混合動力電動汽車動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性檢測與評價方法研究

文/王佳怡 陸文斌

混合動力電動汽車動力系統(tǒng)主要由傳統(tǒng)汽車用發(fā)動機(jī)和電動汽車用電動機(jī)組成。這種優(yōu)勢互補(bǔ)的組合，極大程度地降低燃油消耗和排放水平。目前，混合動力電動汽車已經(jīng)進(jìn)入了量產(chǎn)階段，相關(guān)的國內(nèi)外試驗標(biāo)準(zhǔn)有：國際的ISO 23274:2007《混合動力電動汽車污染物排放和燃料消耗測試（不可外接充電）》和SAE 1711:2010《混合動力汽車排放和燃油經(jīng)濟(jì)性試驗方法》等；國內(nèi)的GB/T 19753－2005《輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》和GB/T 19754－2005《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》等。

目前，國內(nèi)外尚未出臺有關(guān)混合動力電動汽車動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性臺架試驗檢測標(biāo)準(zhǔn)。本文在對現(xiàn)有國內(nèi)外的混合動力整車試驗標(biāo)準(zhǔn)和臺架試驗技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出一種混合動力系統(tǒng)能耗的檢測和評價方法。

一、混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性檢測方法

基于自行設(shè)計的適合上海地區(qū)路況和工況條件，在臺架上模擬道路循環(huán)工況。通過測量燃油消耗和凈電量消耗，并通過折算，將凈電量消耗轉(zhuǎn)換為燃油消耗，計算得出總?cè)加拖牧?，從而對混合動力電動汽車動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行檢測和評價。

儀器精度要求：試驗點(diǎn)的實測扭矩與規(guī)定扭矩誤差±3 Nm，試驗點(diǎn)的實測轉(zhuǎn)速與規(guī)定轉(zhuǎn)速誤差±5 r/min，油耗儀測量值不超過實測油耗值的±2%，溫度測量值±1℃，電壓測量值±0.5%，電流測量值±0.5%，時間測量值±0.15%。

根據(jù)如下適合上海市區(qū)的臺架試驗工況圖（包括上海市郊區(qū)工況圖1和圖2，和市區(qū)工況圖3和圖4）測試混合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，在測功機(jī)上主要根據(jù)試驗循環(huán)工況的扭矩圖來控制混合動力系統(tǒng)的負(fù)載，混合動力系統(tǒng)的被測樣品主要以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為控制模式。

圖1 上海市郊區(qū)工況臺架試驗轉(zhuǎn)速圖

圖2 上海市郊區(qū)工況臺架試驗扭矩圖

圖3 上海市區(qū)工況臺架試驗轉(zhuǎn)速圖

圖4 上海市區(qū)工況臺架試驗扭矩圖

具體試驗步驟如下：

檢查混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、蓄電池、油耗儀和測控系統(tǒng)設(shè)備等是否正常，確認(rèn)混合動力系統(tǒng)和臺架測試設(shè)備正常方可進(jìn)行試驗。

進(jìn)行啟動預(yù)熱，將混合動力系統(tǒng)加載至標(biāo)定工況，即功率和轉(zhuǎn)速都到標(biāo)定值，然后穩(wěn)定運(yùn)行5 min左右。

啟動預(yù)熱后即可開始按照上海市區(qū)的臺架試驗工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性測試實驗。測功機(jī)的負(fù)荷由相應(yīng)的扭矩圖控制，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速則按照相應(yīng)的轉(zhuǎn)速圖控制，完成整個上海市區(qū)的臺架試驗工況循環(huán)。

臺架試驗工況循環(huán)過程中同時記錄的試驗數(shù)據(jù)包括：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、耗油量和蓄電池的電流、電壓和荷電狀態(tài)（SOC）變化值。注意測定每一工況下各參數(shù)時，必須使發(fā)動機(jī)在此工況下穩(wěn)定運(yùn)行，以防測錄數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。測油耗時間必須測錄兩次以上，并取平均值。

數(shù)據(jù)處理：根據(jù)上述臺架試驗工況循環(huán)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并計算混合動力系統(tǒng)總油耗和耗油率。

二、混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價方法

對于混合動力系統(tǒng)來說，不能簡單地將傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)所消耗的燃料總量視為車輛在此過程中的油耗。因為部分燃油消耗是為了給電力輔助裝置充電，如果在計算混合動力電動汽車（HEV）整車能耗時既把這部分油耗算在燃料消耗中，又把其轉(zhuǎn)化成的電能算在電耗中就會造成能量的重復(fù)計算。為了避免此種現(xiàn)象，本文利用NEC（凈電量變化）計算方法和油電轉(zhuǎn)化法將油耗數(shù)據(jù)與能耗數(shù)據(jù)兩者有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行合理評價混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。

