基于实际道路测试的插电式混合动力汽车排放特性研究

罗佳鑫 于恒彬 温 溢 朱庆功 杨 超

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽车在为人们提供便捷出行的同时，也对大气环境造成了大量的污染。为解决汽车排放导致的环境污染问题，各国加大了对清洁能源汽车的支持和推广。新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。目前，纯电动汽车受限于续驶里程较短（尤其在低温环境下）以及充电时间较长，在实际应用过程中仍存在一些问题；而混合动力汽车尤其是插电式混合动力汽车（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）发展相对较为成熟，综合了燃油汽车续驶里程长与纯电动汽车清洁环保的优点，在城市工况下是一种较为节能环保的出行工具[1-2]。

研究证明，轻型车在实验室工况与实际道路行驶过程中的排放特性存在较大差异，对于插电式混合动力汽车，这种差异更为明显[3-5]。在实际道路行驶过程中，插电式混合动力汽车根据动力电池电量调整控制策略，若动力电池电量充足，则优先使用电能进行驱动，此时发动机不参与动力供应，汽车不产生油耗与污染物排放；而在动力电池电量较少或上坡等较大负荷工况下，发动机起动参与动力供应，从而产生油耗与污染物排放[6-8]。

本文对插电式混合动力汽车在电池电量保持模式下的实际道路运行过程中的油耗与污染物排放特性进行了研究。

1 试验方案与试验车辆信息

1.1 试验车辆与试验设备

本文涉及到的试验车辆共3 辆，其主要技术参数见表1。

表1 试验车辆主要技术参数

主要使用的试验设备见表2，其中底盘测功机为四驱型。

表2 试验设备

1.2 试验方案

试验前，通过适当放电处理将PHEV 调整至电量保持模式。试验过程中，将便携式车载排放测试系统（Portable Emission Measurement System，PEMS）安装在试验车辆上进行试验，通过车载诊断系统（On-board Diagnostic System，OBD）监控车辆电量状态。

本文中试验车辆采用的测试包括全球轻型车排放测试循环（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，WLTC）与实际道路排放测试（Real Driving Emission，RDE），通过对3 辆试验车进行WLTC 测试循环与RDE 测试，对比不同工况下的油耗与排放情况。此外，试验车C 还进行不同环境温度条件下的RDE 测试。本文选择典型城市道路进行实际道路排放试验，试验路线包括北京市亦庄开发区-南六环-京津高速部分道路。

机动车比功率（Vehicle Specific Power，VSP）的物理意义是发动机移动单位质量（1t）时所输出的功率，单位为kW/t。VSP 的计算公式[9]如下：

式中：VSP 表示机动车比功率，kW/t；v 表示车速，m/s；a 表示加速度，m/s2；θ 表示道路坡度，rad。

近年来，多种宏观或微观排放模型中采用了基于VSP 的建模分析方法。为了更好地分析车辆在不同行驶工况下的排放，本文参考MOVES 模型并结合实际情况，对VSP 区间进行了划分，并计算了不同VSP区间内的污染物排放因子。表3 所示为VSP 区间划分。

表3 VSP 区间划分

2 结果分析

2.1 WLTC 与RDE 油耗对比

图1 所示为3 辆试验车在WLTC 测试循环与RDE 测试下的油耗对比。

图1 不同工况下油耗对比

从图1 可知，处于电量平衡状态下的PHEV 在RDE 测试下的油耗高于实验室测试（WLTC 测试循环），平均升高16.1%。说明在实际使用过程中，PHEV 的油耗高于其在实验室内的油耗。

为了进一步分析PHEV 在不同工况下的油耗及CO2排放差异，本文对不同VSP 区间内的油耗及CO2排放进行了对比。

图2 为试验车B 在不同VSP 区间内的CO2对比，图3 为试验车B 在不同VSP 区间的油耗对比。

图3 不同VSP 区间内油耗对比（试验车B）

从图2 和图3 可知，WLTC 测试循环与RDE 测试下油耗及CO2排放的差异主要发生在低速与中速区间。RDE 测试循环下的油耗比WLTC 测试循环高，说明在实际道路行驶过程中，车辆制动后重新加速过程中加速度较大，动力电池电量迅速耗尽，发动机起动参与动力供应，且参与动力供应的比例较高，导致油耗升高。

