插电式混合动力汽车排放和能耗评价方法研究.docx

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插电式混合动力汽车排放和能耗评价方法研究

插电式混合动力汽车排放和能耗评价方法研究

时间:

2010-11-0814:

57来源:

中国汽车技术研究中心作者:

秦孔建等点击:

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分析了插电式混合动力电动汽车技术特点和工作特性，对比研究了国内外针对这类车辆能耗和排放性能的试验方法和标准，从试验循环等几个方面对PHEV能耗和排放评价面临的关键问题进行了讨论。

插电式混合动力汽车（PHEV）由于具有能够更充分地利用电能而减少传统石化燃料消耗的技术优势，成为当前电动汽车领域的研发热点。

分析了插电式混合动力电动汽车技术特点和工作特性，对比研究了国内外针对这类车辆能耗和排放性能的试验方法和标准，从试验循环、测试程序、结果计算等几个方面对插电式混合动力汽车能耗和排放评价面临的关键问题进行了讨论，并针对我国当前标准体系中关于插电式混合动力汽车试验评价方法的制订完善提出了建议。

1前言

插电式混合动力电动汽车（简称PHEV）是近年来在传统的混合动力汽车（HEV）基础上派生的特殊形式，其车辆系统的功能结构介于混合动力汽车和纯电动汽车（EV）之间，兼备燃料发动机和可充放的电力储能装置（以车用动力蓄电池为例），同时还与纯电动汽车一样，直接连接到电网上给电池充电。

传统混合动力汽车驱动能量的最终来源实际上还是只有燃料发动机一个，除了制动能量回收之外，电池为驱动车辆所提供的能量归根结底都来自于发动机的动力输出，而只是利用电池充放电对发动机工作状态进行优化以实现动力系统的较高效率以及较低的废气排放。

所以传统混合动力汽车的驱动主要还是依靠燃料发动机，即使系统匹配良好，所能实现的节油效果也是有限的。

一般认为，相对于使用石化燃料的发动机，电能更为高效、清洁，从这个前提出发，混合动力汽车应该尽量多消耗电能，少使用石化燃料，因此插电式混合动力汽车的概念被提出并且很快成为研发热点。

通常，插电式混合动力汽车装备比传统混合动力汽车更大容量的电池，具备相当的纯电动行驶能力，日常使用汽车大多处于纯电动或电量消耗的混合动力运行模式，实现了电量消耗最大化、燃油消耗最小化的目的。

在当前资源、环境、气候变化问题备受关注的全球背景下，各国汽车界均将插电式混合动力汽车作为重要的发展方向，大力投入技术研发，并竞相争夺标准话语权。

排放和能耗是混合动力汽车两个最为重要的性能指标，相对于传统混合动力汽车，插电式混合动力汽车这两项指标的测试评价更为复杂。

本文从插电式混合动力汽车技术特性和工作特点出发，着重分析了围绕其能耗和排放性能进行评价的试验方法和标准，并为我国相关标准法规的制订完善提出了建议。

2插电式混合动力汽车技术特性和工作特点

插电式混合动力汽车在车辆技术特点上介于纯电动汽车和传统混合动力汽车之间，具备电机和发动机两个驱动力，可以利用外部电网对车辆动力蓄电池进行充电。

同时，插电式混合动力汽车在功能上具有以下特性：

a.插电式混合动力汽车通常具备相当的纯电动续驶能力，所使用电池容量比传统混合动力汽车大。

根据所要求的纯电动续驶能力大小的不同，电池容量差异也比较悬殊。

美国能源部2006年的研究表明，纯电动续驶能力达到20km的插电式混合动力汽车（简称PHEV20）可以减少50％的燃料消耗，但因电池容量增大而会带来约8000美元的成本增加。

而PHEV40则会增加约11000美元成本，减少约62%的燃料消耗。

b.所用发动机比传统混合动力汽车小。

c.插电式混合动力汽车通常具备多个运行模式，并且遵循优先电能消耗的原则。

插电式混合动力汽车运行模式如图1所示。

从图1中可以看出，电池充满电或处于较高荷电水平（SOC）的状态下，插电式混合动力汽车一般运行于纯电动模式或者电量消耗模式，电池电量下降较快；当SOC下降到允许下限时，车辆进入电量维持模式运行，电池SOC在这种运行模式下波动很小，总体维持平衡。

