48 V车型燃料消耗量标准分析及试验研究*

2019-08-08刘桂彬刘志超曹冬冬

汽车工程 2019年7期

刘桂彬，刘志超，陆春，曹冬冬

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

48 V系统的提出主要有两方面的原因：（1）随着汽车技术的发展，车用电器数量及功率需求进一步提升，使得原有的12／14 V系统技术水平达到了极限；（2）各国对节能的要求越来越严格，我国自2020年起，乘用车燃油消耗量要达到 5.0 L／100 km［1］，这迫使企业在优化产品的同时，必须采取各种节能的技术手段。

与常规的混合动力技术相比，48 V系统的工作电压很低，能稳定保持在直流36～52 V安全电压范围内［2］，距离直流60 V安全电压的限值还有一定的空间；其次，48 V车型相当于仅在传统车型上增加一套48 V系统，保留了车辆原有的设计结构，开发周期短、难度小［3］；最后，48 V系统的成本低至高压混合动力系统的30%，却可以带来接近其70%的性能［4］，能够实现 10%～15%甚至更高的节油率［5］。

本文从48 V系统的工作特点出发，对能耗相关的标准进行了全面的分析，提出了48 V车型的分类建议；选取4款典型车型进行了相关研究，从理论分析和试验验证两个角度评价我国现有48 V系统的节能水平。

1 标准分析

对于48 V车型，目前我国均按照传统车的型式进行认证，但是从工作特点上来说该车型与混合动力更为相似。因此标准的分析需从传统车与混合动力车两条路线进行。

1.1 48 V车型相关的燃料消耗量测试标准

48 V车型在现有的标准体系下进行燃料消耗量的研究时，主要涉及的标准如表1所示。

表1 燃料消耗量测试相关标准

GB 27999—2014是关于企业平均燃料消耗量（CAFC）的总体要求，包含所有的乘用车种类，该标准是对企业轻型乘用车的总体评价。GB／T 19233—2008针对传统车型，GB／T 19753—2013针对混合动力车型，两个标准对于燃料消耗量的计算均采取碳平衡法，详见式（1）。GB 18352.3—2005为传统车Ⅲ，Ⅳ阶段排放标准，是 GB／T 19233—2008和GB／T 19753—2013直接用引的标准，按照其测得的HC，CO和CO2直接支撑上述两个标准燃料消耗量的计算；GB 18352.5—2013为传统车第五阶段排放标准，标准中规定“对于轻型混合动力电动汽车，相关试验按GB／T 19755的规定进行［6］”，因此该标准不应用于混合动力电动汽车排放的测试；GB 19755—2016的发布实施代替了GB／T 19755—2005，标准中Ⅰ型试验的测试流程与GB／T 19753—2013基本一致，相关排放物的测量和计算参照GB 18352执行。

式中：FC为燃料消耗量，L／100 km；i为燃料的碳氢比；D为15℃下燃料的密度，kg／L；HC为HC排放量，g／km；CO为 CO排放量，g／km；CO2为 CO2排放量，g／km。

各标准之间的关系如图1所示。

图1 48 V车型燃料消耗量测试的标准路线图

尽管GB 18352.3—2005是目前轻型车油耗测试的引用标准，但该标准实际上已经废止。因此对于现有车型，尤其是48 V这种新兴车型，应对标相应标准的最新有效版本，即对于排放的测试，传统车型应按照GB 18352.5—2013执行，混合动力车型应按照GB 19755—2016执行。

1.2 48 V车型分类的建议

48 V车型存在两种动力装置，在实际运行过程中电池系统的电量处于动态变化过程中，因此在计算48 V车型的燃料消耗量时，应消除电量变化的影响。若按照传统车标准GB／T 19233—2008进行测试，试验结果中没有考虑电量的变化，通过碳平衡法计算得到的值即为车辆油耗的最终结果，而该结果可能与车辆真实的油耗情况存在着一定的偏差，多次测试的结果可能会存在较大波动，重复性较低。另一方面，若规定48 V车型属于传统类别，在此基础上开展的节能技术需按照GB 27999—2014执行，该标准规定“对采用一种或多种循环外技术／装置（例如，怠速起停装置、换挡提醒装置、高效空调……）的车辆，其车型燃料消耗量可相应减去一定额度，但最多不超过 0.5 L／100 km”［7］，但通过调研了解到，48 V车型搭载的换挡提醒装置已可实现近0.5 L／100 km的节能水平，随着技术的进步和其他节能装置的采用，定会远大于该限值。综合来说，这种分类方式既不科学，同时会使得企业对48 V系统和其他节能技术的研发积极性下降。

若规定48 V车型属于混合动力类别，根据GB／T 19753—2013的相关内容，该车型为不可外接充电的混合动力电动汽车，试验结果考虑了电量的变化，若超出一定范围则需要进行多次试验，通过线性回归，得到电耗为0时的油耗值，该结果为试验车辆的综合油耗情况，具有客观性。另一方面，归为混合动力的类别也会使得目前的新兴节能技术换挡提醒装置免除GB 27999—2014中“0.5 L／100 km”的限制，因为GB／T 19753—2013中规定试验挡位的变化可按照制造厂的说明执行。

