張龍平 宮寶利，3 馬 毅 徐劃龍 伍晨波 劉永剛

（1-中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 401122 2-重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實驗室 3-中南大學(xué)軌道安全教育部重點(diǎn)實驗室）

引言

混合動力汽車由于兼具純電動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車的優(yōu)點(diǎn)，得到了大力發(fā)展[1-2]?！豆?jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》指出，到2035 年，我國的汽車將全面實現(xiàn)新能源化和混合動力化（各50%占比），充分挖掘商用車節(jié)能和混合動力技術(shù)的潛力[3]。

目前，對重型混合動力汽車的研究主要包括能量管理、控制策略、構(gòu)型研究以及參數(shù)匹配等方面[4-5]。在混合動力汽車測試評價方面，由于混合動力汽車使用了多能源動力耦合技術(shù)，傳統(tǒng)燃油汽車的測量工況和方法可能無法準(zhǔn)確評判混合動力汽車的污染物排放狀況[6-7]；由于插電式混合動力（PHEV）城市客車可能存在不能及時充電的情況，因此，電池的SOC高低對車輛實際運(yùn)行過程中能耗和排放的影響鮮有報道。為了探究電池的SOC 對PHEV 城市客車能耗和排放的影響，同時為PHEV 城市客車后續(xù)制訂有效的污染物排放測量方法和標(biāo)準(zhǔn)提供參考，本文對PHEV 城市客車在不同SOC 狀態(tài)下的能耗和排放進(jìn)行了實際道路試驗研究。

1 試驗方案

本文選取一輛PHEV 城市客車，在高、低SOC狀態(tài)下，利用PEMS 設(shè)備在重慶市內(nèi)進(jìn)行了實際道路能耗與排放測試，試驗用車信息如表1 所示。

表1 PHEV 城市客車實際道路測試用車信息

本試驗的PHEV 城市客車實際道路能耗和排放測試設(shè)備安裝示意圖如圖1 所示，流量計和采樣管都安裝在汽車排氣管上，采樣后的尾氣輸入到氣體分析儀中，分析計算出污染物排放結(jié)果；在SCR 系統(tǒng)后端安裝有溫度傳感器，用于監(jiān)測排氣溫度；GPS 收集車輛的位置信息以及車速；氣象站采集環(huán)境溫度、濕度；通過車輛OBD 接口采集ECU 的相關(guān)數(shù)據(jù)（如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、燃油流量、空氣流量等）。所有數(shù)據(jù)由氣體分析儀匯總，傳輸至筆記本電腦。

圖1 PHEV 城市客車實際道路能耗與排放測試設(shè)備安裝示意圖

試驗在重慶市綦江縣進(jìn)行，選定路線包括國道和城市道路，行駛里程在25 km 左右。為了保證數(shù)據(jù)的一致性和可對比性，盡量消除駕駛風(fēng)格的影響，所有測試的駕駛員為同一位駕駛員。

2 結(jié)果分析

2.1 高、低SOC 狀態(tài)下車輛能耗特征分析

車輛在高、低SOC 狀態(tài)下的對比測試結(jié)果如圖2 所示，車輛在SOC 為58%時開始試驗標(biāo)記為“高SOC”，車輛在SOC 為33%時開始試驗標(biāo)記為“低SOC”，高、低SOC 狀態(tài)的測試?yán)锍谭謩e為24.6 km、24.7 km。

圖2 車輛高、低SOC 狀態(tài)的能耗測試結(jié)果

從圖2 可以看出，車輛在低SOC 狀態(tài)下，起動后立即進(jìn)入充電狀態(tài)，SOC、累計功（整個試驗過程所消耗的有用功）及累計燃油消耗量均快速增加。車輛在高SOC 狀態(tài)下，SOC 有些波動，但變化不大，累計功及累計燃油消耗量均快速增加。當(dāng)SOC 上升到58%之后，2 種SOC 狀態(tài)下的SOC 變化基本一致，累計功及累計燃油消耗量的變化幾乎平行。整體而言，低SOC 狀態(tài)下的累計功和累計燃油消耗量相對較大。

圖3 為車輛在高、低SOC 狀態(tài)下的綜合油耗、純電動行駛里程比例（UF）等測試結(jié)果對比。

從圖3 可以看出，與高SOC 狀態(tài)相比，低SOC狀態(tài)下，車輛的綜合油耗和累計功分別增加24.1%和24.3%，發(fā)動機(jī)運(yùn)行模式下的油耗增加20.3%，UF下降3.9%。

圖3 車輛SOC 狀態(tài)對能耗的影響

2次測試中，累計功和綜合油耗出現(xiàn)差異主要是由于車輛在低SOC 狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)需要及時給電池充電，把電池電量快速補(bǔ)充到合理的SOC 范圍內(nèi)，因此累計功和綜合油耗增加。低SOC 狀態(tài)下，由于電池開啟階段電量少，因此純電動行駛的里程下降，UF降低。在高、低SOC 狀態(tài)下，車輛的綜合油耗分別比油耗限值低7.25 L/100 km、2.86 L/100 km。

車輛在不同SOC 狀態(tài)下車速、加速度以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對瞬時油耗的影響如圖4 所示，發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況對比見圖5。

