混合動力電動汽車能量消耗測試和評價方法探討

文/謝 歡

【機動車專欄】

混合動力電動汽車能量消耗測試和評價方法探討

文/謝 歡

混合動力電動汽車（HEV）因需兼具傳統燃油汽車和電動汽車的特點，如何能夠更充分地利用電能，減少傳統石化燃料消耗，是新能源汽車中的一個研發熱點。本文分析了HEV技術特點和工作特性，對比研究了國內外針對HEV能量消耗試驗方法和標準，對HEV能量消耗評價面臨的關鍵問題進行了討論， 并對今后國家標準中HEV能量消耗評價方法提出了修改建議。

HEV 能量消耗 測試和評價

混合動力電動汽車（HEV）相對于傳統燃油汽車和純電動汽車其工作機制更為復雜，且即使用燃料也消耗電能，如何合理地對HEV的能量消耗進行測試和評價，真實反映HEV的實際能量消耗，一直是一項復雜的工作，特別是對于可外接充電HEV，其可直接連接到電網上給電池充電，具備純電動行駛模式，工作模式更為多樣。國內外也先后制訂了HEV能量消耗率的試驗標準。本文從HEV原理和工作特性出發，著重分析了HEV能量消耗的測試和評價方法。

一、HEV工作特性

HEV可分為不可外接充電HEV和可外接充電HEV。

不可外接充電HEV的驅動能量最終來源，實際上只有發動機燃料一個。無論是制動能量回收，還是電池為驅動車輛所提供的能量，歸根結底都來自于發動機的動力輸出。只是利用電池充放電對發動機工作狀態進行優化，以實現動力系統的較高效率和較低的廢氣排放。可外接充電HEV（見圖1），其車輛系統的功能結構介于傳統混合動力和純電動之間，兼備燃料發動機和可充放的電力儲能裝置。同時，還與純電動一樣，直接連接到電網上給電池充電，故其驅動能量來源既有發動機燃料也有電網電能。

圖 1 可外接充電HEV工作模式

對于不可外接充電的HEV，其運行模式以電量維持（CS）模式為主；對可外接充電HEV，在充電后先以電量消耗（CD）模式運行。當荷電狀態達到最低水平時，如果沒有及時充電，此時車輛以CS模式運行。

不可外接充電HEV的可充電儲能系統（RESS）沒有外接充電能力，只能在車輛運行發動機工作的過程中，由發動機或剎車制動過程來給RESS充電，因此，這類車能量管理策略的目標一般是儲能裝置的能量保持在一定范圍內。

可外接充電HEV的RESS可以連接到車外電源進行充電。因此，在車輛運行過程中，能量管理策略通常是將電能消耗最大化，而盡量減少發動機燃料的使用，達到最大程度減少燃油消耗和污染排放的目的。當電量消耗到一定程度，車輛的荷電狀態會維持在某一水平，直到對車輛進行充電。

從圖 1的可外接充電HEV運行模式中可以看出，電池充滿電或處于較高荷電水平（SOC）的狀態下，可外接充電HEV一般運行于純電動模式或者電量消耗模式，電池電量下降較快；當SOC下降到允許下限時，可外接充電HEV進入電量維持模式運行，電池SOC在這種運行模式下波動很小，總體維持平衡。某些可外接充電HEV可能還具備純發動機運行模式， 即電池電量消耗到允許下限值后停止工作， 只由發動機單獨驅動。

二、不可外接充電HEV能耗測試評價

不可外接充電HEV的RESS沒有外接充電能力，所有的能量均來自于燃料。但不能簡單地將傳統發動機所消耗的燃料總量視為車輛的能耗。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HEV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，應測量凈電量變化（NEC），并將NEC等效折算成油耗，對油耗進行修正。

目前，各國標準法規中采用兩種方法可對NEC進行折算：效率折算法和線性回歸校正法。

1. 效率折算法

Vfuel——試驗循環燃料消耗量，L；

E——試驗過程中的電量消耗，kWh;

jNHV——燃料的低熱值，J/kg;

ρfuel——燃料密度，kg/L;

ηAPU*——輔助動力系統平均工作效率。

注：*如果HEV是并聯或串聯結構，即為發動機平均效率乘以發電機平均效率；如果是混聯結構，即為發動機平均效率乘以發電機平均效率乘以動力分配裝置效率。

2. 線性回歸校正法

多次測量，利用一元回歸分析法進行線性插值，折算到NEC為0時的油耗值，該油耗值即為不可外接充電HEV的能量消耗（見圖2）。

圖 2 線性回歸法

為保證有效性，必須：

① 保證最少有4個有效點：凈電量變化與燃油消耗值（NEC/fuel）大于±1%，小于等于±5% ，并且至少有1個點的NEC大于0和1個點的NEC小于0；

② 驗證相關系數R2大于等于0.8（線性回歸假設可接受）

k——單位換算系數，（3.6×103）-1kWh/J;

jNHV——燃料的低熱值，J/kg;

ρfuel——燃料密度，kg/L。

△Q——電池安時能量變化量，Ah；

V——電池在測試期間的平均電壓，V。

校正條件為：

NEC/fuel小于等于±1%，接受；NEC/fuel大于±1%，小于等于±5%，校正；NEC/fuel大于±5%，則無效。

C——試驗測得的燃油消耗量，L/100 km；

Q——試驗測得的NEC，Ah；

通過一元回歸分析法，進行K的參數估計：

Ci——第i次試驗測得的燃油消耗量，L/100 km；

Qi——第i次試驗試驗測得的NEC，Ah；

i——測試數據個數。

對于效率折算法，由于無法對輔助動力系統平均工作效率進行有效準確的估計，故該方法準確度無法保證，目前采用較少。線性回歸校正法由于有數理統計的理論基礎，其準確度有保證，且可重復性較好，故建議采用線性回歸校正法。

