混合動力電動汽車動力系統經濟性檢測與評價方法研究

文/王佳怡 陸文斌

混合動力電動汽車動力系統主要由傳統汽車用發動機和電動汽車用電動機組成。這種優勢互補的組合，極大程度地降低燃油消耗和排放水平。目前，混合動力電動汽車已經進入了量產階段，相關的國內外試驗標準有：國際的ISO 23274:2007《混合動力電動汽車污染物排放和燃料消耗測試（不可外接充電）》和SAE 1711:2010《混合動力汽車排放和燃油經濟性試驗方法》等；國內的GB/T 19753－2005《輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》和GB/T 19754－2005《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》等。

目前，國內外尚未出臺有關混合動力電動汽車動力系統經濟性臺架試驗檢測標準。本文在對現有國內外的混合動力整車試驗標準和臺架試驗技術研究的基礎上，提出一種混合動力系統能耗的檢測和評價方法。

一、混合動力系統經濟性檢測方法

基于自行設計的適合上海地區路況和工況條件，在臺架上模擬道路循環工況。通過測量燃油消耗和凈電量消耗，并通過折算，將凈電量消耗轉換為燃油消耗，計算得出總燃油消耗量，從而對混合動力電動汽車動力系統的經濟性進行檢測和評價。

儀器精度要求：試驗點的實測扭矩與規定扭矩誤差±3 Nm，試驗點的實測轉速與規定轉速誤差±5 r/min，油耗儀測量值不超過實測油耗值的±2%，溫度測量值±1℃，電壓測量值±0.5%，電流測量值±0.5%，時間測量值±0.15%。

根據如下適合上海市區的臺架試驗工況圖（包括上海市郊區工況圖1和圖2，和市區工況圖3和圖4）測試混合系統的經濟性，在測功機上主要根據試驗循環工況的扭矩圖來控制混合動力系統的負載，混合動力系統的被測樣品主要以發動機轉速為控制模式。

圖1 上海市郊區工況臺架試驗轉速圖

圖2 上海市郊區工況臺架試驗扭矩圖

圖3 上海市區工況臺架試驗轉速圖

圖4 上海市區工況臺架試驗扭矩圖

具體試驗步驟如下：

檢查混合動力系統的發動機、驅動電機、蓄電池、油耗儀和測控系統設備等是否正常，確認混合動力系統和臺架測試設備正常方可進行試驗。

進行啟動預熱，將混合動力系統加載至標定工況，即功率和轉速都到標定值，然后穩定運行5 min左右。

啟動預熱后即可開始按照上海市區的臺架試驗工況進行經濟性測試實驗。測功機的負荷由相應的扭矩圖控制，發動機的轉速則按照相應的轉速圖控制，完成整個上海市區的臺架試驗工況循環。

臺架試驗工況循環過程中同時記錄的試驗數據包括：發動機轉速、扭矩、功率、耗油量和蓄電池的電流、電壓和荷電狀態（SOC）變化值。注意測定每一工況下各參數時，必須使發動機在此工況下穩定運行，以防測錄數據不穩定。測油耗時間必須測錄兩次以上，并取平均值。

數據處理：根據上述臺架試驗工況循環所測數據進行數據處理，并計算混合動力系統總油耗和耗油率。

二、混合動力系統經濟性評價方法

對于混合動力系統來說，不能簡單地將傳統發動機所消耗的燃料總量視為車輛在此過程中的油耗。因為部分燃油消耗是為了給電力輔助裝置充電，如果在計算混合動力電動汽車（HEV）整車能耗時既把這部分油耗算在燃料消耗中，又把其轉化成的電能算在電耗中就會造成能量的重復計算。為了避免此種現象，本文利用NEC（凈電量變化）計算方法和油電轉化法將油耗數據與能耗數據兩者有機結合起來進行合理評價混合動力系統的經濟性能。

在上述混合動力系統經濟性檢測試驗完畢后，應用NEC計算方法計算出可充電儲能系統（RESS）的凈電量，然后結合RESS的NEC（即能耗量）和發動機的耗油量，利用油電轉換法就可以計算出混合動力系統的能耗指標，從而可以合理有效地評價混合動力系統的經濟性能。

1.NEC的計算方法

①NEC計算必須在試驗過程中監測蓄電池能源存貯系統RESS的能量變化。

式中：NEC——試驗過程中的蓄電池電能凈變化量，放電取正充電取負，kWh；

I——動力蓄電池總線輸入或輸出的電流，A；

U——動力蓄電池兩端的電壓，V；

t——時間，s。

②電量變化量和燃料消耗量的換算關系

式中：Dfuel——燃料密度，g/cm2；

Qfuel-low——燃料燃燒的低熱值，J/g；

ηeng——發電工況下，發動機的平均工作效率；

ηgen——發電工況下，發電機的平均工作效率；

△Vfuel——動力蓄電池等效的燃料消耗量，L。

③混合動力系統總耗油量

式中：Veng——混合動力系統發動機的燃料消耗量，L；

Vw——混合動力系統總體等效的燃料消耗量，L。

④混合動力系統耗油率計算

測量總耗油量所花費的時間，然后按照下式計算

式中：m——混合動力系統總體等效消耗的燃料質量，g；

t——混合動力系統消耗等效消耗的燃料質量m所需的時間，s；

B——混合動力系統每小時耗油量（kg/h）；

bhe——混合動力系統耗油率，g/kWh；

Pe——混合動力系統凈功率，kW。

此方法基于能量守恒定律，將RESS的能耗和發動機的油耗同樣看作是混合動力系統能量的消耗，在電機充電狀態下，混合動力系統將燃料的部分化學能通過燃燒和各級的能量轉化變為RESS的能量存儲。油電換算過程主要考慮能量轉換裝置發動機和發電機的工作效率，并利用燃料燃燒的低熱值統一能量單位，當根據油電換算方法得出混合動力系統中RESS的SOC變化量即電量消耗為負值，則修正油耗比實測的油耗低，這是因為油耗多出部分用于對RESS的充電，故評價整個混合動力系統的能耗時不應計算在內，如果動力蓄電池放電則電量消耗量為正值，則修正油耗比實測的油耗高，消耗的電量用于給驅動電機供電做功為能量消耗，這部分為燃料燃燒轉化而來，最后通過轉換公式轉換成統一油耗以便合理有效地評價混合動力系統的經濟性能指標。

三、混合動力系統樣品測試結果分析

表1為同一型號混合動力系統3次獨立試驗的測試數據，由于每次試驗前RESS的初始SOC值不同，使得每次試驗測得的油耗和凈電量的數值也不同，轉換成總油耗的3次試驗數據的標準差為0.181，檢測結果的一致性滿意，可見本試驗方法能夠有效地檢測和評價混合動力系統的經濟性。

表1 某重型混合動力系統測試數據

四、結語

基于現有國內外相關法規和臺架試驗技術的分析研究，提出的一種混合動力系統的臺架檢測和評價方法，可以有效地將發動機油耗量和RESS的能耗統一起來，可操作性較強。利用該方法不僅可評價不同混合動力系統的經濟性，也可驗證評價不同控制策略下同一混合動力系統的經濟性，并能分析評價同一混合動力系統匹配不同RESS下對整個混合動力系統經濟性的影響，希望能為混合動力系統經濟性標準評價方法的建立提供借鑒。