某些插电式混合动力汽车可能还具备纯发动机运行模式，即电池电量消耗到允许下限值后停止工作，只由发动机单独驱动。

这些都是插电式混合动力汽车可能有的运行模式，视车辆设计意图的不同而采用不同的运行模式组合。

常见的插电式混合动力汽车运行模式组合方案有以下几种：

a.纯电动模式—电量消耗模式－电量维持模式－纯发动机模式

b.纯电动模式—电量维持模式－纯发动机模式

c.纯电动模式—电量维持模式

d.电量消耗模式—电量维持模式－纯发动机模式

e.电量消耗模式—电量维持模式

f.电量消耗模式—纯发动机模式

插电式混合动力汽车具有电能量消耗比例大、运行模式多的特点，使得针对它的性能评价试验方法比较难以制订。

汽车的能耗水平是以燃油消耗指标来体现和评价的，混合动力汽车由于同时消耗电能和燃油两种类型的能源，因此进行能耗指标评价时通常需要统一到等效的燃油消耗指标。

传统混合动力汽车虽然运行过程中也会有电能量消耗，但所占比例一般较小，同时由于没有外接充电的功能，消耗电池电能的最终来源还是发动机燃油消耗，电池SOC在一个较小的范围内波动，相同的试验循环下，电能量消耗和燃油消耗之间存在线性关系，因此比较容易利用这种线性关系得到很准确的等效的燃油消耗评价结果。

对于插电式混合动力汽车，由于电能量消耗比例大，电池SOC变化的范围很大，电能量消耗与燃油消耗之间难以明确可靠的线性关系；并且插电式混合动力汽车电池的能量储备大部分来自于外部电网，而非发动机的燃油消耗，因此插电式混合动力汽车电能消耗向燃油消耗的转化也缺乏合理的依据。

另外，由于插电式混合动力汽车具备多种可能的运行模式，评价时如何选取何种模式或模式组合来进行试验才能最客观反映车辆的实际能耗和排放水平，也是较难解决的问题。

3插电式混合动力汽车排放及能耗测试评价方法

制订合理的插电式混合动力汽车试验方法，需要着重解决试验循环、车辆试验模式和试验程序以及测量结果计算处理方法。

3.1试验循环

美国SAEJ1711是较早发布的关于混合动力汽车燃油经济性和排放试验方法的标准。

其中也规定了针对具备车外充电能力车辆（Off-VehicleChargecapable，等同于插电式混合动力汽车）的试验方法。

由于SAEJ1711只是一项协会性质的技术标准，其重点在于提出一种合理可行的试验方法，并没有明确规定应采用什么行驶工况作为试验循环，而是推荐了几个行驶工况作为参考，包括FTP-72、HFEDS（HighwayFuelEconomyDrivingSchedule）、US06（US06DrivingSchedule）和SC03（SC03DrivingSchedule）等，上述几种行驶工况的曲线如图2~图5所示。

SAEJ1711所推荐的试验循环实际与美国法规中针对传统车辆的试验循环没有区别，这实际上是基于一种假设：

插电式混合动力汽车及一般混合动力汽车的使用状况与传统燃油车没有区别。

FTP-72是美国法规针对轻型汽车试验认证的基础性试验循环，US06和SC03是FTP-72的附加循环，分别针对野蛮驾驶和带空调运行驾驶两种状况的试验循环。

HFEDS是高速公路行驶油耗试验循环。

这几种行驶工况基本上覆盖了车辆常见的行驶模式。

在SAEJ1711之后，SAE还发布了针对重型混合动力汽车能耗排放试验方法的标准SAEJ2711，但其中对于如何进行重型插电式混合动力汽车的能耗排放试验并没有作出详细明确的描述。

日本汽车法规于2009年7月增添了插电式混合动力汽车排放和能耗试验方法的内容，其试验循环也是沿用与传统轻型车辆认证相同的行驶工况，即JC08。

图6所示是JC08的行驶工况曲线。

欧洲法规针对插电式混合动力汽车试验循环也采取同样的路线方案：

与传统轻型车辆的认证试验循环相同。

中国标准法规基本沿用欧洲体系，目前针对插电式混合动力汽车的试验循环也是采用如图7所示的ECE/NEDC。

综上，虽然从插电式混合动力汽车的技术特点考虑，其更适宜于市区运行，但目前的法规并未规定适应性的专用试验循环来评价插电式混合动力汽车的排放能耗等关键性能。

主要原因可能归结为两个方面：

其一是目前还没有足够的专门针对插电式混合动力汽车使用工况的调查数据；其二虽然对某些工况有突出的优势和适应性，但现阶段插电式混合动力汽车要获得广泛的接受度，还是需要满足使用者对传统车辆的同等要求，即也能满足高速路行驶等基本要求。

