插電式混合動力電動汽車能耗特征研究*

杜建波，牛向春，李 洧，李孟良，彭文明，方茂東

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300162;2.武漢理工大學汽車工程學院，武漢 430070)

前言

面向未來的電能社會，汽車廠家正在積極改進混合動力技術。插電式混合動力電動汽車(PHEV)近年來發展迅速，被認為是以電能替代石油燃料極具前景的解決方案。與傳統混合動力電動汽車(HEV)相比，PHEV的特點是在電池容量提高的同時，還增加了從家用電源到車輛充電的裝置。因此，PHEV能更好地利用電能并顯著降低石油燃料消耗［1］。能耗(燃料及電量消耗量)是評價PHEV性能的一個核心指標，由于PHEV具有不同的行駛模式，因此其能耗特征與傳統汽車具有顯著差異［2］。本文中從法規試驗和道路試驗兩方面研究PHEV的能耗特征，并針對法規試驗提出了能反映PHEV實際使用的燃料消耗量曲線獲取方法。

1 PHEV能耗的法規測試方法

1.1 PHEV的工作模式

對于PHEV，其典型的工作模式包括電量維持(charge-sustaining，CS)模式和電量消耗(charge-de-pleting，CD)模式。電量維持模式指PHEV運行時只消耗燃料，同時保持儲能裝置的荷電狀態(SOC)在一定水平;電量消耗模式指PHEV運行時只消耗外接充電的電能，或者在消耗電能時還會輔助消耗燃料，直到進入電量維持模式。

PHEV在充滿電后使用時，一般先以電量消耗模式(CD)運行，此時SOC不斷降低;當SOC降到允許的下限時，PHEV進入電量維持模式(CS)運行，此時SOC基本保持平衡。

1.2 美國PHEV能耗測試標準(SAE J1711—2010)

PHEV的能耗測試應能體現其基本的工作模式，對于PHEV主要有兩種測試模式:一種是從電量維持(CS)模式開始測量，稱為電量維持試驗(CST);另一種是從充滿電后的電量消耗(CD)模式開始測量，稱為充滿電后試驗(FCT)。FCT從PHEV的最高SOC開始試驗，連續重復進行一定數目的測試循環，直到SOC達到規定的水平［3］。

CST和FCT是PHEV的兩種典型測試模式，為了更好地反映實際能耗，須采用利用系數(UF)將兩種模式的測量結果進行加權。UF為用戶日行駛里程不超過某一數值的統計概率。SAE J1711—2010不僅引入了UF，還對FCT的每一個測試循環的能耗，均采用UF進行加權，以使法規試驗的結果能更接近實際能耗。

目前，SAE J1711—2010默認的是用戶每天充電1次，主要考慮的是“每天多次充電”的概率與“每天沒有充電”的概率基本相當。未來，該標準還將對用戶的充電習慣進行調查并獲取更多的數據，研究加權計算的可能性。

1.3 歐盟PHEV能耗測試法規(ECE R101)

歐盟對PHEV的能耗測試分為最高SOC(條件A)和最低SOC(條件 B)兩種試驗模式［4］。條件 B只測量1個循環，類似美國的CST。條件A有兩種測量方法，第1種只測量1個循環;第2種連續重復測量一定數量的循環，直到儲能裝置達到最低SOC，在制造廠的要求下，可以增加試驗循環，并將增加循環的試驗結果納入到能耗計算，第2種試驗方法類似美國的FCT。歐盟標準也對兩種狀態的測量結果進行加權計算。

2 法規試驗

2.1 試驗設計

我國的PHEV能耗測試標準基本采用歐盟ECE R101法規［5］。因此選擇1臺典型的PHEV按ECE R101的要求進行試驗。最高SOC試驗按照ECE R101法規進行3組試驗:第1種試驗方法(只測量1個NEDC循環，N=1)、第2種試驗方法(分別進行2個和3個測試循環，N=2，3)。最低SOC試驗按照ECE R101法規的要求進行1個測試循環。

2.2 最高SOC試驗

當PHEV在最高SOC下連續進行測試循環時，第3個測試循環的放電量已低于法規要求(測試循環的放電量小于電池額定儲存值的3%)。圖1的SOC示意圖顯示了隨著試驗的進行，SOC不斷降低，當SOC接近40%時達到電量維持模式，此時SOC在一個很小的范圍內變動。

