環境溫度對混合動力汽車實際道路行駛油耗的影響研究

鄭思凱 閆峰 劉樂 李飛 楚成歡

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300000）

1 前言

混合動力汽車的續駛里程和動力性與傳統燃油汽車相當，與傳統燃油汽車相比，混合動力汽車能夠提高燃油經濟性并降低CO2排放量[1]。目前，混合動力汽車的油耗及CO2排放量通過試驗室全球統一輕型車輛測試循環（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）測得，其試驗環境溫度為(23±2)℃，對消費者實際使用的環境溫度和工況覆蓋有限。相關研究表明，混合動力汽車因具有油箱、電池2 個能量源，行駛工況對其油耗的影響尤為突出[2]。而溫度是電池容量的重要影響因素[3]，故對混合動力汽車進行不同環境溫度下的實際道路行駛測試，分析其真實油耗及CO2排放量具有重要意義。

本文擬采用國家第六階段機動車污染物排放標準中給出的Ⅱ型試驗測試方法對不同混動形式的輕型車進行不同環境溫度下的實際道路行駛油耗測試，獲得其在實際使用條件下的真實油耗水平并分析其油耗隨環境溫度的變化趨勢。

2 試驗方案

2.1 試驗車輛

本研究選取4臺不同形式的輕型混合動力汽車開展實際道路行駛油耗測試，車型覆蓋插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、增程式混合動力汽車和不可外部充電式混合動力汽車（NotOff-VehicleChargingHybridElectricVehicle，NOVC-HEV）。試驗車輛均已完成磨合，機械狀況良好，車輛主要技術參數如表1所示。

表1 試驗車輛主要技術參數

2.2 試驗設備

本文選用的試驗設備信息如表2 所示，設備均按時進行保養和校準，準確度良好，同一車輛選取同一套便攜式排放測試系統（Portable Emission Measurement System，PEMS）開展各次試驗，以降低試驗設備對試驗結果的影響。

表2 試驗設備信息

2.3 試驗路線

試驗路線參考國家第六階段機動車污染物排放標準Ⅱ型試驗相關要求選取[4]，如圖1所示。

圖1 試驗路線示意

試驗應在平坦的鋪裝道路上按照市區、市郊、高速公路的順序開展，且道路交通秩序良好，并避開學校、醫院等人流密集地段，以保障試驗安全。本研究所選用試驗路線均位于天津市東麗區，試驗路線車流量較小，便于模擬各種駕駛工況，使各次試驗駕駛行為和工況具有較好的一致性，從而減少其他因素對油耗結果的影響。所選取試驗路線各階段里程份額如表3所示。

表3 市區、市郊和高速公路階段里程份額

3 試驗開展

3.1 WLTC油耗測試

在試驗室條件下，按照GB/T 19753—2021[5]中所規定的試驗方法對各試驗車輛進行電量保持模式下WLTC 工況油耗測試，測試結果如表4所示。

表4 WLTC工況油耗結果

3.2 實際道路行駛油耗測試

參照國家第六階段機動車污染物排放標準Ⅱ型試驗相關要求，在不同的環境溫度下進行多次實際道路行駛油耗測試。參考天津市歷年日間環境溫度[6]，分別在[0,10]℃、(10,20]℃、(20,30]℃、(30,35]℃4種常見溫度區間內開展測試。測試燃油選用95號國六基準燃油，完成燃油加注和PEMS 設備安裝后，于測試前對試驗車輛（含駕駛員和試驗員各1名）進行稱重，各次試驗質量的結果最大差值應小于20 kg，并檢查胎壓與WLTC 工況油耗測試要求一致，以盡量減少其他因素對試驗車輛油耗的影響[7]。

針對同一試驗車輛，應采用同一套PEMS 設備和同一駕駛員進行不同溫度下的各次實際道路測試。各次測試應在同一試驗路線上進行，市區段模擬停車次數和地點應保持一致。駕駛員應盡量減少各次試驗行程動力學參數(v·apos)-[95]和相對正向加速度（Relative Positive Acceleration，RPA）差異，從而削弱人為因素對試驗車輛油耗的影響。其中(v·apos)-[95]為車速與大于0.1 m/s2的正加速度乘積從小到大排列的第95 百分位所對應數值，用來限制駕駛過于激烈的情況，相對正加速度為某階段所有v·apos之和與該階段行程距離的商，用來限制駕駛過于平緩的情況[4]。試驗過程中各項參數如表5 所示。

表5 各次試驗相關參數

4 測試結果分析

4.1 油耗計算方法

本文所用PEMS 設備采用碳平衡法進行油耗計算。由于燃燒產物中CO2、CO和THC中碳元素均來自汽油，根據質量守恒原理，可根據尾氣中CO2、CO、THC的含量以及汽油密度和碳含量計算燃油消耗量[8]：

式中，FC為燃料消耗量；M(HC)、M(CO)、M(CO2)分別為測得的HC、CO、CO2排放量；D為15 ℃下試驗燃料密度。

同理，瞬時燃料消耗量也可根據碳平衡法進行計算：

式中，FR為瞬時燃料消耗量。

4.2 油耗分析

考慮到安全因素，本研究所用PEMS 設備均未配備THC 分析單元，無法對THC 進行采樣分析。由于THC 排放量通常僅為CO2排放量的0.1%～0.2%，在油耗計算中影響甚微[9]，故本文在計算中將THC排放量設置為0，僅根據測得的CO2和CO 排放量計算油耗。