在以往的研究中，通常认为在交通较为拥堵的城市路况，频繁起停将导致额外的能量消耗，也就意味着产生更多的污染物排放，而混合动力技术能够大幅度降低频繁起停过程所导致的油耗与排放。试验结果显示，在动力电池电量较低的情况下，实际行驶过程中，由于发动机频繁起动，混合动力技术降低油耗的效果不如实验室工况显著，该现象随着VSP增加而更加明显。

随着车速的增加，在市郊与高速阶段的行驶过程中，WLTC 测试循环与RDE 测试下的油耗及CO2排放逐渐接近。在高速区间的Bin 35，由于RDE 测试过程中的最高车速小于WLTC 测试循环，该区间内WLTC 测试循环的油耗比RDE 测试高。

图4 所示为试验车B 在整个RDE 测试期间的电量（state of charge，SOC）变化。

图4 试验车B 在整个RDE 测试过程中的电量变化

由图4 可知，在车速较低且起停较为频繁的市区行程中，PHEV 在起动瞬间会消耗动力电池电量；在市区行程中，动力电池电量逐渐减少。在市郊与高速行程中，车速较为稳定时，动力电池电量基本保持稳定；当出现急减速时，通过制动能量回收，动力电池电量迅速增加；随后的加速过程中增加的电量用于加速，电量迅速减少。试验前与试验结束后，动力电池电量相对变化较小。整个RDE 测试过程中，动力电池电量最高值出现在高速行程中较高车速急减速过程。

2.2 PHEV 实际道路排放特性

本文研究PHEV 在电量平衡模式下的实际道路排放特性。国六标准中，目前暂定了市区与总行程的符合性因子，其中NOx与PN 的符合性因子暂定为2.1，CO 的符合性因子尚未确定。

图5、图6、图7 与图8 分别为试验车B 在冷起动工况（Cold Start，CS），市区行程包含市区行程冷起动工况（Urban-In-CS）与市区行程剔除冷起动工况（Urban-Ex-CS），总行程包含总行程冷起动工况（Total-In-CS）与总行程剔除冷起动工况（Total-Ex-CS）5 种工况下的CO、NOx、PN 与THC 排放因子。

图5 不同工况下的CO 排放因子

图6 不同工况下的NOx 排放因子

图7 不同工况下的PN 排放因子

图8 不同工况下的THC 排放因子

从图5、图6、图7 与图8 可知，由于冷起动过程中的污染物排放较高，市区行程冷起动过程与总行程冷起动过程导致市区行程与总行程的排放因子出现较为明显的上升，主要是CO、PN 与THC 的排放因子上升较为明显。

插电式混合动力汽车在城市道路行驶过程中，市区内拥堵路况下频繁起停，在制动停车时发动机停机，随后重新加速时首先消耗动力电池能量，随后发动机重起。由于电池能量较低，发动机起停频繁导致催化剂温度变化较大，对尾气排放造成一定影响。针对典型城市拥堵路况，本文进一步对拥堵路况区间内的排放情况进行分析。

图9 与图10 分别为试验车B 在拥堵路况下的CO 与THC 瞬态排放，同时使用OBD 系统实时监控SOC 值与催化剂温度。

图9 拥堵路况下的CO 瞬态排放（试验车B）

图10 拥堵路况下的THC 瞬态排放（试验车B）

由图9 和图10 可知，在制动停车时，制动能量回收至动力电池，发动机停机，催化剂温度明显下降；随后在重新加速起动过程中，动力电池能量耗尽；发动机起动瞬间，由于催化剂温度较低，未处于高效催化区间，导致CO 与THC 排放较高。发动机起动后，在较高温度尾气的作用下，催化剂温度迅速上升，催化剂效率逐渐提高，CO 与THC 排放显著下降。CO 与THC 排放主要集中于加速过程，造成该现象的主要原因为在加速过程中混合气加浓，缸内燃烧不充分程度加剧，导致未燃THC 与CO 排放增加。

图11 所示为试验车B 在拥堵路况下的NOx排放，同时使用OBD 系统实时监控SOC 值与催化剂温度。

图11 拥堵路况下的NOx 排放（试验车B）

由图11 可知，与CO 排放相似，NOx排放同样出现在发动机重起瞬间。然而，只有当催化剂温度低于某一限度时，发动机重起瞬间才会导致产生大量的NOx排放。只要催化剂温度高于NOx产生的温度最低值，就不会出现明显的NOx排放峰值。

