混合动力电动汽车能量消耗测试和评价方法探讨

文/谢 欢

【机动车专栏】

混合动力电动汽车能量消耗测试和评价方法探讨

文/谢 欢

混合动力电动汽车（HEV）因需兼具传统燃油汽车和电动汽车的特点，如何能够更充分地利用电能，减少传统石化燃料消耗，是新能源汽车中的一个研发热点。本文分析了HEV技术特点和工作特性，对比研究了国内外针对HEV能量消耗试验方法和标准，对HEV能量消耗评价面临的关键问题进行了讨论， 并对今后国家标准中HEV能量消耗评价方法提出了修改建议。

HEV 能量消耗 测试和评价

混合动力电动汽车（HEV）相对于传统燃油汽车和纯电动汽车其工作机制更为复杂，且即使用燃料也消耗电能，如何合理地对HEV的能量消耗进行测试和评价，真实反映HEV的实际能量消耗，一直是一项复杂的工作，特别是对于可外接充电HEV，其可直接连接到电网上给电池充电，具备纯电动行驶模式，工作模式更为多样。国内外也先后制订了HEV能量消耗率的试验标准。本文从HEV原理和工作特性出发，着重分析了HEV能量消耗的测试和评价方法。

一、HEV工作特性

HEV可分为不可外接充电HEV和可外接充电HEV。

不可外接充电HEV的驱动能量最终来源，实际上只有发动机燃料一个。无论是制动能量回收，还是电池为驱动车辆所提供的能量，归根结底都来自于发动机的动力输出。只是利用电池充放电对发动机工作状态进行优化，以实现动力系统的较高效率和较低的废气排放。可外接充电HEV（见图1），其车辆系统的功能结构介于传统混合动力和纯电动之间，兼备燃料发动机和可充放的电力储能装置。同时，还与纯电动一样，直接连接到电网上给电池充电，故其驱动能量来源既有发动机燃料也有电网电能。

图 1 可外接充电HEV工作模式

对于不可外接充电的HEV，其运行模式以电量维持（CS）模式为主；对可外接充电HEV，在充电后先以电量消耗（CD）模式运行。当荷电状态达到最低水平时，如果没有及时充电，此时车辆以CS模式运行。

不可外接充电HEV的可充电储能系统（RESS）没有外接充电能力，只能在车辆运行发动机工作的过程中，由发动机或刹车制动过程来给RESS充电，因此，这类车能量管理策略的目标一般是储能装置的能量保持在一定范围内。

可外接充电HEV的RESS可以连接到车外电源进行充电。因此，在车辆运行过程中，能量管理策略通常是将电能消耗最大化，而尽量减少发动机燃料的使用，达到最大程度减少燃油消耗和污染排放的目的。当电量消耗到一定程度，车辆的荷电状态会维持在某一水平，直到对车辆进行充电。

从图 1的可外接充电HEV运行模式中可以看出，电池充满电或处于较高荷电水平（SOC）的状态下，可外接充电HEV一般运行于纯电动模式或者电量消耗模式，电池电量下降较快；当SOC下降到允许下限时，可外接充电HEV进入电量维持模式运行，电池SOC在这种运行模式下波动很小，总体维持平衡。某些可外接充电HEV可能还具备纯发动机运行模式， 即电池电量消耗到允许下限值后停止工作， 只由发动机单独驱动。

二、不可外接充电HEV能耗测试评价

不可外接充电HEV的RESS没有外接充电能力，所有的能量均来自于燃料。但不能简单地将传统发动机所消耗的燃料总量视为车辆的能耗。因为，部分燃油消耗是为了给电力辅助装置充电。如果在计算HEV能耗时，既把这部分油耗算在燃料消耗中，又把其转化成的电能算在电耗中，就会造成能量的重复计算。为了避免此种现象，应测量净电量变化（NEC），并将NEC等效折算成油耗，对油耗进行修正。

目前，各国标准法规中采用两种方法可对NEC进行折算：效率折算法和线性回归校正法。

1. 效率折算法

Vfuel——试验循环燃料消耗量，L；

E——试验过程中的电量消耗，kWh;

jNHV——燃料的低热值，J/kg;

ρfuel——燃料密度，kg/L;

ηAPU*——辅助动力系统平均工作效率。

注：*如果HEV是并联或串联结构，即为发动机平均效率乘以发电机平均效率；如果是混联结构，即为发动机平均效率乘以发电机平均效率乘以动力分配装置效率。

2. 线性回归校正法

多次测量，利用一元回归分析法进行线性插值，折算到NEC为0时的油耗值，该油耗值即为不可外接充电HEV的能量消耗（见图2）。

图 2 线性回归法

为保证有效性，必须：

① 保证最少有4个有效点：净电量变化与燃油消耗值（NEC/fuel）大于±1%，小于等于±5% ，并且至少有1个点的NEC大于0和1个点的NEC小于0；

② 验证相关系数R2大于等于0.8（线性回归假设可接受）

k——单位换算系数，（3.6×103）-1kWh/J;

jNHV——燃料的低热值，J/kg;