圖4 不同SOC 狀態(tài)下車速、加速度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對瞬時油耗的影響

從圖4 可以看出，高、低SOC 狀態(tài)下，車輛的瞬時油耗較高的區(qū)域主要分布在車速為20～60 km/h、加速度為-0.5～0.5 m/s2、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200～1 600 r/min區(qū)域，且集中度較高的區(qū)域是車速為30～50 km/h、加速度為0～0.5 m/s2、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400～1 600 r/min。這些區(qū)域主要為城市公交車行駛工況（見圖5），車速較低，起動頻繁，在之后的標(biāo)準(zhǔn)和測試循環(huán)制定時可作為參考。

圖5 車輛在不同SOC 狀態(tài)下發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況統(tǒng)計

車速為20 km/h 以下瞬時油耗較低，原因是該車速區(qū)域車輛主要使用純電動行駛。

2.2 高、低SOC 狀態(tài)下車輛排放特征分析

高、低SOC 狀態(tài)下NOx和CO 排放結(jié)果如圖6所示。

圖6 車輛在高、低SOC 狀態(tài)下的排放測試結(jié)果

從圖6 可以看出，2 種SOC 狀態(tài)下的CO 累計排放相差不大。試驗開始時，低SOC 狀態(tài)下的NOx累計排放略高于高SOC 狀態(tài)；在400 s 之后，低SOC狀態(tài)下的NOx累計排放基本趨于平穩(wěn)，高SOC 狀態(tài)下的NOx累計排放繼續(xù)增加，在接近500 s 時才趨于平緩；最終，低SOC 狀態(tài)下的NOx累計排放低于高SOC 狀態(tài)。低SOC 狀態(tài)下，雖然累計燃油消耗量更大（見圖2），但NOx累計排放更低且更早趨于平穩(wěn)。這是由于在低SOC 狀態(tài)下，車輛在起動后發(fā)動機(jī)會快速進(jìn)入較大負(fù)荷工況區(qū)間工作，以便為電池充電，排氣溫度比高SOC 狀態(tài)升高快，從而使SCR 盡早進(jìn)入高效轉(zhuǎn)化區(qū)，因此NOx累計排放更低且更早趨于平穩(wěn)。

圖7 為高、低SOC 狀態(tài)下車輛平均排放的相關(guān)參數(shù)。

圖7 高、低SOC 狀態(tài)下車輛平均排放的相關(guān)參數(shù)

從圖7 可以看出，與高SOC 狀態(tài)相比，低SOC狀態(tài)下，CO 和NOx比排放分別降低了18.9%和45.1%。

低SOC 狀態(tài)下，CO 比排放下降的原因是低SOC 狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)平均起動次數(shù)比高SOC 狀態(tài)少0.63 次/km（全里程少起動15 次）。為了快速起動，在起動過程中，發(fā)動機(jī)需要加濃混合氣，而混合氣加濃是CO 排放升高的重要原因[8]。

對同一車輛，由于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和SCR 后處理系統(tǒng)是相同的，因此在相同的發(fā)動機(jī)工況下，NOx的原始排放是一致的。如果排氣溫度升高，會使NOx排放降低。因為，排氣溫度升高有利于提高SCR 對NOx的轉(zhuǎn)化效率[9]。低SOC 狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)的平均排氣溫度比高SOC 狀態(tài)高14.3℃。因此，低SOC 狀態(tài)下的NOx比排放比高SOC 狀態(tài)低。

不同SOC 狀態(tài)下車速、加速度以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對NOx和CO 排放的影響如圖8 所示。

從圖8 可以看出，NOx和CO 排放較高的區(qū)域與圖4 所示的高能耗分布區(qū)域基本一致，主要集中在車速為20～50 km/h、加速度為0～0.5 m/s2、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400～1 600 r/min 區(qū)域。車速為20 km/h 以下NOx和CO 排放較低，與能耗情況基本一致。

圖8 高、低SOC 狀態(tài)下車速、加速度以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對NOx 和CO 排放的影響

3 結(jié)論

通過對PHEV 城市客車進(jìn)行實際道路試驗及分析，得到如下結(jié)論：

1）油耗方面，在低SOC 狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)會立即給電池充電，需要發(fā)動機(jī)耗費(fèi)額外的能量。相比于低SOC狀態(tài)，高SOC 狀態(tài)下，車輛的綜合油耗下降24.1%。

2）CO 排放方面，低SOC 狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)的起動次數(shù)比高SOC 狀態(tài)少0.63 次/km，CO 比排放降低18.9%。

3）NOx排放方面，低SOC 狀態(tài)下，平均排氣溫度比高SOC 狀態(tài)高14.3 ℃，NOx比排放降低45.1%。

4）PHEV 城市客車由于有電機(jī)驅(qū)動，車速在20 km/h 以內(nèi)，油耗和排放都較低。高油耗和高排放區(qū)域主要分布在車速為20～60 km/h、加速度為-0.5～0.5 m/s2區(qū)域，即在這段車速區(qū)間內(nèi)急加/減速的開始階段。建議在對PHEV 城市客車排放進(jìn)行檢測時，著重考察這個車速和加減速區(qū)間的排放水平。