文/王佳怡 陸文斌

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要由傳統(tǒng)汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)組成。這種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的組合，極大程度地降低燃油消耗和排放水平。目前，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車已經(jīng)進(jìn)入了量產(chǎn)階段，相關(guān)的國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有：國(guó)際的ISO 23274:2007《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車污染物排放和燃料消耗測(cè)試（不可外接充電）》和SAE 1711:2010《混合動(dòng)力汽車排放和燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)方法》等；國(guó)內(nèi)的GB/T 19753－2005《輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》和GB/T 19754－2005《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》等。

目前，國(guó)內(nèi)外尚未出臺(tái)有關(guān)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。本文在對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的混合動(dòng)力整車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出一種混合動(dòng)力系統(tǒng)能耗的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法。

一、混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性檢測(cè)方法

基于自行設(shè)計(jì)的適合上海地區(qū)路況和工況條件，在臺(tái)架上模擬道路循環(huán)工況。通過(guò)測(cè)量燃油消耗和凈電量消耗，并通過(guò)折算，將凈電量消耗轉(zhuǎn)換為燃油消耗，計(jì)算得出總?cè)加拖牧?，從而?duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

儀器精度要求：試驗(yàn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)扭矩與規(guī)定扭矩誤差±3 Nm，試驗(yàn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與規(guī)定轉(zhuǎn)速誤差±5 r/min，油耗儀測(cè)量值不超過(guò)實(shí)測(cè)油耗值的±2%，溫度測(cè)量值±1℃，電壓測(cè)量值±0.5%，電流測(cè)量值±0.5%，時(shí)間測(cè)量值±0.15%。

根據(jù)如下適合上海市區(qū)的臺(tái)架試驗(yàn)工況圖（包括上海市郊區(qū)工況圖1和圖2，和市區(qū)工況圖3和圖4）測(cè)試混合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，在測(cè)功機(jī)上主要根據(jù)試驗(yàn)循環(huán)工況的扭矩圖來(lái)控制混合動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)載，混合動(dòng)力系統(tǒng)的被測(cè)樣品主要以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制模式。

圖1 上海市郊區(qū)工況臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速圖

圖2 上海市郊區(qū)工況臺(tái)架試驗(yàn)扭矩圖

圖3 上海市區(qū)工況臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速圖

圖4 上海市區(qū)工況臺(tái)架試驗(yàn)扭矩圖

具體試驗(yàn)步驟如下：

檢查混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、蓄電池、油耗儀和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備等是否正常，確認(rèn)混合動(dòng)力系統(tǒng)和臺(tái)架測(cè)試設(shè)備正常方可進(jìn)行試驗(yàn)。

進(jìn)行啟動(dòng)預(yù)熱，將混合動(dòng)力系統(tǒng)加載至標(biāo)定工況，即功率和轉(zhuǎn)速都到標(biāo)定值，然后穩(wěn)定運(yùn)行5 min左右。

啟動(dòng)預(yù)熱后即可開(kāi)始按照上海市區(qū)的臺(tái)架試驗(yàn)工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)功機(jī)的負(fù)荷由相應(yīng)的扭矩圖控制，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則按照相應(yīng)的轉(zhuǎn)速圖控制，完成整個(gè)上海市區(qū)的臺(tái)架試驗(yàn)工況循環(huán)。

臺(tái)架試驗(yàn)工況循環(huán)過(guò)程中同時(shí)記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、耗油量和蓄電池的電流、電壓和荷電狀態(tài)（SOC）變化值。注意測(cè)定每一工況下各參數(shù)時(shí)，必須使發(fā)動(dòng)機(jī)在此工況下穩(wěn)定運(yùn)行，以防測(cè)錄數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。測(cè)油耗時(shí)間必須測(cè)錄兩次以上，并取平均值。

數(shù)據(jù)處理：根據(jù)上述臺(tái)架試驗(yàn)工況循環(huán)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并計(jì)算混合動(dòng)力系統(tǒng)總油耗和耗油率。

二、混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法

對(duì)于混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不能簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗的燃料總量視為車輛在此過(guò)程中的油耗。因?yàn)椴糠秩加拖氖菫榱私o電力輔助裝置充電，如果在計(jì)算混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）整車能耗時(shí)既把這部分油耗算在燃料消耗中，又把其轉(zhuǎn)化成的電能算在電耗中就會(huì)造成能量的重復(fù)計(jì)算。為了避免此種現(xiàn)象，本文利用NEC（凈電量變化）計(jì)算方法和油電轉(zhuǎn)化法將油耗數(shù)據(jù)與能耗數(shù)據(jù)兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。