圖中的瞬時燃料消耗率顯示，在前兩個測試循環，雖然PHEV在EV續駛里程范圍內，但當車速達到100km/h時，發動機仍然起動，這是由該PHEV的控制模式決定的(主要是為了保護電池)。因此在NEDC循環中，若PHEV在未達到最低SOC的情況下發動機起動，則無法準確測量NEDC工況下的EV續駛里程，ECE R101法規中最高SOC試驗的第1種方法也不適用。

2.3 最低SOC試驗

PHEV在最低SOC下的試驗，如圖2所示。由圖可見，在怠速和部分低速工況，PHEV以電能驅動，避免了發動機在市區低速工況下的頻繁起動，能有效地降低燃料消耗量和排放。

3 法規試驗能耗特征分析

根據試驗設計，在最高SOC下分別進行了1個、2個和3個測試循環試驗。考慮到從第4個循環開始，單個測試循環的試驗模式已經基本和最低SOC相同，因此，可以通過已有的試驗數據推算在最高SOC下進行多個測試循環的結果。

歐盟法規根據最高SOC試驗進行N個測試循環，與假定25km的最低SOC試驗進行加權計算［6］。如果不采用25km的假定，單從最高SOC開始連續進行N個測試循環來看，該試驗過程同時包含了美國SAE標準中的1個FCT測試循環和N－3個CST循環，其試驗結果相當于按照美國SAE的標準對FCT和n個CST(n=N－3)循環進行加權計算。

3.1 燃料消耗量與1次充電行駛里程的關系

不同數量的測試循環所得到的燃料消耗量見圖3。與傳統汽車不同，PHEV的燃料消耗量與測試循環的數目(即1次充電行駛里程)直接相關。PHEV充滿電后，能以EV模式行駛一定里程，此時燃料消耗量很低(N=1，2時)。隨著1次充電行駛里程的增加，燃料消耗量不斷增大，直到趨近于非插電式的普通HEV。

由于PHEV的EV續駛里程不便于在試驗時直接測得，根據PHEV燃料消耗量與1次充電行駛里程的關系，燃料消耗量曲線延長線與橫坐標的交點位于EV續駛里程附近。

3.2 PHEV燃料消耗量與電量消耗量的關系

將法規試驗的燃料消耗量和其對應的電量消耗量在圖上表示，兩者具有很好的線性關系，見圖4。只進行1個和2個測試循環的試驗結果也示于圖中，此時，PHEV大部分時間是在EV模式下行駛。將圖中的數據進行直線擬合，與坐標軸的交點即為純燃料消耗量(普通HEV模式)和純電量消耗量(EV模式)的數值。

4 道路試驗

4.1 試驗設計

組織PHEV車隊，根據單程通勤距離，選擇短途(0～15km)、中途(15～25km)和遠途(25km以上)的用戶在天津參與實驗駕駛。對于短途和中途用戶，出行路線主要集中在城區，對于遠途用戶，出行路線由城區和城郊道路組成。PHEV車隊行駛時間從2011年4月至2012年1月，基本覆蓋4個季節。

數據收集包括車載記錄儀和用戶手工記錄，根據手工記錄的加油量和充電量對車載記錄儀的數據進行修正。

4.2 標準行駛片段的選擇

為了得到燃料消耗量與1次充電行駛里程的對應關系，須對PHEV的行駛工況進行分類，并確定一個標準的行駛片段作為分析的基礎:即將PHEV充滿電后行駛，并直到下一次充電的區間規定為標準行駛片段，見圖5。

當PHEV充滿電時，若電池電量未用完即再充電，該片段也屬于標準行駛片段。此時，PHEV的燃料消耗量接近于0。該類型的行駛片段代表1次充電行駛里程在PHEV的EV續駛里程范圍之內的行駛模式。在實際使用過程中，還會出現PHEV未充滿電就再次使用的情況。這些行駛片段的燃料消耗量與充電程度和行駛距離相關，因此在分析燃料消耗量與1次充電行駛里程的對應關系時，未考慮這些非標準的行駛片段。

標準行駛片段代表了PHEV實際行駛中最普遍的行駛模式，每一個標準行駛片段的里程即為1次充電(充滿)行駛里程。

5 道路試驗能耗特征分析

5.1 燃料消耗量與1次充電行駛里程的關系

PHEV車隊近10個月實際行駛的燃料消耗量分布見圖6。道路試驗的燃料消耗量按春、秋、夏、冬依次增大，春、秋、夏三季較為接近，冬季燃料消耗量明顯增大。與法規試驗相比，各車的數據點離散程度較大，因為實際行駛時的環境溫度、道路工況和駕駛習慣相對試驗室均有不同程度的差異。而春、秋季的燃料消耗量趨勢，與圖3所示的法規試驗基本吻合。