根據油品報告，本文所用95 號燃油的密度為0.756 kg/L。根據式（1）對各試驗車輛不同溫度下實際道路行駛試驗進行油耗計算。

各車輛在4種常見溫度區間的實際道路行駛油耗計算結果如表6所示。

表6 各次試驗油耗計算結果 L

分析發現，在(10,30]℃溫度區間，除NOVCHEV車型實際行駛油耗與試驗室WLTC循環油耗基本一致外，PHEV和增程式混合動力汽車實際行駛油耗均高于試驗室測試結果。主要原因包括：一是試驗室WLTC 工況為固定工況，便于企業進行針對性標定以獲得優秀的油耗結果，而實際道路行駛為隨機工況，企業無法進行針對性標定，故油耗結果存在一定差異；二是本文選用PHEV和增程式混合動力汽車車型均為SUV，迎風面積較大，較易受到風阻影響，試驗室測試時采用鼓風機模擬風阻，與實際道路行駛風阻存在較大差異，從而影響油耗結果。而在[0,10]℃及(30,35]℃溫度區間，各車型油耗結果相對于(10,30]℃溫度區間均出現不同程度上升。

4.3 油耗影響因素分析

表7所示為各次試驗各階段里程及行程動力學參數，可以看出各試驗車各階段里程最大差異僅為3.4%，(v·apos)-[95]最大差異為7.6%，RPA 最大差異為9.3%，各次試驗駕駛路線及駕駛風格一致性較好，大幅減少了道路交通及駕駛員因素對實際道路行駛油耗測試結果的影響，故考慮各次試驗油耗結果差異主要由溫度及正常行駛中的其他行為導致。

表7 各次試驗里程及行程動力學參數

通過對各次試驗行程分析發現，在[0,10]℃溫度區間下，車輛純電行駛里程均出現較大幅度縮減，除車輛D 外，均達到各溫度段最低水平。對于車輛D，其純電行駛里程比例相比中位數28.4%縮減了38.5%，并與出現最低值的試驗D4結果基本一致，說明電池效能在低溫條件下出現了明顯縮減。在(30,35]℃高溫區間下，由于正常使用開啟空調制冷，增大了發動機負荷，需要發動機更頻繁地起動工作，故各車輛純電行駛里程比例相比各次試驗的中位數也出現了不同程度下降。各次試驗純電行駛里程比例如表8所示。

表8 各次試驗各車輛純電行駛里程比例 %

如圖2所示，除車輛C由于純電行駛里程過短未發現純電里程比例與油耗之間的明顯關系外，車輛A、車輛B、車輛D的油耗均與純電行駛里程比例呈反比關系，說明低溫條件下電池效能縮減，從而造成了各車輛均在[0,10]℃溫度區間出現了明顯的油耗升高。同時，由于高溫環境下空調的使用增加了發動機負荷，使得發動機頻繁起動，純電行駛里程比例降低，車輛油耗在(30,35]℃高溫區間下也出現了一定程度提高。

圖2 各車輛各次試驗油耗及純電里程比例變化趨勢

圖3 所示為車輛C 在不同溫度下某段相同行程4 次試驗的瞬時油耗曲線，其瞬時油耗結果根據式（2）計算。車輛C 在4 次試驗的此段行程中，發動機始終保持起動狀態。圖中①～③為此段行程中3 次從停車狀態起動的時間點，各次試驗均基本遵循了此規律。從圖3 中可以看出，試驗C1 及試驗C4 在3個加速點的瞬時油耗峰值明顯高于其他2 次試驗，說明在同樣的駕駛行為下，[0,10]℃及(30,35]℃溫度區間發動機負荷更大，需要更高的油耗來滿足相同的駕駛需求。

圖3 車輛C瞬時油耗曲線

綜上，混合動力汽車油耗最主要的影響因素是環境溫度。低溫環境會降低車輛的純電續航能力，更多地使用發動機驅動，從而增加了油耗，同時，在低溫環境下，為保證車輛各部件維持在正常工作溫度，發動機需要額外增加工作負荷，2 種因素綜合導致低溫條件下車輛油耗大幅增加。高溫環境下，空調等用電器的長時間使用降低了電池續航能力，增大了發動機負荷，從而導致油耗出現一定幅度提高。

5 結束語

常溫環境下（(10,30]℃），NOVC-HEV 車型在實際道路行駛時的油耗結果與試驗室油耗測試結果基本一致，而PHEV 和增程式混合動力車型在實際道路行駛時的油耗結果明顯高于試驗室油耗測試結果，說明試驗室油耗測試并不能準確反映插電式混合動力汽車和增程式混合動力汽車在實際使用過程中的油耗水平。

環境溫度是混合動力汽車油耗的重要影響因素。低溫環境下混合動力汽車油耗會明顯提高，這是由于低溫環境會降低車輛的純電續航能力，同時發動機在低溫環境下工作負荷增大，2 種因素綜合作用導致低溫時車輛油耗大幅增加。高溫環境下，空調等用電器的長時間使用降低了電池續航能力，增大了發動機負荷，故混合動力汽車油耗也會出現一定程度提高。

綜上所述，高、低溫環境下混合動力汽車油耗明顯上升，勢必造成CO2排放量增加。故針對不同溫度下的混合動力汽車油耗開展進一步測試，補充混合動力汽車高、低溫條件下的油耗及CO2排放測試是有必要的。