Plug-in混合動力電動汽車能耗綜合評價方法研究*

李孟良，彭文明，，顏伏伍，楊慧萍，徐月云

(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

與傳統混合動力電動汽車(HEV)相比，插電式混合動力電動汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)在儲能裝置(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。PHEV通過在電量消耗(charge-depleting，CD)模式下依靠電池電能行駛而大量替代燃油消耗，具有顯著的節能環保優勢［1］。道路能耗試驗就是為了印證這一點。

PHEV能耗包含燃油消耗和電能消耗兩部分。從法規層面對PHEV能耗進行評價，需要簡單有效。國內目前針對PHEV能耗的評價方法主要沿用歐洲方法［2］。該方法先在實驗室進行PHEV在CD模式和電量維持(charge-sustaining，CS)模式下的能耗試驗，然后采用平均充電行駛里程權重系數對試驗結果進行加權，以此來評價PHEV能耗［3］。本文中采用平均充電行駛里程權重系數方法和美國SAE的利用系數方法對實驗室能耗試驗結果進行綜合，將綜合結果與道路能耗試驗結果對比，探討更能反映PHEV道路實際能耗的綜合評價方法。

1 道路能耗試驗

PHEV能耗在不同地區和不同環境下使用時，能耗會有不同，為考察PHEV在我國使用的燃油經濟性，豐田汽車公司與中國汽車技術研究中心在天津開展了為期1年的PHEV道路實證試驗研究。

1.1 試驗方案

組建由14輛PHEV(Prius)構成的實證車隊，由不同通勤距離的用戶，包括短途(0～15km)、中途(15～25km)和遠途(25km以上)，作為日常出行使用，并定期進行輪換，而且根據需要在用戶的住宅或單位配置專用充電樁，用戶自由選擇對車輛進行充電。通過車載數據及用戶手工記錄考察PHEV在用戶日常出行方式下的能耗。車載數據記錄信息包括車速、環境溫度、發動機轉數、空調消耗電力、電池耗電量、燃油消耗量等。用戶手工記錄主要是充電量。

1.2 試驗結果

實證車隊運行在2011年4月～2012年1月，由車載數據和手工記錄有效統計的數據分析得到，車隊累計行駛里程為73 542km，充電1 880次。在平均每天約充1次電的情況下平均100km燃油消耗量和電能消耗量分別為2.63L和7.5kW·h。

根據電池殘余量容易區分PHEV運行模式，為0時即進入CS模式。從進行道路試驗的PHEV的車載數據分析得到車隊在CD和CS模式下的累計行駛里程及比例見表1。

表1 車隊行駛數據

PHEV的能耗與充電后行駛里程相關［4］。車隊的充電續駛里程分布見圖1，其中續駛里程在30km以內的約占總行駛里程的60%。

由于充電習慣、駕駛習慣等的差異，PHEV能耗也隨著變化［5］。圖 2為車輛月平均100km燃油消耗量的分布，不僅展示了PHEV燃油消耗量在大范圍內變化的現象，還展示了PHEV作為日常使用獲得低燃油消耗的潛能，可以低于2L。

2 實驗室能耗試驗

選擇1臺PHEV(Prius)在轉鼓試驗臺上參照歐洲法規ECE R101選項二進行試驗。測試系統除了轉鼓試驗臺、CVS和氣體分析儀系統等以外，還增加了電力計及其配套電流傳感器，用于計量車載電池的充放電量，見圖3。另外還配備了電功率計，用于計量車輛從電網獲取的電能。

條件A試驗:在充滿電的狀態下重復進行測試循環(NEDC)，并且在每個循環測試放電量和燃油消耗量，試驗結果見表2。

表2 條件A試驗結果

在進行兩個測試循環后，電池在第3個循環的放電量(0.379 8A·h)小于額定存儲值(15A·h)的3%(0.45A·h)，認為已達到電池的最低荷電狀態，測試結束。則OVC續駛里程為兩個循環的總行駛里程，即DOVC=22km，也即在CD模式下能夠行使的距離。CD模式下的100km燃油消耗量c1=0.59L。然后對電池進行充電直到滿足車輛制造廠規定的充滿截止條件，測量并記錄從電網獲得的電能e1=3.143 6kW·h，即為條件A下車輛的電能消耗，轉換成100km電耗為E1=14.29kW·h。

條件B試驗:按照制造廠建議，以70km/h的穩定車速對車輛電池進行放電，直到發動機起動并迅速停機，認為達到測試的初始條件。進行1個測試循環，測得100km燃油消耗量c2=4.05L，即CS模式下的燃油消耗量。然后將電池充滿電，測量并記錄從電網獲得的電能e2=3.158 4kW·h。然后按照之前的方法對電池進行放電，即恢復到測試之前的SOC狀態，再將電池充滿電，獲得的電能e3=3.254 1kW·h，則條件B下車輛的電能消耗為e4=e2－e3=－0.095 7kW·h，轉換成100km電耗為E4=－0.44kW·h，即CS模式下的電能消耗量。

