48 V車型燃料消耗量標準分析及試驗研究*

劉桂彬，劉志超，陸 春，曹冬冬

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

前言

48 V系統的提出主要有兩方面的原因：（1）隨著汽車技術的發展，車用電器數量及功率需求進一步提升，使得原有的12／14 V系統技術水平達到了極限；（2）各國對節能的要求越來越嚴格，我國自2020年起，乘用車燃油消耗量要達到 5.0 L／100 km［1］，這迫使企業在優化產品的同時，必須采取各種節能的技術手段。

與常規的混合動力技術相比，48 V系統的工作電壓很低，能穩定保持在直流36～52 V安全電壓范圍內［2］，距離直流60 V安全電壓的限值還有一定的空間；其次，48 V車型相當于僅在傳統車型上增加一套48 V系統，保留了車輛原有的設計結構，開發周期短、難度小［3］；最后，48 V系統的成本低至高壓混合動力系統的30%，卻可以帶來接近其70%的性能［4］，能夠實現 10%～15%甚至更高的節油率［5］。

本文從48 V系統的工作特點出發，對能耗相關的標準進行了全面的分析，提出了48 V車型的分類建議；選取4款典型車型進行了相關研究，從理論分析和試驗驗證兩個角度評價我國現有48 V系統的節能水平。

1 標準分析

對于48 V車型，目前我國均按照傳統車的型式進行認證，但是從工作特點上來說該車型與混合動力更為相似。因此標準的分析需從傳統車與混合動力車兩條路線進行。

1.1 48 V車型相關的燃料消耗量測試標準

48 V車型在現有的標準體系下進行燃料消耗量的研究時，主要涉及的標準如表1所示。

表1 燃料消耗量測試相關標準

GB 27999—2014是關于企業平均燃料消耗量（CAFC）的總體要求，包含所有的乘用車種類，該標準是對企業輕型乘用車的總體評價。GB／T 19233—2008針對傳統車型，GB／T 19753—2013針對混合動力車型，兩個標準對于燃料消耗量的計算均采取碳平衡法，詳見式（1）。GB 18352.3—2005為傳統車Ⅲ，Ⅳ階段排放標準，是 GB／T 19233—2008和GB／T 19753—2013直接用引的標準，按照其測得的HC，CO和CO2直接支撐上述兩個標準燃料消耗量的計算；GB 18352.5—2013為傳統車第五階段排放標準，標準中規定“對于輕型混合動力電動汽車，相關試驗按GB／T 19755的規定進行［6］”，因此該標準不應用于混合動力電動汽車排放的測試；GB 19755—2016的發布實施代替了GB／T 19755—2005，標準中Ⅰ型試驗的測試流程與GB／T 19753—2013基本一致，相關排放物的測量和計算參照GB 18352執行。

式中：FC為燃料消耗量，L／100 km；i為燃料的碳氫比；D為15℃下燃料的密度，kg／L；HC為HC排放量，g／km；CO為 CO排放量，g／km；CO2為 CO2排放量，g／km。

各標準之間的關系如圖1所示。

圖1 48 V車型燃料消耗量測試的標準路線圖

盡管GB 18352.3—2005是目前輕型車油耗測試的引用標準，但該標準實際上已經廢止。因此對于現有車型，尤其是48 V這種新興車型，應對標相應標準的最新有效版本，即對于排放的測試，傳統車型應按照GB 18352.5—2013執行，混合動力車型應按照GB 19755—2016執行。

1.2 48 V車型分類的建議

48 V車型存在兩種動力裝置，在實際運行過程中電池系統的電量處于動態變化過程中，因此在計算48 V車型的燃料消耗量時，應消除電量變化的影響。若按照傳統車標準GB／T 19233—2008進行測試，試驗結果中沒有考慮電量的變化，通過碳平衡法計算得到的值即為車輛油耗的最終結果，而該結果可能與車輛真實的油耗情況存在著一定的偏差，多次測試的結果可能會存在較大波動，重復性較低。另一方面，若規定48 V車型屬于傳統類別，在此基礎上開展的節能技術需按照GB 27999—2014執行，該標準規定“對采用一種或多種循環外技術／裝置（例如，怠速起停裝置、換擋提醒裝置、高效空調……）的車輛，其車型燃料消耗量可相應減去一定額度，但最多不超過 0.5 L／100 km”［7］，但通過調研了解到，48 V車型搭載的換擋提醒裝置已可實現近0.5 L／100 km的節能水平，隨著技術的進步和其他節能裝置的采用，定會遠大于該限值。綜合來說，這種分類方式既不科學，同時會使得企業對48 V系統和其他節能技術的研發積極性下降。