三、可外接充電HEV能耗測試評價

可外接充電HEV的RESS可以連接到車外電源進行充電。因此，在運行過程中，能量管理策略通常是將電能消耗最大化，即運行在荷CD模式，盡量減少發動機燃料的使用，達到最大程度減少燃油消耗和污染排放的目的。當電量消耗到一定程度，車輛的荷電狀態會維持在某一水平，即運行在荷CS模式，直到對車輛進行充電。

可外接充電HEV具有電能量消耗比例大、運行模式多的特點，使得針對它的性能評價試驗方法比較難以制訂。

可外接HEV由于同時消耗電能和燃油兩種類型的能源。由于電能量消耗比例大，電池SOC變化的范圍很大，電能量消耗與燃油消耗之間難以明確可靠地轉換關系，并且可外接HEV電池的能量儲備大部分來自于外部電網，而非發動機的燃油消耗。因此，可外接HEV電能消耗向燃油消耗的轉化也缺乏合理的依據。評價時如何選取模式或模式組合來進行試驗，才能最客觀地反映車輛的實際能耗和排放水平，也是較難解決的問題。

依據可外接充電的HEV特性，應分別測量在CD模式和CS模式下的能量消耗率（燃油消耗和電能消耗），利用加權系數對試驗結果進行加權，以此來評價可外接充電的HEV綜合能量消耗率。如何科學有效并符合用戶實際使用情況地確定加權系數，是綜合能量消耗試驗結果、計算處理的重要問題。

可采取兩種方式對可外接充電的HEV能耗進行評價。

1. 典型狀態測量法

分別測試條件A（在CD模式下的最高SOC值）和條件B（在CS模式下的最低SOC值）的燃料消耗和能量消耗，采用平均充電里程和純電動形式里程對條件A和條件B的燃料消耗進行加權，得到綜合燃料消耗，同樣采用平均充電里程和純電動形式里程對條件A和B的電能消耗進行加權，得到綜合電能消耗（見圖3）。

圖 3 典型狀態測量法

C——燃油消耗量，L/100 km；

C1——條件A下所的燃油消耗量，L/100 km；

C2——條件B下的燃油消耗量，L/100 km；

E——電能消耗量，Wh/km；

E1——條件A下所的電能消耗量，Wh/km；

E2——條件B下的電能消耗量，Wh/km；

De——純電動行駛里程，km；

Dav——平均充電里程，km。

2. 全程測量法

分別測量整個CD模式階段和CS模式階段（測量方法同不可外接充電HEV）的燃料消耗和電能消耗，對燃料消耗和電能消耗利用加權系數進行加權，得到綜合燃料消耗量和電能消耗量結果。

全程測量法對在CD模式階段有發動機更多介入的情況更有效（見圖4）。

圖4 CD模式中發動機較多介入

CD模式結束（見圖5）的判斷準則：單個循環或一些列循環NEC/fuel 不大于±1%。

圖5 CD模式結束條件

在試驗結果的加權中，利用基于在用車的使用情況統計得到的利用系數（UF） 對兩種狀態測量結果進行加權，根據HEV的純電動里程在圖6中找到該車對應的UF，然后分別用UF 和（1-UF）作為權重系數對兩個狀態下的測量結果進行綜合。

圖6 利用系數（來自美國科研機構統計數據）

目前，采用Dav等于25 km的條件A和條件B典型狀態測量法，其將平均充電里程Dav設置為25 km缺乏足夠的數據支持，且其測試典型狀態，不能客觀反映HEV在整個工作范圍內的特性，如對發動機較多介入的情況。故建議今后國標采用全程測量法，并使用基于在用車的使用情況統計得到的利用系數對兩種狀態進行加權，計算綜合能量消耗。

四、結 語

HEV能量消耗測試應盡量反映車輛實際使用過程中的平均水平，由于HEV工作特性復雜，故其能量消耗測試和評價方法較難制定。本文從HEV技術特點和工作特性入手，在對比研究了國內外針對HEV能量消耗試驗方法和標準基礎上，針對HEV能量消耗測試和評價提出了一些合理的建議，供參考和借鑒。

（作者單位：上海機動車檢測中心）

信息專遞——

貴州“質量云”成為社會共治信息平臺

近日，從貴州省質量技術監督局獲悉，貴州省“質量云”自上線4個月來，用戶訪問量已突破50萬次。

據悉，實施“云上貴州”云工程建設是貴州省委省政府的重要部署。2015年， “質量云”被列為貴州2015年新增云應用工程建設。“質量云”建設緊緊圍繞“放、管、服”和“三個提升”的要求，以“云上貴州”大數據平臺為依托，以大數據、云計算、物聯網等新技術為手段，以政府提升決策能力和管理能力，以為民生幸福、經濟發展服務為目標，構建集監管、公眾和企業參與、促進質量和安全共治為一體的信息平臺。

2016年，貴州將進一步完善“質量云”工程建設，推進應用系統遷“云”工作和數據共享開放，努力探索大數據在質量領域的應用，更好地為貴州省質量發展服務。

Hybrid electric vehicle (HEV) has the characteristics of both conventional fuel and electrical vehicles. More efficient usage of electric energy, as well as reducing consumption of traditional fossil fuels, has become the focus of new energy automobile research and development. This paper analyzes the technical features and performance properties of HEV, compares the test methods and standards on energy consumption of HEV both at home and abroad, and discusses some critical issues confronting HEV in energy consumption evaluation, and proposes amendments to the energy consumption evaluation method of HEV for the future national standards.

Hybrid electric vehicle; Energy consumption; Test and evaluation