3 實驗室綜合能耗與道路實際能耗對比

3.1 綜合權重系數

參照SAE J2841中利用系數的獲得方法，即式(1)，可以得到一條類似的利用系數曲線，見圖5中10 城市 UF［6］。

式中d(k)為第k個數據樣本［7］。

將距離D對應的UF作為CD模式權重用于預測PHEV實際運行在CD模式下行駛里程比例，則其中隱含開始使用前PHEV處于滿電狀態而且中途不再進行充電的假設。由車隊充電行使里程分布(圖1)替代日均行使里程分布，則可得到車隊利用系數曲線(見圖5中車隊UF)［5］。這個系數由車隊使用情況而來，更能反映實際CD模式利用情況。

由圖5可見，車隊UF和10城市UF在整個區間內都比較接近，一方面與實證用戶的選擇范圍較廣有關，日均行駛里程分布與調查結果接近;另一方面10城市UF關于充電頻率的假設與用戶實際的充電頻率相符。但是利用系數曲線與平均充電行駛里程權重系數曲線相比，只有在短距離內接近，超過40km以后偏離越來越遠。

而與美國UF相比，相同距離D對應的各權重系數普遍要高，說明在我國推廣PHEV，能更充分利用CD模式，這與美國民眾平均出行里程比我國長有關。

3.2 綜合結果

由圖5中車隊UF、10城市UF和平均充電行駛里程權重系數曲線插值得D為22km時CD模式權重系數分別為46%、44%、47%。由車隊UF插值得到的CD模式權重系數46%，與道路實證試驗中CD模式下行駛里程比例45%很接近。

運用由不同方法得到的權重系數分別對實驗室CD模式和CS模式下能耗進行加權，結果見圖6。

運用不同權重系數進行加權后的綜合結果之間的偏差都在5%以內，這與加權時所采用的權重系數比較接近有關。當在CD模式下所能行駛的距離增加(超過40km)，由于加權時所采用的系數有比較大的差異(結合圖5)，綜合結果也會因此有比較大的差異。

運用車隊UF、10城市UF和平均充電行使里程權重系數分別進行加權后的燃油消耗量結果比車隊實際燃油消耗量分別低約7%、4%、8%，電能消耗量結果比車隊實際電能消耗量分別低約15%、18%、14%。燃油消耗量的偏差降低，電能消耗量的偏差就會增加，兩個偏差不可能都很小，至少有一個會超過10%。

從上面的結果可以看到，實驗室綜合能耗(包括燃油消耗量和電能消耗量)和道路試驗能耗存在一定的差異。經分析，這種差異主要源于兩個方面:一方面是由于實際行駛時的道路工況、附件(如空調)的使用和環境氣候等相對實驗室存在一定的差異;另一方面是實驗室能耗綜合時采用的權重系數與實際利用系數也存在差異。為了使實驗室試驗更準確地反映道路實際能耗，除了對綜合時的權重系數進行調整外，還須對實驗室的試驗條件進行適當的調整或補充，如補充空調試驗或者調整試驗工況等。

4 結論

PHEV通過在CD模式下依靠電池電能行駛而替代燃料消耗，其節能環保優勢通過道路能耗試驗得以驗證，在平均100km電能消耗量為7.5kW·h的情況下，平均100km燃油消耗量僅為2.63L，在適當多充電的情況下還可更低。

在實驗室進行PHEV在CD和CS模式下的能耗試驗，采用利用系數方法和平均充電行駛里程權重系數方法對實驗室能耗試驗結果進行加權，將綜合結果與道路能耗試驗結果對比，得到以下結論。

(1)車隊利用系數由車隊使用情況而來，最能反映PHEV實際CD模式利用情況。運用日均行駛里程分布得到的利用系數與車隊利用系數比較接近，能預測實際應用中CD模式利用情況;

(2)平均充電行駛里程權重系數與利用系數在短距離內比較接近，綜合后的結果也比較接近，偏差在5%以內;隨著車輛在CD模式下能夠行駛的距離增加(超過40km)，由于綜合時的權重系數差異增加，綜合結果之間的差異也因此增加;

(3)盡管利用系數或平均充電行駛里程權重系數(在短距離內)能預測實際應用中CD模式利用情況，但應用不同權重系數對實驗室能耗綜合后的結果與道路實際能耗都存在超過10%的差異。

為了使實驗室試驗更準確地反映道路實際能耗，除了對綜合時的權重系數進行調整外，還須對實驗室的試驗條件進行適當的調整或補充，如補充空調試驗或者調整試驗的工況等。

［1］ 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．

［2］ 國際質量監督檢驗檢疫總局．GB/T 19753—2005輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［S］．北京:中國標準出版社，2005．

［3］ 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 Emission of Carbon Dioxide and Fuel Consumption and/or the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range，and of Categories M1 and N1 Vehicles 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．

［4］ John Smart．Report on the Field Performance of A123Systems’HymotionTMPlug-In Conversion Module for the Toyota Prius［C］．SAE Paper 2009－01－1331．

［5］ Gonder J，Brooker A．Deriving In-Use PHEV Fuel Economy Predictions from Standardized Test Cycle Results:Preprint［C/OL］//The 5th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，Dearborn，Michigan，September 7 － 11，2009．http://www．nrel．gov/docs/fy09osti/46251．pdf．

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

［7］ Bradley Thomas H，Morgan Davis B．Alternative Plug in Hybrid E-lectric Vehicle Utility Factor［C］．SAE Paper 2011－01－0864．