(qū)總時長6%～30%;市郊行駛車速在60～90km/h之間;高速路段行駛車速大于90km/h，最高車速大于110km/h，其中車速100km/h以上時長大于5min。

為了保證每次試驗邊界條件一致性，在每次試驗前至少熱車30min，熱車后在23℃環(huán)境下浸車至少12h，試驗時環(huán)境溫度相近。每次試驗駕駛人員相同，控制駕駛激進度及車速，盡量降低3次試驗之間激進度及平均車速差異。

2 結果分析

2.1 CO2窗口完整性與正常性判斷

CO2窗口完整性判定結果如圖2所示。在3個車輛模式下，CO2窗口在市區(qū)、市郊、高速工況百分占比均高于15%。

試驗前后電池電量變化見表3。在強制純電模式下，SOC基本維持不變，另外2個模式增程器持續(xù)給電池包充電，增程器持續(xù)運行對市區(qū)段CO2窗口正常性校驗影響很大，見圖3。燃油優(yōu)先模式市區(qū)行程正常性校驗結果為50.3%，處于臨界值。強制啟動模式市區(qū)行程正常性校驗結果為4.8%，判定沒通過，見圖4。

2.2 行程動力學參數(shù)校驗

圖5、圖6是本次試驗的va_pos95和RPA結果，所有試驗行程動力學參數(shù)均符合法規(guī)要求。楊長志、杜寶程、李岳兵等[5]在行程動力學參數(shù)與污染物排放特性的相關性研究中指出：CO、PN、NOx排放因子與行程動力學參數(shù)RPA和va_pos95有較強的相關性。本次試驗主要研究虧電狀態(tài)增程式電動汽車排放特性，在行駛過程中盡量控制駕駛激進度，每次試驗駕駛激進度適中，每個模式之間激進度差異較小。

2.3 排放數(shù)據(jù)分析

2.3.1 排放結果計算

用OVC-HEV算法和算數(shù)平均法分別計算排放因子，具體結果見表4。不同模式下各污染物OVC-HEV算法和算數(shù)平均法排放因子對比如圖7所示。OVC-HEV車型與傳統(tǒng)燃油車實際道路排放計算方法不同，傳統(tǒng)燃油車采用移動平均窗口法計算，OVC-HEV車型根據(jù)實際道路排放各氣體污染物根據(jù)累計值Mt和CS試驗CO2比排放計算最終的RDE排放結果Mu。計算公式如下：

如表4所示，CO、PN排放因子與車輛發(fā)電量（CO2排放量）有較強的正相關性，在燃油優(yōu)先模式下，NOx排量大幅增加，分析發(fā)現(xiàn)：燃油優(yōu)先模式在市郊和高速段增程器啟動頻繁，造成NOx排量的增加。

表4及圖7可以看出，OVC-HEV計算法相比算術平均法得出的排放因子明顯偏高。OVC-HEV計算方法將RDE試驗與Ⅰ型排放試驗結果相結合，強化了兩者聯(lián)系，從結果可以看出，Ⅰ型排放試驗CO2排放量對RDE排放試驗結果計算影響較大[6]。

用算術平均法得出的排放因子計算符合性因子，如表5和圖8所示，所有車輛模式排放結果均遠低于國Ⅵ排放限值。

2.3.2 影響因素分析

1）強制啟動模式污染物秒采如圖9所示，可以看出實際行駛污染物排放產(chǎn)生規(guī)律。OVC-HEV車輛RDE試驗算法中包含了冷起動過程排放。在冷啟動階段，CO、PN、NOx均出現(xiàn)最大峰值，在冷機階段（增程器水溫小于70℃）污染物排放濃度較高，從圖10可以看出冷啟動和冷機階段對排放結果影響非常大，占總行程污染物排放量14%～67%，并與增程器發(fā)電功率（CO2排放量）有較強的正相關性。

2）由于增程式電動車特性，增程器勢必頻繁起停，因此，冷機的起動、冷機（水溫低于70℃）及熱機起動等工況時易出現(xiàn)PN、CO、NOx排放峰值，在排放控制中應予以重點關注。增程式電動汽車在行駛過程中增程器轉速較傳統(tǒng)汽車更加穩(wěn)定，功率輸出穩(wěn)定，相對于傳統(tǒng)車型，增程式電動汽車發(fā)電功率對車速變化不敏感，但負荷突然猛增的瞬間也會出現(xiàn)CO和PN排放峰值，在排放控制中應予以重點關注[6]。

3）NOx主要產(chǎn)生于增程器冷啟動及中高速熱機啟動工況，相較于強制啟動及強制純電，燃油優(yōu)先在中、高速出現(xiàn)頻繁的熱機啟動，導致燃油優(yōu)先模式下NOx排放因子是另外2個模式的3～4倍。

3 結論

1）算術平均法相比OVC-HE算法得出的排放因子明顯偏高，所有車輛模式排放結果均低于國Ⅵ標準限值。

2）CO2窗口正常性判定采用電量保持模式下Ⅰ型排放試驗CO2排放值作為判定依據(jù)。不能電量保持的車輛模式下，RDE試驗CO2窗口正常性判定可能無法通過。

3）虧電狀態(tài)下，不同車輛模式增程器發(fā)電策略各不相同，發(fā)電量及發(fā)電功率差異較大，CO、PN排放因子與CO2排放量有較強的正相關性;NOx排放量與增程器啟停頻率及啟動功率有較強的正相關性。

4）試驗過程增程器不斷起停，因此冷機的起動、冷機階段（水溫低于70℃）及熱機起動等工況時易出現(xiàn)PN、CO、NOx排放峰值，急加速的瞬間出現(xiàn)NOx和PN排放峰值，在排放控制中應予以重點關注。

參考文獻：

[1] 國家統(tǒng)計局. 中國統(tǒng)計年鑒2023[M]. 北京：中國統(tǒng)計出版社，2023.

[2] 生態(tài)環(huán)境部. 中國移動源環(huán)境管理年報（2023年）[M].北京：環(huán)境科學出版社，2023.

[3] 黃維斐. 國七和歐Ⅶ法規(guī)中RDE試驗內容制定進展研究[J]. 汽車與駕駛維修，2024（2）：13-16.

[4] GB 18352.6—2016，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

[5] 楊長志，杜寶程，李岳兵，等. 行程動力學參數(shù)與污染物排放特性的相關性分析[J]. 重慶大學學報，2021，44（7）：14-25.

[6] 禹文林，葛蘊珊，王欣，等. 混合動力汽車實際道路行駛排放特性研究[J]. 汽車工程，2018，40（10）：1139-1145.