中美PHEV能耗評價方法對比研究*

侯 聰，王賀武，歐陽明高

(1.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084;2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023)

前言

插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)因同時具有純電動汽車(battery electric vehicle，BEV)和混合動力汽車(hybrid electric vehicle，HEV)的優點而受到廣泛關注［1］。各主要汽車公司相繼推出了PHEV產品:通用推出了沃藍達［2］;福特推出了 C-MAX［3］;豐田則推出了普銳斯［4］。隨著PHEV越來越受到關注，PHEV燃油經濟性的評價也成為了爭論的焦點［5］。在美國，很多PHEV制造商紛紛稱自己生產的PHEV燃油經濟性能夠達到每加侖100英里甚至150英里。但其真實性需要一套科學的方法來評價。

PHEV對能源的消耗和傳統汽車相比有兩個特點:(1)PHEV可使用電能和燃油兩種能源;(2)PHEV的運行分為電量消耗(charge depletion，CD)和電量維持(charge sustaining，CS)兩個階段。因為以上兩個特點，PHEV的平均能耗隨出行特征(包括行駛工況、出行里程等)的變化而變化［1］。

科學地評價PHEV能耗具有重要意義。對于國家而言，有助于準確地評估推廣PHEV帶來的節能減排效果;對于汽車企業而言，有助于協助企業制定新能源汽車技術路線;對于用戶而言，有助于支持用戶的購車決策。

本文中分別從評價體系、車輛測試、指標計算等方面對比研究中美兩國對于PHEV能耗的評價方法，指出了我國現有PHEV能耗評價方法的不足。

1 能耗評價體系

1.1 美國PHEV能耗評價體系

美國現有的PHEV能耗評價體系是以環保署(EPA)和交通部(DOT)聯合推出的燃油經濟性與環保標簽為窗口，聯邦法規(code of federal regulations，CFR)為直接支撐，技術標準(SAE Standards)為間接支撐的綜合體系，如圖1所示。

新標簽由EPA和DOT在2012年聯合發布，在2013年正式實施［6］。新的標簽一共有10種，適用于包括“下一代汽車”在內的10種不同動力系統汽車的能耗與環保評價。其中有兩種標簽分別針對串聯式PHEV(在CD階段只使用電能，發動機完全不參與)和混合式PHEV(在CD階段發動機在必要的時候會輔助驅動)。

以混合式PHEV為例，燃油經濟性與環保標簽顯示的內容可以分為4個主要區域:燃油經濟性區域、續駛里程區域、能源費用區域(年均能源費用和5年節省費用)和排放評分區域，如圖2所示。

燃油經濟性區域位于標簽的左上方，顯示了PHEV對燃油和電能的消耗率。由于PHEV的運行分為CD和CS階段，所以燃油經濟性也分為兩個框顯示，左右框分別對應上述兩個階段的結果。在CD階段，燃油經濟性分別以等效燃油經濟性、油耗和電耗的形式給出。在CS階段，因為電能沒有凈消耗，所以該階段的燃油經濟性僅用油耗表示。由于PHEV具有外接充電功能，所以在燃油經濟性區域的左上角還顯示了利用240V電源充電的時間，圖中所示為4h。

續駛里程區域位于燃油經濟性區域的正下方，分別對應于CD階段和CS階段的燃油經濟性顯示框。續駛里程區域顯示的是CD階段的里程和PHEV的總續駛里程。

燃油費用區域包括兩部分，分別位于標簽的右上方和左下方。左下方的年均能源開支是按照每年行駛15 000英里，油價為每加侖3.7美元，電價為每度電0.12美元的情況計算的結果。右上方顯示的是5年內使用該PHEV能夠節省的能源開支(與該年度平均的新車相比)。因PHEV節省的開支是消費者決定購買PHEV的最關鍵因素之一，故在該標簽上專門列出該數值以供消費者做出購車決策。

排放評分區域位于標簽的右下方，是以10分制的方式評級給出，10分代表最好。兩個評分分別對應于溫室氣體排放和有害氣體、顆粒物的排放。標簽上所標注的排放均只考慮能源在車輛上的使用排放，而不考慮能源上游生產和運輸的排放。

