Plug-in混合动力电动汽车能耗综合评价方法研究*

李孟良，彭文明，，颜伏伍，杨慧萍，徐月云

(1．中国汽车技术研究中心，天津 300162; 2．武汉理工大学汽车工程学院，武汉 430070)

前言

与传统混合动力电动汽车(HEV)相比，插电式混合动力电动汽车(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)在储能装置(电池)容量提高的同时，还增加了从家用电源到车辆充电的装置。PHEV通过在电量消耗(charge-depleting，CD)模式下依靠电池电能行驶而大量替代燃油消耗，具有显著的节能环保优势［1］。道路能耗试验就是为了印证这一点。

PHEV能耗包含燃油消耗和电能消耗两部分。从法规层面对PHEV能耗进行评价，需要简单有效。国内目前针对PHEV能耗的评价方法主要沿用欧洲方法［2］。该方法先在实验室进行PHEV在CD模式和电量维持(charge-sustaining，CS)模式下的能耗试验，然后采用平均充电行驶里程权重系数对试验结果进行加权，以此来评价PHEV能耗［3］。本文中采用平均充电行驶里程权重系数方法和美国SAE的利用系数方法对实验室能耗试验结果进行综合，将综合结果与道路能耗试验结果对比，探讨更能反映PHEV道路实际能耗的综合评价方法。

1 道路能耗试验

PHEV能耗在不同地区和不同环境下使用时，能耗会有不同，为考察PHEV在我国使用的燃油经济性，丰田汽车公司与中国汽车技术研究中心在天津开展了为期1年的PHEV道路实证试验研究。

1.1 试验方案

组建由14辆PHEV(Prius)构成的实证车队，由不同通勤距离的用户，包括短途(0～15km)、中途(15～25km)和远途(25km以上)，作为日常出行使用，并定期进行轮换，而且根据需要在用户的住宅或单位配置专用充电桩，用户自由选择对车辆进行充电。通过车载数据及用户手工记录考察PHEV在用户日常出行方式下的能耗。车载数据记录信息包括车速、环境温度、发动机转数、空调消耗电力、电池耗电量、燃油消耗量等。用户手工记录主要是充电量。

1.2 试验结果

实证车队运行在2011年4月～2012年1月，由车载数据和手工记录有效统计的数据分析得到，车队累计行驶里程为73 542km，充电1 880次。在平均每天约充1次电的情况下平均100km燃油消耗量和电能消耗量分别为2.63L和7.5kW·h。

根据电池残余量容易区分PHEV运行模式，为0时即进入CS模式。从进行道路试验的PHEV的车载数据分析得到车队在CD和CS模式下的累计行驶里程及比例见表1。

表1 车队行驶数据

PHEV的能耗与充电后行驶里程相关［4］。车队的充电续驶里程分布见图1，其中续驶里程在30km以内的约占总行驶里程的60%。

由于充电习惯、驾驶习惯等的差异，PHEV能耗也随着变化［5］。图 2为车辆月平均100km燃油消耗量的分布，不仅展示了PHEV燃油消耗量在大范围内变化的现象，还展示了PHEV作为日常使用获得低燃油消耗的潜能，可以低于2L。

2 实验室能耗试验

选择1台PHEV(Prius)在转鼓试验台上参照欧洲法规ECE R101选项二进行试验。测试系统除了转鼓试验台、CVS和气体分析仪系统等以外，还增加了电力计及其配套电流传感器，用于计量车载电池的充放电量，见图3。另外还配备了电功率计，用于计量车辆从电网获取的电能。

条件A试验:在充满电的状态下重复进行测试循环(NEDC)，并且在每个循环测试放电量和燃油消耗量，试验结果见表2。

表2 条件A试验结果

在进行两个测试循环后，电池在第3个循环的放电量(0.379 8A·h)小于额定存储值(15A·h)的3%(0.45A·h)，认为已达到电池的最低荷电状态，测试结束。则OVC续驶里程为两个循环的总行驶里程，即DOVC=22km，也即在CD模式下能够行使的距离。CD模式下的100km燃油消耗量c1=0.59L。然后对电池进行充电直到满足车辆制造厂规定的充满截止条件，测量并记录从电网获得的电能e1=3.143 6kW·h，即为条件A下车辆的电能消耗，转换成100km电耗为E1=14.29kW·h。

条件B试验:按照制造厂建议，以70km/h的稳定车速对车辆电池进行放电，直到发动机起动并迅速停机，认为达到测试的初始条件。进行1个测试循环，测得100km燃油消耗量c2=4.05L，即CS模式下的燃油消耗量。然后将电池充满电，测量并记录从电网获得的电能e2=3.158 4kW·h。然后按照之前的方法对电池进行放电，即恢复到测试之前的SOC状态，再将电池充满电，获得的电能e3=3.254 1kW·h，则条件B下车辆的电能消耗为e4=e2－e3=－0.095 7kW·h，转换成100km电耗为E4=－0.44kW·h，即CS模式下的电能消耗量。