若規定48 V車型屬于混合動力類別，根據GB／T 19753—2013的相關內容，該車型為不可外接充電的混合動力電動汽車，試驗結果考慮了電量的變化，若超出一定范圍則需要進行多次試驗，通過線性回歸，得到電耗為0時的油耗值，該結果為試驗車輛的綜合油耗情況，具有客觀性。另一方面，歸為混合動力的類別也會使得目前的新興節能技術換擋提醒裝置免除GB 27999—2014中“0.5 L／100 km”的限制，因為GB／T 19753—2013中規定試驗擋位的變化可按照制造廠的說明執行。

在其他領域，目前國際上已有的標準法規，包括ECE R100，EVS-GTR等，均將48 V車型納入到輕型混合動力的范疇進行討論；我國剛剛完成的GB／T 18384.3—2015《電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護》標準有關48 V系統電安全的修改單（國標委2017年第16號公告），同樣是按照該思路進行的相關要求。另外，已發布的 GB／T 19596—2017《電動汽車術語》中，混合動力電動汽車的定義中也涵蓋48 V車型。隨著汽車全球化進程的不斷加深，對于國際上已有的標準和相關技術，應積極地協調并吸收其中適合我國的技術內容；而對于不同的領域，標準對車輛類別的劃分上也應保持一致。基于此建議在開展燃料消耗量的相關研究時，將48 V車型歸為輕型混合動力車型類別，如圖2所示。

圖2 48 V車型分類建議

2 48 V車型燃料消耗量分析

2.1 48 V系統節能性的理論分析

與傳統車型相比，48 V車型在起停階段、行進階段、滑行和制動階段的油耗均有一定的改善。

2.1.1 起停階段

對于傳統汽車，發動機在怠速階段持續運行，此時的油耗高，排放也很惡劣。另外，在實際駕駛過程中，怠速階段的占比也比較高，現有標準采用的NEDC工況怠速比例高達22.6%，因此對該階段進行技術優化可以有效地降低車輛的綜合油耗和排放。

自動起停技術是在原有發動機的基礎上增加了一套具有怠速起停功能的電機系統，使汽車在滿足怠速停車條件時，發動機能夠完全熄滅。當車輛需要起動前進時，電機系統迅速響應起動指令，快速起動發動機［8］，從而大大降低油耗和排放。車輛在擁堵地段或者路口停止行進時，駕駛員踩下制動踏板并停車摘擋，此時起停系統會自動檢測：發動機空轉且沒有掛擋；防鎖定系統的車輪轉速傳感器顯示為零；電子電池傳感器顯示有足夠的能量進行下一次起動。滿足這3個條件后，發動機自動熄滅。當再次踩下離合器時，發動機便會立刻起動。對于自動擋車型，發動機起動的指令為松開制動踏板或者轉動轉向盤。

在發動機持續關閉的過程中，48 V大容量電池利用存儲的能量維持車載電氣的正常運行，因此不會影響車輛空調、音響等設備的使用。

2.1.2 行進階段

在車輛行進過程中，48 V系統可以根據車輛的需求，通過電機轉矩的變化使得發動機工作在相對合理的位置，甚至關閉發動機，從而實現油耗的降低；另一方面，關閉發動機還會減小車輛在行進過程中的拖拽阻力，進一步降低48 V系統的電耗。圖3為某款車型在發動機的各轉速下，動力系統可穩態輸出的轉矩。