串聯式與混合式PHEV的區別主要體現在車輛的CD階段:串聯式PHEV在CD階段只有電能消耗，所以其燃油經濟性區域只顯示電能的消耗和這部分電能消耗的等效燃油經濟性。而在續駛里程區域，串聯式PHEV標注的為純電續駛里程(all electric range，AER)，而不是混合式對應的CD里程。

通過該標簽所展示的數據，基本能完成對一輛PHEV較為系統的評價。但是，該標簽僅僅是一個窗口，在其背后有一個龐大的體系對其進行支撐。

對該標簽進行直接支撐的是美國聯邦法規40 CFR 600(車輛的燃油經濟性與溫室氣體排放)。標簽里的每一個數值的確定方法都由該法規規定。同時，該法規還大量地引用了40 CFR 86(高速公路車輛、發動機排放控制)的內容。

對該標簽進行間接支撐的是美國汽車工程師學會SAE制定的技術標準SAE J1711和SAE J2841。前者是混合動力(包括PHEV)的能耗和排放測試標準，后者是描述美國乘用車出行特征的標準。

1.2 我國PHEV能耗評價體系

我國也發布了一系列與電動汽車、混合動力汽車相關的標準與文件，其中與PHEV能耗評價最相關的標準和文件分別是國家推薦標準GB/T 19753輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［8］和十城千輛示范工程的補貼文件。但與美國相比，我國目前還沒有建立起完整的PHEV能耗評價體系。

在GB/T 19753中，主要參考了歐洲ECE R101法規［9］，對 PHEV的描述為可外接充電車輛(offboard chargeable vehicle，OCV)，對其評價指標分別為在市區工況、市郊工況、綜合工況下的100km燃油消耗量(L/100km)和電能消耗量(kW·h/100km)。這與美國的評價方法有兩點不同:(1)美國在PHEV能耗標簽中，沒有給出分工況能耗，而是給出了CD階段和CS階段的能耗;(2)美國給出了綜合油耗與電耗的等效油耗，而我國是將油耗電耗分別給出。

在十城千輛示范工程的補貼文件中，對于公共服務領域的PHEV和私人購買PHEV的補貼評價標準有所不同。針對公共服務領域的 PHEV，財建［2009］6號文規定依據PHEV的節油率和最大電功率比來進行補貼。針對私人購買的 PHEV，財建［2010］227號文規定依據PHEV所裝配的電池容量來進行補貼，“對滿足支持條件的新能源汽車，按3000元/(kW·h)給予補助。插電式混合動力乘用車最高補助5萬元/輛”。

為配合補貼政策的落實，由中機車輛技術服務中心以中機函［2009］21號文件的形式，發布了《節能與新能源汽車節油率與最大電功率比檢驗大綱》(簡稱“大綱”)。大綱規定按照GB/T 19753測得的油耗與其同級別的傳統車的油耗來計算PHEV的節油率。最大電功率比則根據不同的動力系統構型有不同的計算方法，但由于PHEV具有純電驅動功能，因此其最大電功率比統一計為100%。

對比中美現有的評價指標和體系，不難發現，在我國現有的評價指標中，并沒有針對PHEV的兩個特點(多能源，多階段)而進行專門的研究，現有的指標和體系大多是沿用之前對傳統汽車或傳統混合動力汽車的評價思路。

1.3 PHEV能耗評價方法框架

中美現有的PHEV能耗評價方法雖然存在很大的差別，但是評價方法的框架都很類似。對PHEV的評價首先是對車輛按照一定的標準進行測試，獲得測試數據;然后，再根據測試數據計算能耗評價的指標;最后，通過這一系列的數據組成標簽或報告來評價車輛的能耗。

在車輛測試階段，中美的評價方法主要差別在于:測試工況的選定、PHEV兩階段的判定、續駛里程的測試標準、燃油消耗的測試標準和電能消耗的測試標準，如圖3所示。

在指標計算階段，須解決不同車輛行駛模式的權衡問題、兩階段能耗的權衡問題、多工況測試結果間的權衡問題和PHEV油耗與電耗的權衡問題。中美PHEV能耗評價方法在上述幾個需要權衡的方面也存在著不同。本文中將按照評價方法的框架，分別從車輛測試和指標計算兩方面詳細對比中美PHEV的能耗評價方法。