在其他领域，目前国际上已有的标准法规，包括ECE R100，EVS-GTR等，均将48 V车型纳入到轻型混合动力的范畴进行讨论；我国刚刚完成的GB／T 18384.3—2015《电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护》标准有关48 V系统电安全的修改单（国标委2017年第16号公告），同样是按照该思路进行的相关要求。另外，已发布的 GB／T 19596—2017《电动汽车术语》中，混合动力电动汽车的定义中也涵盖48 V车型。随着汽车全球化进程的不断加深，对于国际上已有的标准和相关技术，应积极地协调并吸收其中适合我国的技术内容；而对于不同的领域，标准对车辆类别的划分上也应保持一致。基于此建议在开展燃料消耗量的相关研究时，将48 V车型归为轻型混合动力车型类别，如图2所示。

图2 48 V车型分类建议

2 48 V车型燃料消耗量分析

2.1 48 V系统节能性的理论分析

与传统车型相比，48 V车型在起停阶段、行进阶段、滑行和制动阶段的油耗均有一定的改善。

2.1.1 起停阶段

对于传统汽车，发动机在怠速阶段持续运行，此时的油耗高，排放也很恶劣。另外，在实际驾驶过程中，怠速阶段的占比也比较高，现有标准采用的NEDC工况怠速比例高达22.6%，因此对该阶段进行技术优化可以有效地降低车辆的综合油耗和排放。

自动起停技术是在原有发动机的基础上增加了一套具有怠速起停功能的电机系统，使汽车在满足怠速停车条件时，发动机能够完全熄灭。当车辆需要起动前进时，电机系统迅速响应起动指令，快速起动发动机［8］，从而大大降低油耗和排放。车辆在拥堵地段或者路口停止行进时，驾驶员踩下制动踏板并停车摘挡，此时起停系统会自动检测：发动机空转且没有挂挡；防锁定系统的车轮转速传感器显示为零；电子电池传感器显示有足够的能量进行下一次起动。满足这3个条件后，发动机自动熄灭。当再次踩下离合器时，发动机便会立刻起动。对于自动挡车型，发动机起动的指令为松开制动踏板或者转动转向盘。

在发动机持续关闭的过程中，48 V大容量电池利用存储的能量维持车载电气的正常运行，因此不会影响车辆空调、音响等设备的使用。

2.1.2 行进阶段

在车辆行进过程中，48 V系统可以根据车辆的需求，通过电机转矩的变化使得发动机工作在相对合理的位置，甚至关闭发动机，从而实现油耗的降低；另一方面，关闭发动机还会减小车辆在行进过程中的拖拽阻力，进一步降低48 V系统的电耗。图3为某款车型在发动机的各转速下，动力系统可稳态输出的转矩。

图3 发动机和电机稳态输出转矩

由图3可见，48 V系统在发动机的任一转速状态下均能为车辆的行驶提供很大的转矩支持。在转速低于2 000 r／min时，电机的可输出转矩基本是恒定的，同时也是最大的，这种特性也是基于发动机的油耗特性制定的。发动机的经济转速通常在2 000 r／min以上，低转速下发动机的油耗较大，此时电机输出转矩，使发动机尽快达到经济转速从而实现油耗降低。转速高于2 000 r／min时，随着转速的进一步增加，电机的可输出转矩呈缓慢降低的趋势，此时的作用主要是为车辆的加速提供助力，以缓解加速导致的油耗增加。

另外，48 V系统还可以在车辆行进的全过程中实现对发动机工作点的调节。图4为某款车型试验过程中48 V系统改善发动机工作情况的示例。

图4 48 V系统对发动机工作情况的改善

车辆在实际行进过程中，对转矩的需求变化很剧烈，而发动机相对高效的工作区域通常很小。因此，为实现发动机的高效工作，同时保持车辆原有的设计型式，48 V系统是一个很好的选择。车辆搭载48 V系统后，动力源不再单一，使得控制策略、系统优化等变得更加灵活。由于48 V系统的工作效率受负荷变化的影响远小于发动机，因此两种动力系统在联合作用时，首先要尽可能地使发动机处于较为高效的工作状态，然后根据车辆的需求，48 V系统给予适当的补充或是回收。图4中电机工作的前两个阶段，发动机输出转矩不足以满足车辆需求，此时48 V系统消耗能量输出转矩；后一个阶段，发动机输出转矩过剩，但效率更高，因此保持发动机的该工作状态，而将剩余的能量用于给48 V系统的电池充电。

2.1.3 滑行和制动阶段

对于48 V车型，在滑行阶段，离合器分离发动机和传动系统的机械连接，实现发动机的彻底关闭［9］，有效地降低了油耗，同时使得滑行距离更远。另一方面，滑行阶段也存在着一定的能量回收，只是相对较小，这样可以避免再生制动转矩过大导致的速度降低太快，致使驾驶员踩加速踏板，得不偿失。图5为滑行和制动阶段再生制动的示意图，能量回收时输出转矩为负，因此方向向下。