图12 所示为试验车B 在拥堵路况下的PN 排放，同时使用OBD 系统实时监控SOC 值与催化剂温度。

图12 拥堵路况下的PN 排放（试验车B）

由图12 可知，在发动机停机重起后的加速瞬间，PN 排放较高；当发动机重新起动后，PN 排放只在加速过程中出现短暂的峰值。

3 不同环境温度下PHEV 的排放特性

为了模拟冬季插电式混合动力汽车在室外低温环境下的运行状态，本文将试验车C 置于室外低温环境下进行浸车，浸车时间为12～24 h，直至冷却液温度达到环境温度±2 ℃范围。本试验过程中，最低环境温度为-3.8 ℃，平均环境温度为-1.3 ℃。而常温试验期间，最低环境温度为17.6 ℃，平均环境温度为18.9 ℃。

不同环境温度下，冷起动（CS），市区行程（Urban）与总行程（Total）工况的CO、NOx、PN 排放因子对比分别如图13、图14、图15 所示。

图13 不同环境温度下实际道路CO 排放

图14 不同环境温度下实际道路NOx 排放

图15 不同环境温度下实际道路PN 排放

低温环境对实际道路排放的影响主要集中在冷起动过程乃至市区行程。在低温环境下，试验开始时，长时间的浸车导致冷却液温度与润滑油温度均较低。与常温环境相比，低温冷起动过程中，为尽快完成暖机过程，将向缸内喷入较浓的燃油，导致污染物排放量较高。同时，低温环境下催化器温度较低，达到起燃温度的时间较长，在冷起动阶段催化器效率较低，导致低温环境下冷起动过程的CO、NOx与PN 排放分别增加285.86%、203.53%与185.31%。

目前，国六排放标准中的低温扩展系数为1.6，扩展温度条件范围为-7～0 ℃。本文通过对比低温环境与常温环境下的排放结果，计算出低温环境对试验车C 的影响系数（Influence factor，IF）。IF 的计算公式为：式中：IF 表示低温影响系数；EFcold，i表示低温环境下的排放因子，g/km；Fregular，i表示常温环境下的排放因子，g/km；i 表示污染物CO、NOx或PN。

由图13～图15 可知，低温环境对试验车C 不同污染物排放的影响均较大，其中对市区行程的CO 排放影响最大，通过公式（2）计算出IF 达3.5。

图16 为低温影响系数。

图16 低温影响系数

由图16 可知，低温影响系数均高于1.6，说明低温环境对插电式混合动力汽车的排放影响较大。

为了对比不同环境温度下的CO2排放，本文以1 km 为区间，将整个RDE 测试过程中的CO2排放进行拟合，如图17 所示。

图17 CO2 排放拟合曲线

由图17 可知，在起动阶段，低温环境下CO2排放较高。这主要是由于在低温环境下长时间浸车导致润滑油粘度增大，传动系统内部阻力增加。为了满足正常行驶需要，同时为了尽快完成暖机工况，需要向缸内喷入更多的燃油，导致在市区行程车速较低的起动工况下，低温CO2排放升高。随着车辆的行驶，车辆内阻逐渐与常温状态下的内阻接近，在中速阶段，CO2排放差异最小。在高速阶段，温度导致的空气阻力差异起主要影响作用，导致低温下的CO2排放较高。

综上所述，低温环境下，浸车导致的车辆内阻增加、额外暖机需要以及空气阻力增加导致CO2排放升高。

4 结论

1）插电式混合动力汽车（PHEV）在RDE 测试下的油耗及CO2排放高于WLTC 测试循环，差异主要体现在市区行程，随着VSP 增加，差异更加明显。

2）PHEV 在常温环境下行驶时，当动力电池电量较低时，市区行程频繁起停将导致催化剂温度不能达到正常工作温度，进而导致排放升高。该状况在较为拥堵的市区行程中较为显著。

3）与常温环境相比，低温环境下，PHEV 在实际行驶过程中将消耗更多的燃油，产生更多的CO2与污染物排放。