2 車輛測試方法

2.1 測試工況

中美兩國在PHEV測試時，選用的工況不同:美國使用的是由EPA發布的5個工況，分別為典型市區工況UDDS、典型高速工況HFEDS、激烈駕駛工況US06、高溫運行工況 SC03和低溫運行工況 Cold UDDS［10］;我國使用的是由 GB 18352.2 規定的 I型試驗運轉循環［11］(完全參考歐洲的NEDC循環，包括1部和2部，分別對應于市區工況和市郊工況)，如圖4所示。各工況的特征參數［12］見表1。

美國使用的是瞬態工況，城市工況的最高車速為91.29km/h，高速工況的最高車速為95.84km/h。美國城區工況的最大加速度和最大減速度分別為1.476m/s2和－1.476m/s2，高速工況的最大加速度和最大減速度分別為1.422m/s2和－1.476m/s2。狀態變換次數是指車輛加減速狀態切換的次數。美國城市工況與高速工況的平均變換次數(每10s)分別為1.58次與1.87次。此外，美國的測試循環中還考慮了常見的激烈駕駛工況US06。該工況的最高車速為128.5km/h，最大加、減速度為 3.733m/s2和－3.067m/s2，平均狀態變換次數為3.29次。

我國使用的是穩態工況，城市工況的最高車速僅為50km/h，市郊工況的最高車速為120km/h。我國城區工況的最大加速度和最大減速度分別為1.056m/s2和－0.833m/s2，市郊工況的最大加速度和最大減速度分別為0.833m/s2和－1.389m/s2。我國城市工況與市郊工況的平均變換次數(每10s)分別為0.71次和0.45次。

由此可以看出，我國測試所選取的工況比美國所選工況要“柔和”很多，而且我國還未考慮激烈駕駛、高低環境溫度等一些對能耗有較大影響的工況。

因此，由于測試循環上的差異，相同的車在美國的測評體系下測得的能耗值將會比在我國的測評體系下測得的能耗值略高一些。而這些原因使根據美國工況測得的值更加貼近車輛真實的燃油消耗。

2.2 兩階段判定

中美在測試PHEV時都分為了CD階段和CS階段的測試，但兩國對于CD階段測試的起始條件和CS階段測試的有效性判定依據不同。

美國將測試分為滿電測試(full charge test，FCT)和電量維持測試(charge sustaining test，CST)，分別對應于PHEV的CD階段和CS階段。

對于滿電測試:規定車輛充電指示燈顯示滿電則認為車輛已處于滿電狀態。從車輛滿電狀態開始進行測試，直至達到FCT結束條件。美國的SAE J1711規定，在FCT中，若在測試中某一循環的始末狀態相比，電能儲存裝置的電能凈消耗(net energy change，NEC)不高于燃油消耗能量的1%，則可結束FCT。對于使用電池作為儲能裝置的PHEV，也可以使用等效的測試結束條件，即測試中的某一循環的始末狀態相比，電池的SOC變化在2%以內。在結束條件判定循環前的循環被作為是FCT循環，如圖5所示。

對于電量維持測試:為確保PHEV的電量真正處于維持階段，美國SAE J1711規定，任意測試循環的始末電能凈改變量不能超過該循環所消耗燃油能量的1%。考慮到不同車輛的電量維持策略不同，該區域可以擴大至5%，但若大于1%，須對燃油消耗按照特定方法進行修正，如圖6所示。

我國將PHEV能耗測試分為條件A和條件B，分別對應于PHEV的CD階段和CS階段。條件A定義為儲能裝置處于充電終止的最高荷電狀態;條件B定義為儲能裝置處于運行放電結束的最低荷電狀態。對于條件A測試，僅進行一個I型試驗運轉循環即可，不用運行整個CD階段。對于條件B測試，GB/T 19753規定了車輛放電終止條件以確定條件B測試的開始狀態。放電終止條件為或穩定在50km/h，直到發動機起動;或按照廠家的建議。車輛必須達到放電終止條件后，才可進行條件B測試。我國的標準允許PHEV在CS階段仍有電能的消耗。