在上述混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性檢測試驗完畢后，應(yīng)用NEC計算方法計算出可充電儲能系統(tǒng)（RESS）的凈電量，然后結(jié)合RESS的NEC（即能耗量）和發(fā)動機(jī)的耗油量，利用油電轉(zhuǎn)換法就可以計算出混合動力系統(tǒng)的能耗指標(biāo)，從而可以合理有效地評價混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。

1.NEC的計算方法

①NEC計算必須在試驗過程中監(jiān)測蓄電池能源存貯系統(tǒng)RESS的能量變化。

式中：NEC——試驗過程中的蓄電池電能凈變化量，放電取正充電取負(fù)，kWh；

I——動力蓄電池總線輸入或輸出的電流，A；

U——動力蓄電池兩端的電壓，V；

t——時間，s。

②電量變化量和燃料消耗量的換算關(guān)系

式中：Dfuel——燃料密度，g/cm2；

Qfuel-low——燃料燃燒的低熱值，J/g；

ηeng——發(fā)電工況下，發(fā)動機(jī)的平均工作效率；

ηgen——發(fā)電工況下，發(fā)電機(jī)的平均工作效率；

△Vfuel——動力蓄電池等效的燃料消耗量，L。

③混合動力系統(tǒng)總耗油量

式中：Veng——混合動力系統(tǒng)發(fā)動機(jī)的燃料消耗量，L；

Vw——混合動力系統(tǒng)總體等效的燃料消耗量，L。

④混合動力系統(tǒng)耗油率計算

測量總耗油量所花費(fèi)的時間，然后按照下式計算

式中：m——混合動力系統(tǒng)總體等效消耗的燃料質(zhì)量，g；

t——混合動力系統(tǒng)消耗等效消耗的燃料質(zhì)量m所需的時間，s；

B——混合動力系統(tǒng)每小時耗油量（kg/h）；

bhe——混合動力系統(tǒng)耗油率，g/kWh；

Pe——混合動力系統(tǒng)凈功率，kW。

此方法基于能量守恒定律，將RESS的能耗和發(fā)動機(jī)的油耗同樣看作是混合動力系統(tǒng)能量的消耗，在電機(jī)充電狀態(tài)下，混合動力系統(tǒng)將燃料的部分化學(xué)能通過燃燒和各級的能量轉(zhuǎn)化變?yōu)镽ESS的能量存儲。油電換算過程主要考慮能量轉(zhuǎn)換裝置發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作效率，并利用燃料燃燒的低熱值統(tǒng)一能量單位，當(dāng)根據(jù)油電換算方法得出混合動力系統(tǒng)中RESS的SOC變化量即電量消耗為負(fù)值，則修正油耗比實測的油耗低，這是因為油耗多出部分用于對RESS的充電，故評價整個混合動力系統(tǒng)的能耗時不應(yīng)計算在內(nèi)，如果動力蓄電池放電則電量消耗量為正值，則修正油耗比實測的油耗高，消耗的電量用于給驅(qū)動電機(jī)供電做功為能量消耗，這部分為燃料燃燒轉(zhuǎn)化而來，最后通過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一油耗以便合理有效地評價混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

三、混合動力系統(tǒng)樣品測試結(jié)果分析

表1為同一型號混合動力系統(tǒng)3次獨(dú)立試驗的測試數(shù)據(jù)，由于每次試驗前RESS的初始SOC值不同，使得每次試驗測得的油耗和凈電量的數(shù)值也不同，轉(zhuǎn)換成總油耗的3次試驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.181，檢測結(jié)果的一致性滿意，可見本試驗方法能夠有效地檢測和評價混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

表1 某重型混合動力系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

四、結(jié)語

基于現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)法規(guī)和臺架試驗技術(shù)的分析研究，提出的一種混合動力系統(tǒng)的臺架檢測和評價方法，可以有效地將發(fā)動機(jī)油耗量和RESS的能耗統(tǒng)一起來，可操作性較強(qiáng)。利用該方法不僅可評價不同混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，也可驗證評價不同控制策略下同一混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并能分析評價同一混合動力系統(tǒng)匹配不同RESS下對整個混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，希望能為混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)評價方法的建立提供借鑒。