ρfuel——燃料密度，kg/L。

△Q——电池安时能量变化量，Ah；

V——电池在测试期间的平均电压，V。

校正条件为：

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%，则无效。

C——试验测得的燃油消耗量，L/100 km；

Q——试验测得的NEC，Ah；

通过一元回归分析法，进行K的参数估计：

Ci——第i次试验测得的燃油消耗量，L/100 km；

Qi——第i次试验试验测得的NEC，Ah；

i——测试数据个数。

对于效率折算法，由于无法对辅助动力系统平均工作效率进行有效准确的估计，故该方法准确度无法保证，目前采用较少。线性回归校正法由于有数理统计的理论基础，其准确度有保证，且可重复性较好，故建议采用线性回归校正法。

三、可外接充电HEV能耗测试评价

可外接充电HEV的RESS可以连接到车外电源进行充电。因此，在运行过程中，能量管理策略通常是将电能消耗最大化，即运行在荷CD模式，尽量减少发动机燃料的使用，达到最大程度减少燃油消耗和污染排放的目的。当电量消耗到一定程度，车辆的荷电状态会维持在某一水平，即运行在荷CS模式，直到对车辆进行充电。

可外接充电HEV具有电能量消耗比例大、运行模式多的特点，使得针对它的性能评价试验方法比较难以制订。

可外接HEV由于同时消耗电能和燃油两种类型的能源。由于电能量消耗比例大，电池SOC变化的范围很大，电能量消耗与燃油消耗之间难以明确可靠地转换关系，并且可外接HEV电池的能量储备大部分来自于外部电网，而非发动机的燃油消耗。因此，可外接HEV电能消耗向燃油消耗的转化也缺乏合理的依据。评价时如何选取模式或模式组合来进行试验，才能最客观地反映车辆的实际能耗和排放水平，也是较难解决的问题。

依据可外接充电的HEV特性，应分别测量在CD模式和CS模式下的能量消耗率（燃油消耗和电能消耗），利用加权系数对试验结果进行加权，以此来评价可外接充电的HEV综合能量消耗率。如何科学有效并符合用户实际使用情况地确定加权系数，是综合能量消耗试验结果、计算处理的重要问题。

可采取两种方式对可外接充电的HEV能耗进行评价。

1. 典型状态测量法

分别测试条件A（在CD模式下的最高SOC值）和条件B（在CS模式下的最低SOC值）的燃料消耗和能量消耗，采用平均充电里程和纯电动形式里程对条件A和条件B的燃料消耗进行加权，得到综合燃料消耗，同样采用平均充电里程和纯电动形式里程对条件A和B的电能消耗进行加权，得到综合电能消耗（见图3）。

图 3 典型状态测量法

C——燃油消耗量，L/100 km；

C1——条件A下所的燃油消耗量，L/100 km；

C2——条件B下的燃油消耗量，L/100 km；

E——电能消耗量，Wh/km；

E1——条件A下所的电能消耗量，Wh/km；

E2——条件B下的电能消耗量，Wh/km；

De——纯电动行驶里程，km；

Dav——平均充电里程，km。

2. 全程测量法

分别测量整个CD模式阶段和CS模式阶段（测量方法同不可外接充电HEV）的燃料消耗和电能消耗，对燃料消耗和电能消耗利用加权系数进行加权，得到综合燃料消耗量和电能消耗量结果。

全程测量法对在CD模式阶段有发动机更多介入的情况更有效（见图4）。

图4 CD模式中发动机较多介入

CD模式结束（见图5）的判断准则：单个循环或一些列循环NEC/fuel 不大于±1%。

图5 CD模式结束条件

在试验结果的加权中，利用基于在用车的使用情况统计得到的利用系数（UF） 对两种状态测量结果进行加权，根据HEV的纯电动里程在图6中找到该车对应的UF，然后分别用UF 和（1-UF）作为权重系数对两个状态下的测量结果进行综合。

图6 利用系数（来自美国科研机构统计数据）

目前，采用Dav等于25 km的条件A和条件B典型状态测量法，其将平均充电里程Dav设置为25 km缺乏足够的数据支持，且其测试典型状态，不能客观反映HEV在整个工作范围内的特性，如对发动机较多介入的情况。故建议今后国标采用全程测量法，并使用基于在用车的使用情况统计得到的利用系数对两种状态进行加权，计算综合能量消耗。

四、结 语

HEV能量消耗测试应尽量反映车辆实际使用过程中的平均水平，由于HEV工作特性复杂，故其能量消耗测试和评价方法较难制定。本文从HEV技术特点和工作特性入手，在对比研究了国内外针对HEV能量消耗试验方法和标准基础上，针对HEV能量消耗测试和评价提出了一些合理的建议，供参考和借鉴。

（作者单位：上海机动车检测中心）

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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