在上述混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性檢測(cè)試驗(yàn)完畢后，應(yīng)用NEC計(jì)算方法計(jì)算出可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（RESS）的凈電量，然后結(jié)合RESS的NEC（即能耗量）和發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量，利用油電轉(zhuǎn)換法就可以計(jì)算出混合動(dòng)力系統(tǒng)的能耗指標(biāo)，從而可以合理有效地評(píng)價(jià)混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。

1.NEC的計(jì)算方法

①NEC計(jì)算必須在試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)蓄電池能源存貯系統(tǒng)RESS的能量變化。

式中：NEC——試驗(yàn)過(guò)程中的蓄電池電能凈變化量，放電取正充電取負(fù)，kWh；

I——?jiǎng)恿π铍姵乜偩€輸入或輸出的電流，A；

U——?jiǎng)恿π铍姵貎啥说碾妷?，V；

t——時(shí)間，s。

②電量變化量和燃料消耗量的換算關(guān)系

式中：Dfuel——燃料密度，g/cm2；

Qfuel-low——燃料燃燒的低熱值，J/g；

ηeng——發(fā)電工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均工作效率；

ηgen——發(fā)電工況下，發(fā)電機(jī)的平均工作效率；

△Vfuel——?jiǎng)恿π铍姵氐刃У娜剂舷牧?，L。

③混合動(dòng)力系統(tǒng)總耗油量

式中：Veng——混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗量，L；

Vw——混合動(dòng)力系統(tǒng)總體等效的燃料消耗量，L。

④混合動(dòng)力系統(tǒng)耗油率計(jì)算

測(cè)量總耗油量所花費(fèi)的時(shí)間，然后按照下式計(jì)算

式中：m——混合動(dòng)力系統(tǒng)總體等效消耗的燃料質(zhì)量，g；

t——混合動(dòng)力系統(tǒng)消耗等效消耗的燃料質(zhì)量m所需的時(shí)間，s；

B——混合動(dòng)力系統(tǒng)每小時(shí)耗油量（kg/h）；

bhe——混合動(dòng)力系統(tǒng)耗油率，g/kWh；

Pe——混合動(dòng)力系統(tǒng)凈功率，kW。

此方法基于能量守恒定律，將RESS的能耗和發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗同樣看作是混合動(dòng)力系統(tǒng)能量的消耗，在電機(jī)充電狀態(tài)下，混合動(dòng)力系統(tǒng)將燃料的部分化學(xué)能通過(guò)燃燒和各級(jí)的能量轉(zhuǎn)化變?yōu)镽ESS的能量存儲(chǔ)。油電換算過(guò)程主要考慮能量轉(zhuǎn)換裝置發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作效率，并利用燃料燃燒的低熱值統(tǒng)一能量單位，當(dāng)根據(jù)油電換算方法得出混合動(dòng)力系統(tǒng)中RESS的SOC變化量即電量消耗為負(fù)值，則修正油耗比實(shí)測(cè)的油耗低，這是因?yàn)橛秃亩喑霾糠钟糜趯?duì)RESS的充電，故評(píng)價(jià)整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的能耗時(shí)不應(yīng)計(jì)算在內(nèi)，如果動(dòng)力蓄電池放電則電量消耗量為正值，則修正油耗比實(shí)測(cè)的油耗高，消耗的電量用于給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電做功為能量消耗，這部分為燃料燃燒轉(zhuǎn)化而來(lái)，最后通過(guò)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一油耗以便合理有效地評(píng)價(jià)混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

三、混合動(dòng)力系統(tǒng)樣品測(cè)試結(jié)果分析

表1為同一型號(hào)混合動(dòng)力系統(tǒng)3次獨(dú)立試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，由于每次試驗(yàn)前RESS的初始SOC值不同，使得每次試驗(yàn)測(cè)得的油耗和凈電量的數(shù)值也不同，轉(zhuǎn)換成總油耗的3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.181，檢測(cè)結(jié)果的一致性滿意，可見(jiàn)本試驗(yàn)方法能夠有效地檢測(cè)和評(píng)價(jià)混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

表1 某重型混合動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

四、結(jié)語(yǔ)

基于現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)法規(guī)和臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)的分析研究，提出的一種混合動(dòng)力系統(tǒng)的臺(tái)架檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法，可以有效地將發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量和RESS的能耗統(tǒng)一起來(lái)，可操作性較強(qiáng)。利用該方法不僅可評(píng)價(jià)不同混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，也可驗(yàn)證評(píng)價(jià)不同控制策略下同一混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并能分析評(píng)價(jià)同一混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配不同RESS下對(duì)整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，希望能為混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法的建立提供借鑒。