3.2车辆试验模式和试验程序

如前所述，插电式混合动力汽车通常具备多种运行模式，这使得试验时如何选取车辆运行模式，进而如何设计合理的试验程序成为一个难题。

从现有的相关标准内容归纳，主要有两种试验程序设计的思路和方案。

第一种方案完整考虑插电式混合动力汽车可能有的各种运行模式和状态，对每一种可能的工作状态都进行试验。

SAEJ1711采用了这种试验程序设计思路，其要求的试验程序见表1所列。

试验过程中，需要通过标准程序的充放电操作，依次将插电式混合动力汽车设置到不同的荷电状态，分别测量每种工作状态下的性能。

从表1可以看到，SAEJ1711规定了插电式混合动力汽车要进行4种不同工作状态下的试验。

第二种方案考虑插电式混合动力汽车少数典型的工作状态进行试验，欧洲法规和日本法规均采用了这种方案。

针对待评价插电式混合动力汽车，只进行最高充电状态和最低充电状态两种情况进行测试。

从插电式混合动力汽车技术特点考虑，这两种运行状态下的测试能够反映车辆两种极端使用条件下的性能。

因此，相对于SAEJ1711，在明显简化了试验程序的同时，还能保证比较客观的反映车辆的实际使用性能。

图8和图9是这两种状态试验时电池SOC变化示意图。

图8描述了最高充电试验过程中不同阶段的电池SOC状态：

a为初始阶段；b为试验前放电过程；c为预处理阶段；d为浸车期间对车辆进行充电直至充满达到最高荷电状态；e为试验过程；f为利用外部电网按照标准的充电程序将电池充电至最高状态，其中，在预处理过程中，由于测试循环和车辆技术特点可能不同，导致车辆处于充电或放电状态，从而SOC上升或下降，即在此阶段会出现两种可能形式。

由于e和f阶段SOC变化量相同，所以利用f阶段测得的电网充电能量消耗可以确定试验过程中的电能消耗量e1。

图9描述了最低充电试验RESS的不同阶段：

a为初始阶段；b为预处理阶段；c为试验前放电过程至最低荷电状态；d为浸车期间保持最低荷电状态；e为试验过程；f为标准充电程序充电至最高荷电状态，记录充电量e2（或e2′）；g为标准放电程序放电至最低荷电状态；h为再次充电至最高荷电状态，记录充电量e3。

与图8类似，在预处理及试验过程中，由于测试循环和车辆技术特点可能不同，导致车辆处于充电或放电状态，从而使SOC上升或下降，即SOC会出现两种可能的变化过程。

为了确定在试验阶段（e阶段）车辆的电能量变化量，在测试循环结束后，利用外部电网反复充放电。

并且通过第一次充电（f阶段）和第二次充电（h阶段）的电网能量消耗的差值即可确定试验过程中车辆的电能量变化量。

正在制定中的ISO标准23274-2中，提出了“全程试验”的试验程序设计思路：

即从车辆充满电开始进行试验，经过电量耗尽模式（Charge-Depleting,CD），一直测试到电池电量维持平衡（Charge-Sustaining,CS）；并且在试验过程中对车辆所处的运行模式进行判断和确认。

试验过程如图10所示。

3.3测量结果计算处理和报告

由于考虑并测量了不同运行模式下的性能表现，要得到一个确定的性能指标，通常需要使用加权系数将不同情况下的结果综合成一个结果。

为每种状态下的试验结果确定合理的加权是插电式混合动力汽车试验结果计算处理的重要问题。

SAEJ1711虽然详细地考虑了每种可能的运行状态，但并未提出一个测量结果的综合方法，原因在于试验程序对运行模式和状态的划分过细，而状态越多，权重系数的确定越困难，难以确定这些状态在实际使用过程中相对的频度比例关系。

ISO23274也面临同样的问题，没有提出不同状态下测量结果的综合方法。

欧洲法规则采用车辆纯电动续驶里程以及充电间隔车辆平均行驶里程两个参数分别对最高充电试验和最低充电试验结果进行加权，方法如式

（1）：

C=（De×C1+Dav×C2）/（De+Dav）

（1）

式中，C1为RESS最高荷电状态下的试验中得到的燃油消耗量；C2为RESS最低荷电状态下的试验中得到的燃油消耗量；De为车辆的纯电动续驶里程；Dav为电池两次充电之间车辆的平均行驶里程，Dav=25km。

式

（1）是用来综合插电式混合动力汽车能耗测量结果的计算公式，对于排放测量结果的计算，也采用相同原理。

这个公式加权计算的思路是正确的，但加权所用参数Dav的定义及其确定的取值尚存在问题。

首先按照计算公式的原理，Dav与最低充电试验的测量结果相对应，则其准确的物理意义应该是：

待评价插电式混合动力汽车在日常使用过程中两次完全充电之间运行于最低充电状态的平均里程，而不应是两次充电之间的平均里程；其次，将Dav的数值规定为25km尚缺乏足够的数据支持。