圖3 發動機和電機穩態輸出轉矩

由圖3可見，48 V系統在發動機的任一轉速狀態下均能為車輛的行駛提供很大的轉矩支持。在轉速低于2 000 r／min時，電機的可輸出轉矩基本是恒定的，同時也是最大的，這種特性也是基于發動機的油耗特性制定的。發動機的經濟轉速通常在2 000 r／min以上，低轉速下發動機的油耗較大，此時電機輸出轉矩，使發動機盡快達到經濟轉速從而實現油耗降低。轉速高于2 000 r／min時，隨著轉速的進一步增加，電機的可輸出轉矩呈緩慢降低的趨勢，此時的作用主要是為車輛的加速提供助力，以緩解加速導致的油耗增加。

另外，48 V系統還可以在車輛行進的全過程中實現對發動機工作點的調節。圖4為某款車型試驗過程中48 V系統改善發動機工作情況的示例。

圖4 48 V系統對發動機工作情況的改善

車輛在實際行進過程中，對轉矩的需求變化很劇烈，而發動機相對高效的工作區域通常很小。因此，為實現發動機的高效工作，同時保持車輛原有的設計型式，48 V系統是一個很好的選擇。車輛搭載48 V系統后，動力源不再單一，使得控制策略、系統優化等變得更加靈活。由于48 V系統的工作效率受負荷變化的影響遠小于發動機，因此兩種動力系統在聯合作用時，首先要盡可能地使發動機處于較為高效的工作狀態，然后根據車輛的需求，48 V系統給予適當的補充或是回收。圖4中電機工作的前兩個階段，發動機輸出轉矩不足以滿足車輛需求，此時48 V系統消耗能量輸出轉矩；后一個階段，發動機輸出轉矩過剩，但效率更高，因此保持發動機的該工作狀態，而將剩余的能量用于給48 V系統的電池充電。

2.1.3 滑行和制動階段

對于48 V車型，在滑行階段，離合器分離發動機和傳動系統的機械連接，實現發動機的徹底關閉［9］，有效地降低了油耗，同時使得滑行距離更遠。另一方面，滑行階段也存在著一定的能量回收，只是相對較小，這樣可以避免再生制動轉矩過大導致的速度降低太快，致使駕駛員踩加速踏板，得不償失。圖5為滑行和制動階段再生制動的示意圖，能量回收時輸出轉矩為負，因此方向向下。

圖5 再生制動示意圖

由圖5可以看出，在加速踏板松開之后，再生制動開始生效。初始狀態下，制動踏板并未踩下，車輛處于滑行階段，制動能量開始回收但相對較小；當制動踏板踩下時，再生制動充分發揮能量回收的功能，此階段為回收能量的主要來源；制動踏板松開后，若車輛仍處于滑行狀態，再生制動系統依舊生效，回收的能量與之前的滑行狀態相近。當加速踏板踩下時，再生制動系統關閉，能量回收結束。

2.2 48 V車型燃料消耗量的試驗研究

為評價48 V系統的節能效果，本文中選取了4款不同企業的48 V車型進行試驗，各車型動力系統的主要技術參數如表2所示。

表2 試驗車輛動力系統主要技術參數

對每款車型分別進行兩種動力型式的試驗：一種保持兩種動力系統聯合工作，試驗結果即為48 V車型的綜合油耗水平；另一種通過程序設置斷開48 V系統，使車輛僅存在發動機的動力型式，發動機的標定及其他試驗條件保持不變，試驗結果為相對應的傳統車型的油耗水平。兩種試驗的差值即為48 V系統對該款車型的總體油耗改善情況。

根據1.2節的分析，在進行油耗試驗時，48 V車型需按照標準GB／T 19753—2013執行，而傳統車型需按照GB／T 19233—2008執行，試驗主要設備見表3；試驗工況為NEDC；試驗流程如圖6所示。

表3 試驗主要設備

圖6 試驗流程

試驗的規范性直接影響著試驗結果的科學性，因此需要對每次試驗的工況曲線跟蹤情況進行分析。圖7和圖8為其中一次試驗的速度情況。

圖7 試驗速度對NEDC的跟蹤

由圖7可以看出，試驗速度能夠很好地跟蹤NEDC目標速度。通過圖8的進一步分析可以得出，兩者總體的速度點基本一一對應，僅有極個別點存在相對較大的出入，但是對于整個循環1 180個速度點來說可以忽略不計。對試驗速度與NEDC目標速度進行線性相關性分析，可以得出兩者的線性關系，如式（2）所示。