環境溫度對PHEV燃料消耗量的影響主要體現在空調的使用上。統計PHEV車隊空調消耗的功率發現，在常溫(20℃左右)下，空調消耗功率很低，溫度高于30℃或者低于10℃時，空調消耗功率明顯增加。以天津為例，冬季氣溫低于10℃的天數明顯多于夏季氣溫超過30℃的天數，因PHEV在冬季燃料消耗量相對夏季明顯增加。

5.2 燃料消耗量與電量消耗量的關系

部分車輛春季和冬季的燃料消耗量與電量消耗量見圖7。春季和冬季數據分別沿帶狀分布，其中春季數據帶狀區域走勢與圖4所示的法規試驗數據較為接近，只是離散程度較大，這也反映了法規試驗與實際行駛的差異。冬季的燃料消耗量和電量消耗量普遍比春季高，離散程度更明顯。

在實際行駛過程中，PHEV如果經常充電，在EV狀態下行駛比例高，則燃料消耗量將顯著降低，同時電量消耗量增加;如果PHEV不經常充電，在低SOC行駛比例較多，則燃料消耗量增加，同時電量消耗量降低。

6 結論

(1)由于PHEV具有不同的行駛模式，因此其能耗特征較傳統車輛復雜。PHEV的燃料消耗量與1次充電行駛里程密切相關，當1次充電行駛里程小于EV續駛里程時，燃料消耗量接近0，電量消耗量為最大值;隨著1次充電行駛里程的增加，燃料消耗量逐漸與普通HEV相當，電量消耗量逐漸降低。此外，行駛工況、駕駛習慣和季節因素也是PHEV燃料消耗量的重要影響因素。法規試驗表明，PHEV燃料消耗量和電量消耗量具有較好的線性相關性。

(2)關于PHEV的能耗測試，我國標準采用的是歐盟法規，其中第2種試驗方法與第1種試驗方法相比，對能耗評價考慮的因素更多一些;而美國SAE標準還引入了利用系數的加權計算方法，其能耗評價更貼近用戶的實際使用情況。但無論哪種試驗方法，都是在規定的運轉循環下在底盤測功機上進行試驗，其測量結果與用戶實際使用均有一定的差異。

(3)目前我國標準和歐盟法規只是根據加權計算得到簡單的試驗結果，無法對PHEV的實際使用進行客觀分析。按法規試驗進行多個試驗循環并進行擴展，能得出接近常溫狀態下(如春、秋季)實際使用PHEV的燃料消耗量曲線和對應的電量消耗量。但對于空調使用較多的冬季和夏季，法規試驗還不能很好地反映實際情況。因此未來在標準中補充空調試驗是非常必要的。

(4)道路試驗能對PHEV實際使用的能耗進行客觀全面的分析，能更直接地反映其技術水平與技術優勢。PHEV道路能耗評價須考慮不同出行距離、充電習慣、駕駛習慣和季節因素對能耗的影響，試驗數據可用于評估不同情境模式下的PHEV整體能耗消減和社會環境效益。

［1］ Barnitt Robb A，Brooker Aaron D，Ramorth Laurie，et al．Analysis of Off-Board Powered Thermal Preconditioning in Electric Drive Vehicles［C］．The 25th World Battery，Hybrid and Fuel Cell E-lectric Vehicle Symposium ＆ Exhibition．China:Shenzhen，2010．

［2］ Gonder Jeff，Brooker Aaron D，Barney Carlson Richard，et al．Deriving In-Use PHEV Fuel Economy Predictions from Standardized Test Cycle Results［C］．The 5th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference．Dearborn:Michigan，2009．

［3］ Recommended Practice for Measuring the Exhaust Emissions and Fuel Economy of Hybrid-Electric Vehicles，Including Plug-in Hybrid Vehicles［S］．SAE J1711 －2010．

［4］ Uniform Provisions Concerning the Approval of Passenger Cars Powered by an Internal Combustion Engine Only，or Powered by a Hybrid Electric Power Train with Regard to the Measurement of the E-mission of Carbondioxide and Fuel Consumption and/or the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range，and of Categories M1and N1Vehicles Powered by an Electric Power Train Only with Regard to the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range［S］．ECE R-101 Rev．2 Amend．2，2009．

［5］ GB/T 19753—2005輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［S］．國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會，2005．

［6］ 秦孔建，陳海峰，方茂東，等．插電式混合動力電動汽車排放和能耗評價方法研究［C］．//2010中國汽車工程學會年會優秀論文集，北京:機械工業出版社，2010．