3 实验室综合能耗与道路实际能耗对比

3.1 综合权重系数

参照SAE J2841中利用系数的获得方法，即式(1)，可以得到一条类似的利用系数曲线，见图5中10 城市 UF［6］。

式中d(k)为第k个数据样本［7］。

将距离D对应的UF作为CD模式权重用于预测PHEV实际运行在CD模式下行驶里程比例，则其中隐含开始使用前PHEV处于满电状态而且中途不再进行充电的假设。由车队充电行使里程分布(图1)替代日均行使里程分布，则可得到车队利用系数曲线(见图5中车队UF)［5］。这个系数由车队使用情况而来，更能反映实际CD模式利用情况。

由图5可见，车队UF和10城市UF在整个区间内都比较接近，一方面与实证用户的选择范围较广有关，日均行驶里程分布与调查结果接近;另一方面10城市UF关于充电频率的假设与用户实际的充电频率相符。但是利用系数曲线与平均充电行驶里程权重系数曲线相比，只有在短距离内接近，超过40km以后偏离越来越远。

而与美国UF相比，相同距离D对应的各权重系数普遍要高，说明在我国推广PHEV，能更充分利用CD模式，这与美国民众平均出行里程比我国长有关。

3.2 综合结果

由图5中车队UF、10城市UF和平均充电行驶里程权重系数曲线插值得D为22km时CD模式权重系数分别为46%、44%、47%。由车队UF插值得到的CD模式权重系数46%，与道路实证试验中CD模式下行驶里程比例45%很接近。

运用由不同方法得到的权重系数分别对实验室CD模式和CS模式下能耗进行加权，结果见图6。

运用不同权重系数进行加权后的综合结果之间的偏差都在5%以内，这与加权时所采用的权重系数比较接近有关。当在CD模式下所能行驶的距离增加(超过40km)，由于加权时所采用的系数有比较大的差异(结合图5)，综合结果也会因此有比较大的差异。

运用车队UF、10城市UF和平均充电行使里程权重系数分别进行加权后的燃油消耗量结果比车队实际燃油消耗量分别低约7%、4%、8%，电能消耗量结果比车队实际电能消耗量分别低约15%、18%、14%。燃油消耗量的偏差降低，电能消耗量的偏差就会增加，两个偏差不可能都很小，至少有一个会超过10%。

从上面的结果可以看到，实验室综合能耗(包括燃油消耗量和电能消耗量)和道路试验能耗存在一定的差异。经分析，这种差异主要源于两个方面:一方面是由于实际行驶时的道路工况、附件(如空调)的使用和环境气候等相对实验室存在一定的差异;另一方面是实验室能耗综合时采用的权重系数与实际利用系数也存在差异。为了使实验室试验更准确地反映道路实际能耗，除了对综合时的权重系数进行调整外，还须对实验室的试验条件进行适当的调整或补充，如补充空调试验或者调整试验工况等。

4 结论

PHEV通过在CD模式下依靠电池电能行驶而替代燃料消耗，其节能环保优势通过道路能耗试验得以验证，在平均100km电能消耗量为7.5kW·h的情况下，平均100km燃油消耗量仅为2.63L，在适当多充电的情况下还可更低。

在实验室进行PHEV在CD和CS模式下的能耗试验，采用利用系数方法和平均充电行驶里程权重系数方法对实验室能耗试验结果进行加权，将综合结果与道路能耗试验结果对比，得到以下结论。

(1)车队利用系数由车队使用情况而来，最能反映PHEV实际CD模式利用情况。运用日均行驶里程分布得到的利用系数与车队利用系数比较接近，能预测实际应用中CD模式利用情况;

(2)平均充电行驶里程权重系数与利用系数在短距离内比较接近，综合后的结果也比较接近，偏差在5%以内;随着车辆在CD模式下能够行驶的距离增加(超过40km)，由于综合时的权重系数差异增加，综合结果之间的差异也因此增加;

(3)尽管利用系数或平均充电行驶里程权重系数(在短距离内)能预测实际应用中CD模式利用情况，但应用不同权重系数对实验室能耗综合后的结果与道路实际能耗都存在超过10%的差异。

为了使实验室试验更准确地反映道路实际能耗，除了对综合时的权重系数进行调整外，还须对实验室的试验条件进行适当的调整或补充，如补充空调试验或者调整试验的工况等。

［1］ 秦孔建，陈海峰，方茂东，等．插电式混合动力电动汽车排放和能耗评价方法研究［C］//2010中国汽车工程学会年会优秀论文集．北京:机械工业出版社，2010．

［2］ 国际质量监督检验检疫总局．GB/T 19753—2005轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法［S］．北京:中国标准出版社，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．