綜上所述，從CD階段的測試來看，由于我國的測試只測一個循環，而美國要測試整個CD階段，所以如果在CD階段PHEV的電能消耗非線性，那么按照我國的測試方法進行測量，將無法準確測得PHEV在CD階段真實電能消耗。從CS階段的測試來看，我國允許有電能的消耗，而美國不允許電能的消耗(為了具有可操作性，給了一定的SOC公差范圍)，所以利用我國的測試標準，無法確保車輛真正地處于電量維持階段，也沒能體現出PHEV電量維持的本質。

2.3 續駛里程測試

在中美PHEV能耗評價方法中，都有針對續駛里程的測試，美國對于續駛里程的定義包括電量消耗循環里程(range of charge depleting cycle，Rcdc)、電量消耗實際里程(range of charge depleting actual，Rcda)和純電續駛里程AER。而我國對PHEV的續駛里程僅有純電續駛里程AER一個指標。

在美國的評價方法中，電量消耗循環里程Rcdc指的就是在FCT結束條件判定循環(圖5)之前的FCT循環里程。電量消耗實際里程Rcda是指，若在n個FCT循環中，電量一直單調下降，那么Rcda是(如圖7(a)所示)第n－1個FCT循環的SOC斜線的延長線與FCT結束時SOC水平線的交點所對應的里程;若在FCT循環中，電量非單調下降，那么Rcda為FCT結束時SOC水平線與FCT過程中SOC曲線的交點所對應的里程，如圖7(b)所示。純電續駛里程AER是指在FCT測試中，發動機第1次起動時車輛所行駛過的里程。

在我國的評價方法中，只有純電續駛里程AER一項測試指標。它是通過車輛由滿充的狀態開始，運行NEDC工況，直到車輛滿足GB/T 19753規定的放電終止條件時車輛所行駛過的里程。

對比中美PHEV續駛里程的測試方法:最大的區別在于美國擁有電量消耗實際里程這一指標Rcda，而我國僅有純電續駛里程AER這一指標。如果車輛在CD階段都是采用純電動的驅動方式，那么兩者的結果將一致;但是如果車輛在CD階段采用的是混合驅動方式，如圖8所示，那么兩者的結果將會完全不同。對于在CD階段采用混合驅動方式的PHEV來說，AER這一指標沒有實際意義，因此，僅使用AER作為PHEV續駛里程的評價指標顯得不夠客觀、全面。

2.4 燃油消耗測試

中美在測試PHEV燃油消耗量時，均使用的是碳平衡法——根據排放的碳氫(HC)，一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)計算對應區間燃油的消耗。

但是，兩者在計算CS階段的油耗時有所不同。我國的評價方法從原理上允許PHEV在CS階段的電能凈消耗，因此，在CS階段的能耗由電耗與油耗兩部分組成;但美國的評價方法認為:在CS階段電能沒有凈消耗，電能的波動實際都是通過燃油的消耗來平衡的，因此在CS階段的能耗中，只有油耗一項指標。

在美國的評價方法中，PHEV在CS階段的燃油消耗量是由實際測得的燃油消耗量與電能變化量修正得到的。SAE J1711提供了兩種修正PHEV在CS階段油耗的方法:斜率修正法和回歸修正法。

斜率修正法用于待測車輛在CS階段的測量數據已經存在的情況。此時，若車輛經測試獲得一個新的點，如圖9中的三角形所示，那么此時可以利用已有的數據(圓點)擬合直線的斜率，直接將本次測試的數據點按照擬合得到的斜率移動至電能凈消耗等于零所對應的燃油消耗點，如圖中五角星所示。

回歸修正法用于待測車輛在CS階段的測試數據不存在的情況，此時，要求對CS階段進行多個循環的測試，然后直接根據每個循環得到的能耗點(如圖10中圓點所示)，擬合成PHEV的能耗直線，該直線與電能凈消耗等于零的交點，即為待測車輛在CS階段的實際油耗。

