PHEV 城市客车在高、低SOC 状态下的能耗与排放试验研究*

张龙平 宫宝利，3 马 毅 徐划龙 伍晨波 刘永刚

（1-中国汽车工程研究院股份有限公司 重庆 401122 2-重庆大学机械传动国家重点实验室 3-中南大学轨道安全教育部重点实验室）

引言

混合动力汽车由于兼具纯电动汽车和传统燃油汽车的优点，得到了大力发展[1-2]。《节能与新能源汽车技术路线图2.0》指出，到2035 年，我国的汽车将全面实现新能源化和混合动力化（各50%占比），充分挖掘商用车节能和混合动力技术的潜力[3]。

目前，对重型混合动力汽车的研究主要包括能量管理、控制策略、构型研究以及参数匹配等方面[4-5]。在混合动力汽车测试评价方面，由于混合动力汽车使用了多能源动力耦合技术，传统燃油汽车的测量工况和方法可能无法准确评判混合动力汽车的污染物排放状况[6-7]；由于插电式混合动力（PHEV）城市客车可能存在不能及时充电的情况，因此，电池的SOC高低对车辆实际运行过程中能耗和排放的影响鲜有报道。为了探究电池的SOC 对PHEV 城市客车能耗和排放的影响，同时为PHEV 城市客车后续制订有效的污染物排放测量方法和标准提供参考，本文对PHEV 城市客车在不同SOC 状态下的能耗和排放进行了实际道路试验研究。

1 试验方案

本文选取一辆PHEV 城市客车，在高、低SOC状态下，利用PEMS 设备在重庆市内进行了实际道路能耗与排放测试，试验用车信息如表1 所示。

表1 PHEV 城市客车实际道路测试用车信息

本试验的PHEV 城市客车实际道路能耗和排放测试设备安装示意图如图1 所示，流量计和采样管都安装在汽车排气管上，采样后的尾气输入到气体分析仪中，分析计算出污染物排放结果；在SCR 系统后端安装有温度传感器，用于监测排气温度；GPS 收集车辆的位置信息以及车速；气象站采集环境温度、湿度；通过车辆OBD 接口采集ECU 的相关数据（如发动机转速、转矩、燃油流量、空气流量等）。所有数据由气体分析仪汇总，传输至笔记本电脑。

图1 PHEV 城市客车实际道路能耗与排放测试设备安装示意图

试验在重庆市綦江县进行，选定路线包括国道和城市道路，行驶里程在25 km 左右。为了保证数据的一致性和可对比性，尽量消除驾驶风格的影响，所有测试的驾驶员为同一位驾驶员。

2 结果分析

2.1 高、低SOC 状态下车辆能耗特征分析

车辆在高、低SOC 状态下的对比测试结果如图2 所示，车辆在SOC 为58%时开始试验标记为“高SOC”，车辆在SOC 为33%时开始试验标记为“低SOC”，高、低SOC 状态的测试里程分别为24.6 km、24.7 km。

图2 车辆高、低SOC 状态的能耗测试结果

从图2 可以看出，车辆在低SOC 状态下，起动后立即进入充电状态，SOC、累计功（整个试验过程所消耗的有用功）及累计燃油消耗量均快速增加。车辆在高SOC 状态下，SOC 有些波动，但变化不大，累计功及累计燃油消耗量均快速增加。当SOC 上升到58%之后，2 种SOC 状态下的SOC 变化基本一致，累计功及累计燃油消耗量的变化几乎平行。整体而言，低SOC 状态下的累计功和累计燃油消耗量相对较大。

图3 为车辆在高、低SOC 状态下的综合油耗、纯电动行驶里程比例（UF）等测试结果对比。

从图3 可以看出，与高SOC 状态相比，低SOC状态下，车辆的综合油耗和累计功分别增加24.1%和24.3%，发动机运行模式下的油耗增加20.3%，UF下降3.9%。

图3 车辆SOC 状态对能耗的影响

2次测试中，累计功和综合油耗出现差异主要是由于车辆在低SOC 状态下，发动机需要及时给电池充电，把电池电量快速补充到合理的SOC 范围内，因此累计功和综合油耗增加。低SOC 状态下，由于电池开启阶段电量少，因此纯电动行驶的里程下降，UF降低。在高、低SOC 状态下，车辆的综合油耗分别比油耗限值低7.25 L/100 km、2.86 L/100 km。