日本法规在测量结果计算处理时，引入了“利用系数”（utilityfactor）这一概念对两种状态测量结果进行加权，如图11所示。

首先根据插电式混合动力汽车的纯电动里程在图11中找到该车对应的UF，然后分别用UF和（1-UF）作为权重系数对两个状态下的测量结果进行综合。

4制订完善中国相关标准的思考和建议

4.1现有插电式混合动力汽车相关标准的问题

在插电式混合动力汽车排放和能耗试验评价方面，中国目前的标准是：

轻型插电式混合动力汽车基本沿用了欧洲的方法；而现有的重型混合动力汽车能耗试验方法标准未覆盖插电式混合动力汽车，该标准正在修订中，新修订版本将包括插电式混合动力汽车；重型混合动力汽车排放试验方法标准正在制订，内容也将覆盖插电式混合动力汽车；同时轻型混合动力汽车（含插电式混合动力汽车）的试验方法标准也在修订中。

中国插电式混合动力汽车相关标准面临的问题主要有如下几个方面：

a.直接沿用欧洲方法，引用标准与国内车辆技术状态、使用环境（路况、工况和驾驶特性）的适用性缺乏论证。

尤其在对多种状态下的测量结果进行综合时，所采纳的权重系数的确定应该建立在对本国或地区车辆使用状况信息的足够调查的基础上。

b.缺乏试验验证。

这主要是由于标准制订时缺乏相对技术成熟的车辆产品。

c.试验方法层次单一，体现在目前只有与法规认证相对应的试验方法，而缺乏更结合并能促进产品技术更新的方法标准。

法规试验方法目的是检验产品是否能满足法规的最低要求，但混合动力汽车和插电式混合动力汽车的意义远不在于此，而要更准确客观地评价出这类车辆的技术优势，则需要更多考虑其技术特性的试验方法标准，同时也能更有效地推动产品技术改进、成熟。

d.不同状态下测量结果的加权综合方法所采用参数缺乏充分依据；能耗评价表述时，电能消耗和燃油消耗的综合问题仍未解决；而排放评价是考虑可能最差排放状况还是考虑车辆综合排放水平的指导原则不明确。

4.2完善标准体系的思考和建议

鉴于上述的问题，对中国正在修订中的混合动力汽车标准提出以下建议，为完善其中与插电式混合动力汽车相关试验方法的技术内容提供参考。

a.开展与插电式混合动力汽车相关的车辆日常行驶工况特征调查，获取统计数据为标准中性能评价计算方法提供数据支持。

插电式混合动力汽车性能对使用环境和条件有较强的敏感性，标准作为技术规范对产品开发具有导向性作用，如果标准方法的数据基础偏离了实际情况，则产品的开发也将偏离它的目标使用环境和条件，一方面势必不能为使用者所广泛接受，另一方面也背离了发展插电式混合动力汽车促进节能减排的初衷。

b.建立多层次的标准体系。

在完善法规试验方法标准的基础上，同时建立更贴合产品技术开发和性能改进的试验方法标准。

在试验程序设计方案上，法规试验方法标准的重点在于简单有效地测试车辆是否达到法规对车辆的基本要求，程序上与传统车辆尽量保持一致，而没必要通过法规试验程序评判到插电式混合动力汽车产品的所有技术细节，所以着重考虑采取2.2节中的第二种方案；插电式混合动力汽车技术和产品尚未十分成熟，这种前提下仅有法规试验方法的标准，不能满足产品技术更新进步的需求，针对技术开发和性能改进的试验方法标准应该更多地关注到产品的技术特性，所以采取2.2节中的第一种方案或者ISO23274的方案更为合适。

c.法规层面的插电式混合动力汽车性能评价方法，其能耗指标应尽量客观反映车辆的综合性能水平，即将不同运行状态下的测量结果综合加权；针对排放指标则应考虑将车辆排放最恶劣状态下的测量结果作为评判依据；进行综合加权时应引入车辆利用系数这一统计数据。

d.开展充分的实车试验验证。

5结束语

需要开展与插电式混合动力汽车使用环境、条件相关的工况、路况、驾驶特性等调查统计工作，获得车辆利用系数等对于插电式混合动力汽车性能试验评价所必须的基础数据。

对于插电式混合动力汽车和一般混合动力汽车能耗指标的评价，法规试验方法应尽量反映车辆实际使用过程中的平均水平；而排放指标则应采用排放最恶劣运行模式下的测量结果作为评判依据。

应建立多层次的试验方法标准体系，在完善插电式混合动力汽车法规试验方法标准的基础上，还应制订针对插电式混合动力汽车产品技术开发和性能改进的试验方法标准。