對比中美燃油消耗的測試方法，我國的評價方法反映了PHEV的直接測量結果，但未揭示PHEV在CS階段運行的實質。美國的方法雖然是經過修正之后的結果，但揭示了PHEV在CS階段運行的實質——PHEV對外部電能沒有凈消耗。

2.5 電能消耗測試

中美在測量電能消耗時，共同點是兩國都記錄外接充電插口輸出的交流電量為電能消耗;不同點有兩個:一個是美國的SAE J1711標準會將CD階段的交流電耗按照直流電耗的權重值，分配到每一個測試循環;另一個是我國的標準規定了CS階段電能消耗的方法。

由于PHEV在CD階段的電能消耗可能隨著SOC的變化而不同，特別是對于混合式PHEV。美國對PHEV的測試包括CD階段的每一個循環，因此最后將交流電耗平均分到了每一個測試循環，這樣就能準確描述那些電能消耗非線性的PHEV的能耗狀況。而我國的標準規定只測試一個NEDC循環，因此無法測得PHEV在CD階段不同循環的電能消耗，也就不存在將交流電耗分配到不同循環的問題。在CS階段，美國的標準認為PHEV不會有對外部電能的凈消耗，所以其將電能的輕微波動都折算成了燃油的消耗。但我國的標準則是嚴格按照測試結果:如圖11所示，經過CS階段的測試(圖11中(5)對應)后，立即對車輛進行充電，充電消耗電能為e2;充滿電后，再對車輛進行放電，直至車輛放電終止條件為止(圖11中(7)對應);然后再對車輛進行充電，充電消耗電能為e3，那么在CS階段車輛所消耗的電能就等于e2－e3。若為負數，則表示車輛在CS階段處于充電的狀態。

在實際的CS階段，車輛的控制策略肯定會允許電池的SOC在一定的范圍內波動，但不能無限地被放大。如圖12所示，車輛運行在CS階段的SOC是一條在一定范圍內波動的曲線，若使用我國對車輛在CS階段的測試結果去預測車輛的電耗，結果將不會收斂;而美國由于考慮到了車輛在CS階段運行的實質，所以根據美國測試結果進行的車輛電能消耗的預測，雖然無法完全貼合實際的SOC線，但會與該線保持一致。

對比中美PHEV電能消耗的測試方法:第一個不同點使得美國的測試方法能夠兼容混合式PHEV;第二個不同點使得通過美國的測試標準得到的CS階段的能耗能夠直接用于車輛能耗的計算。

3 指標計算方法

3.1 人工選擇模式的權衡

PHEV中通常設置了可供駕駛員人工選擇的運行模式，如經濟模式、運動模式等，如表2所示。在評價PHEV的能耗時，須對不同人工選擇模式的測試結果進行權衡。

表2 人工模式選擇表

在美國的評價方法中，明確了由于目前缺乏對PHEV人工選擇模式的研究，所以平均地對待每一種可選擇的人工選擇模式。即CD階段和CS階段的結果是由兩階段分別可選的人工選擇模式對應的測試結果平均得到。

在我國的評價方法中，對模式選擇的要求更為苛刻。對于不能人工選擇運行模式的車輛，車輛使用默認的模式進行測試;對于可以進行人工選擇運行模式的車輛，我國的GB/T 19753規定在測量CD階段的能耗時，選擇最大電力消耗的模式進行測量，并以此為CD階段能耗的結果;在測量CS階段的能耗時，選擇最大燃料消耗模式，并以此為CS階段能耗的結果。

對比中美對人工選擇模式的權衡方法:我國的選擇方法更為苛刻，而美國的選擇方法得到的結果更為平均。兩者各有特點，但真正合理的權衡方法應該是基于對人們使用PHEV時的模式選擇行為研究所提出的權衡方法。

3.2 兩階段的權衡

運行分為CD階段和CS階段是PHEV最大的特點之一。PHEV在這兩階段的能耗值截然不同，因此如何權衡兩階段的能耗在平均能耗中所占的比例是PHEV能耗評價方法的一個核心內容。