式中：v為試驗速度，km／h；v0為 NEDC目標速度，km／h。

圖8 試驗車速與NEDC的線性相關性

可以看出，式（2）的截距趨近于0，斜率趨近于1，說明兩者的關系近似于v≈v0；另一方面，兩者的線性相關系數R2為0.980 95，這表示所有速度點的綜合誤差很小。通過這兩方面的分析可以得出：該試驗能夠很好地反映車輛在NEDC循環下的油耗情況。

其他7次試驗也采取了上述相同的方法進行分析，結果表明各試驗均能很好地跟蹤NEDC目標車速。

傳統車的試驗結果即為最終的油耗水平；而對于48 V車型的試驗結果，需按照GB／T 19753—2013的要求，根據電能平衡值與燃料消耗能量的比值確定48 V車型的綜合油耗情況，相關的計算方法如式（3）～式（5）所示。

式中：ΔEbatt為電能平衡值，MJ；Q為電量平衡值，A·h；U為48 V電池額定電壓，V。

式中I為儲能裝置母線電流，A。

式中：NIT為燃料消耗能量，MJ；C為燃料消耗量，L；q為燃料低熱值，MJ／kg。

綜合油耗的修正原則如下。

（1）若 ΔEbatt／NIT≤1%，無需修正，測量結果即為最終結果，計算方法見式（1）。

（2）若1%＜ΔEbatt／NIT≤5%，測量結果需要通過線性回歸進行修正，計算方法如式（6）所示。

式中：FC0為修正后的燃料消耗量，L／100 km；Kfuel為制造廠提供的修正系數，（L／100 km）／（A·h）。

（3）若電池在每一個測試循環都處于放電的狀態，且 ΔEbatt／NIT＞5%，試驗無效。

需要說明的是，GB／T 19753—2013中提到的這3點理論上并沒有涵蓋所有的情況，“電池在每一個測試循環都處于充電的狀態，且 ΔEbatt／NIT＞5%”沒有在標準中提及，而這在實際過程中也不會出現，因為持續充電的結果會使燃料消耗量不降反增，不利于生產企業的能耗排放評估。

根據以上分析，對48 V車型的試驗結果按照標準的要求進行線性回歸判定和處理，得到各車型的綜合油耗情況，如表4所示。

表4 4款車型的油耗結果

將表4進行整理，可以更加直觀地看出48 V系統的節能效果，如圖9所示。

圖9 48 V系統的節能性分析

由表4和圖9可知，在各企業提供的車型中，48 V車型較傳統車型的油耗均有一定程度的降低，降低水平在0.40～0.64 L／100 km范圍內，相應的降低程度為5.26%～7.98%。取4款車型試驗結果的平均值對48 V系統的節能性進行評價，可以得到48 V系統可使油耗降低0.47 L／100 km，相當于節油6.48%，節能效果顯著。

結合表2還可以得出：增壓車型搭載48 V系統后節油效果更好；48 V系統對油耗的降低程度有限，因此小排量發動機的節油率可能會更具優勢。

3 結論

本文中對48 V車型的燃料消耗量進行了系統的研究，通過標準法規的分析和試驗結果的對比，得出了以下結論。

（1）無論是從標準的適用性還是從國內外標準法規的協調性，48 V車型均宜劃分為混合動力類別。在混合動力的標準體系下對48 V車型進行能耗評價一方面會更加科學，同時會促進行業對48 V車型的研發力度，有助于實現進一步的節能減排。

（2）48 V系統在車輛的起停階段、行進階段、滑行和制動階段均有很好的節油效果。由于不可外接充電，48 V系統的能量全部來源于車輛本身，因此評價48 V車型的能耗水平時僅需考察油耗指標。

（3）48 V車型較傳統車型油耗有顯著的降低，綜合本文中4款車型的試驗結果可以得出：在我國現有的技術條件下，48 V系統可實現油耗降低0.47 L／100 km，相當于總燃料消耗量的6.48%。48 V系統在搭載增壓、小排量發動機的車型上可實現更高的節油率。