车辆在不同SOC 状态下车速、加速度以及发动机转速对瞬时油耗的影响如图4 所示，发动机运行工况对比见图5。

图4 不同SOC 状态下车速、加速度和发动机转速对瞬时油耗的影响

从图4 可以看出，高、低SOC 状态下，车辆的瞬时油耗较高的区域主要分布在车速为20～60 km/h、加速度为-0.5～0.5 m/s2、发动机转速为1 200～1 600 r/min区域，且集中度较高的区域是车速为30～50 km/h、加速度为0～0.5 m/s2、发动机转速为1 400～1 600 r/min。这些区域主要为城市公交车行驶工况（见图5），车速较低，起动频繁，在之后的标准和测试循环制定时可作为参考。

图5 车辆在不同SOC 状态下发动机运行工况统计

车速为20 km/h 以下瞬时油耗较低，原因是该车速区域车辆主要使用纯电动行驶。

2.2 高、低SOC 状态下车辆排放特征分析

高、低SOC 状态下NOx和CO 排放结果如图6所示。

图6 车辆在高、低SOC 状态下的排放测试结果

从图6 可以看出，2 种SOC 状态下的CO 累计排放相差不大。试验开始时，低SOC 状态下的NOx累计排放略高于高SOC 状态；在400 s 之后，低SOC状态下的NOx累计排放基本趋于平稳，高SOC 状态下的NOx累计排放继续增加，在接近500 s 时才趋于平缓；最终，低SOC 状态下的NOx累计排放低于高SOC 状态。低SOC 状态下，虽然累计燃油消耗量更大（见图2），但NOx累计排放更低且更早趋于平稳。这是由于在低SOC 状态下，车辆在起动后发动机会快速进入较大负荷工况区间工作，以便为电池充电，排气温度比高SOC 状态升高快，从而使SCR 尽早进入高效转化区，因此NOx累计排放更低且更早趋于平稳。

图7 为高、低SOC 状态下车辆平均排放的相关参数。

图7 高、低SOC 状态下车辆平均排放的相关参数

从图7 可以看出，与高SOC 状态相比，低SOC状态下，CO 和NOx比排放分别降低了18.9%和45.1%。

低SOC 状态下，CO 比排放下降的原因是低SOC 状态下，发动机平均起动次数比高SOC 状态少0.63 次/km（全里程少起动15 次）。为了快速起动，在起动过程中，发动机需要加浓混合气，而混合气加浓是CO 排放升高的重要原因[8]。

对同一车辆，由于发动机结构和SCR 后处理系统是相同的，因此在相同的发动机工况下，NOx的原始排放是一致的。如果排气温度升高，会使NOx排放降低。因为，排气温度升高有利于提高SCR 对NOx的转化效率[9]。低SOC 状态下，发动机的平均排气温度比高SOC 状态高14.3℃。因此，低SOC 状态下的NOx比排放比高SOC 状态低。

不同SOC 状态下车速、加速度以及发动机转速对NOx和CO 排放的影响如图8 所示。

从图8 可以看出，NOx和CO 排放较高的区域与图4 所示的高能耗分布区域基本一致，主要集中在车速为20～50 km/h、加速度为0～0.5 m/s2、发动机转速为1 400～1 600 r/min 区域。车速为20 km/h 以下NOx和CO 排放较低，与能耗情况基本一致。

图8 高、低SOC 状态下车速、加速度以及发动机转速对NOx 和CO 排放的影响

3 结论

通过对PHEV 城市客车进行实际道路试验及分析，得到如下结论：

1）油耗方面，在低SOC 状态下，发动机会立即给电池充电，需要发动机耗费额外的能量。相比于低SOC状态，高SOC 状态下，车辆的综合油耗下降24.1%。

2）CO 排放方面，低SOC 状态下，发动机的起动次数比高SOC 状态少0.63 次/km，CO 比排放降低18.9%。

3）NOx排放方面，低SOC 状态下，平均排气温度比高SOC 状态高14.3 ℃，NOx比排放降低45.1%。

4）PHEV 城市客车由于有电机驱动，车速在20 km/h 以内，油耗和排放都较低。高油耗和高排放区域主要分布在车速为20～60 km/h、加速度为-0.5～0.5 m/s2区域，即在这段车速区间内急加/减速的开始阶段。建议在对PHEV 城市客车排放进行检测时，着重考察这个车速和加减速区间的排放水平。