图5 再生制动示意图

由图5可以看出，在加速踏板松开之后，再生制动开始生效。初始状态下，制动踏板并未踩下，车辆处于滑行阶段，制动能量开始回收但相对较小；当制动踏板踩下时，再生制动充分发挥能量回收的功能，此阶段为回收能量的主要来源；制动踏板松开后，若车辆仍处于滑行状态，再生制动系统依旧生效，回收的能量与之前的滑行状态相近。当加速踏板踩下时，再生制动系统关闭，能量回收结束。

2.2 48 V车型燃料消耗量的试验研究

为评价48 V系统的节能效果，本文中选取了4款不同企业的48 V车型进行试验，各车型动力系统的主要技术参数如表2所示。

表2 试验车辆动力系统主要技术参数

对每款车型分别进行两种动力型式的试验：一种保持两种动力系统联合工作，试验结果即为48 V车型的综合油耗水平；另一种通过程序设置断开48 V系统，使车辆仅存在发动机的动力型式，发动机的标定及其他试验条件保持不变，试验结果为相对应的传统车型的油耗水平。两种试验的差值即为48 V系统对该款车型的总体油耗改善情况。

根据1.2节的分析，在进行油耗试验时，48 V车型需按照标准GB／T 19753—2013执行，而传统车型需按照GB／T 19233—2008执行，试验主要设备见表3；试验工况为NEDC；试验流程如图6所示。

表3 试验主要设备

图6 试验流程

试验的规范性直接影响着试验结果的科学性，因此需要对每次试验的工况曲线跟踪情况进行分析。图7和图8为其中一次试验的速度情况。

图7 试验速度对NEDC的跟踪

由图7可以看出，试验速度能够很好地跟踪NEDC目标速度。通过图8的进一步分析可以得出，两者总体的速度点基本一一对应，仅有极个别点存在相对较大的出入，但是对于整个循环1 180个速度点来说可以忽略不计。对试验速度与NEDC目标速度进行线性相关性分析，可以得出两者的线性关系，如式（2）所示。

式中：v为试验速度，km／h；v0为 NEDC目标速度，km／h。

图8 试验车速与NEDC的线性相关性

可以看出，式（2）的截距趋近于0，斜率趋近于1，说明两者的关系近似于v≈v0；另一方面，两者的线性相关系数R2为0.980 95，这表示所有速度点的综合误差很小。通过这两方面的分析可以得出：该试验能够很好地反映车辆在NEDC循环下的油耗情况。

其他7次试验也采取了上述相同的方法进行分析，结果表明各试验均能很好地跟踪NEDC目标车速。

传统车的试验结果即为最终的油耗水平；而对于48 V车型的试验结果，需按照GB／T 19753—2013的要求，根据电能平衡值与燃料消耗能量的比值确定48 V车型的综合油耗情况，相关的计算方法如式（3）～式（5）所示。

式中：ΔEbatt为电能平衡值，MJ；Q为电量平衡值，A·h；U为48 V电池额定电压，V。

式中I为储能装置母线电流，A。

式中：NIT为燃料消耗能量，MJ；C为燃料消耗量，L；q为燃料低热值，MJ／kg。

综合油耗的修正原则如下。

（1）若 ΔEbatt／NIT≤1%，无需修正，测量结果即为最终结果，计算方法见式（1）。

（2）若1%＜ΔEbatt／NIT≤5%，测量结果需要通过线性回归进行修正，计算方法如式（6）所示。

式中：FC0为修正后的燃料消耗量，L／100 km；Kfuel为制造厂提供的修正系数，（L／100 km）／（A·h）。

（3）若电池在每一个测试循环都处于放电的状态，且 ΔEbatt／NIT＞5%，试验无效。

需要说明的是，GB／T 19753—2013中提到的这3点理论上并没有涵盖所有的情况，“电池在每一个测试循环都处于充电的状态，且 ΔEbatt／NIT＞5%”没有在标准中提及，而这在实际过程中也不会出现，因为持续充电的结果会使燃料消耗量不降反增，不利于生产企业的能耗排放评估。

根据以上分析，对48 V车型的试验结果按照标准的要求进行线性回归判定和处理，得到各车型的综合油耗情况，如表4所示。

表4 4款车型的油耗结果

将表4进行整理，可以更加直观地看出48 V系统的节能效果，如图9所示。

图9 48 V系统的节能性分析

由表4和图9可知，在各企业提供的车型中，48 V车型较传统车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范围内，相应的降低程度为5.26%～7.98%。取4款车型试验结果的平均值对48 V系统的节能性进行评价，可以得到48 V系统可使油耗降低0.47 L／100 km，相当于节油6.48%，节能效果显著。

结合表2还可以得出：增压车型搭载48 V系统后节油效果更好；48 V系统对油耗的降低程度有限，因此小排量发动机的节油率可能会更具优势。