美國對于兩階段的權衡是利用基于美國居民出行特征的利用系數(utility factor，UF)來實現的［13］。美國SAE J2841規定了不同里程對應的利用系數的計算方法［14］。利用系數UF是根據美國居民日均出行里程的統計得來的，但利用系數曲線并不等于出行里程的分布曲線。例如，x km對應的利用系數為y%，則說明在美國居民的出行里程中，有y%的里程是在x km以內的。因此，在其平均油耗(Ffuel)中，CD階段的油耗(FCD)所占的權重系數，就等于CD循環里程(RCDC)所對應的利用系數(Uf)，而剩余的部分則對應于CS階段的油耗(FCS)。

我國對于兩階段的權衡是通過直接假設兩次充電之間的平均行駛里程Dav等于25km而計算得到的。CD階段的油耗(C1)與電耗(E1)對應的權重系數為純電續駛里程De占總行駛里程的比例，而CS階段的權重系數為儲能裝置兩次充電之間的平均行駛里程Dav占總行駛里程的比例，總行駛里程為純電續駛里程De與儲能裝置兩次充電之間的平均行駛里程Dav之和。

對比中美對兩階段的權衡辦法，美國的權衡方法是基于對實際日均出行里程的研究，因此，結果更能體現PHEV在實際運用中的能耗;我國的權衡方法比較缺乏理論依據，通過該方法得到的PHEV能耗與在實際運用中的能耗也許會相差甚遠。

3.3 不同工況的權衡

中美對于不同工況的權衡方法完全不同:美國的綜合能耗是按照一定的權重系數，對不同工況進行加權平均的結果;而我國則是直接利用綜合工況的測試結果作為綜合能耗。

美國對能耗的計算分為兩步:(1)通過五工況法或推導五工況法將其測試結果分別合成城市工況與高速工況的能耗結果［15］;(2)再將城市工況與高速工況按照55%和45%的比例進行加權。

五工況法是指將按照EPA規定的5個特征工況的測試結果按照一定的公式加權得到市區或高速的平均能耗。如市區工況的能耗是根據UDDS(FE75)、Cold UDDS(FE20)、US06和 SC03的測試結果加權得到的。

我國是以市區與市郊來區分工況的，而不以道路類型。在我國測試所使用的NEDC循環中，前面4個速度較低的循環被稱為1部，即市區循環;最后一個速度較高的循環被稱為2部，即市郊循環。因此，1部的測試結果直接對應于市區工況能耗;2部的測試結果對應于市郊工況能耗，整個循環的測試結果對應于綜合工況下的平均能耗。

對比中美兩國對于不同工況的權衡方法，美國的方法更為細致——首先將工況進行了細分，然后通過研究得到各情況的權重系數，再將不同工況的測試結果進行加權綜合;我國的方法更為便捷，直接測試綜合工況，將不同工況的權衡問題轉移到了工況的制定環節。

3.4 油耗和電耗的權衡

中美兩國對于油耗與電耗間的權衡有不同的處理方法，在美國的燃油經濟性與環保標簽中，有等效油耗的指標，即將電耗折算成了油耗;而在我國的現行標準中，PHEV的油耗與電耗是分別公布的，沒有綜合的指標。

美國對于油耗和電耗的等價關系是利用能量相等來等價的。33.705kW·h的電能與1加侖汽油的低熱值等價，因此，折算成國內常用的單位就是8.95kW·h等價于1L汽油。

除了能量等價之外，學術界根據研究的目的，還有其他的一些等價關系:如研究電動汽車成本的研究者會使用價格等效;研究碳排放的研究者會利用全生命周期碳排放等效等。

4 結論

(1)美國的PHEV能耗評價方法相對完善。其特點主要表現在:使用與真實情況相符的工況;PHEV的兩個運行階段劃分明確;能耗指標充分考慮了出行特征。

(2)我國的PHEV能耗評價方法尚須完善。評價方法存在的主要問題是:無明確的PHEV能耗標簽;對PHEV的兩階段無嚴格的界定標準;沒有針對混合式PHEV續駛里程的測試方法;沒有考慮出行特征對PHEV能耗的影響;沒有使用能夠代表實際使用情景的工況。

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