杜建波，牛向春，李 洧，李孟良，彭文明，方茂东

(1.中国汽车技术研究中心，天津 300162;2.武汉理工大学汽车工程学院，武汉 430070)

前言

面向未来的电能社会，汽车厂家正在积极改进混合动力技术。插电式混合动力电动汽车(PHEV)近年来发展迅速，被认为是以电能替代石油燃料极具前景的解决方案。与传统混合动力电动汽车(HEV)相比，PHEV的特点是在电池容量提高的同时，还增加了从家用电源到车辆充电的装置。因此，PHEV能更好地利用电能并显著降低石油燃料消耗［1］。能耗(燃料及电量消耗量)是评价PHEV性能的一个核心指标，由于PHEV具有不同的行驶模式，因此其能耗特征与传统汽车具有显著差异［2］。本文中从法规试验和道路试验两方面研究PHEV的能耗特征，并针对法规试验提出了能反映PHEV实际使用的燃料消耗量曲线获取方法。

1 PHEV能耗的法规测试方法

1.1 PHEV的工作模式

对于PHEV，其典型的工作模式包括电量维持(charge-sustaining，CS)模式和电量消耗(charge-de-pleting，CD)模式。电量维持模式指PHEV运行时只消耗燃料，同时保持储能装置的荷电状态(SOC)在一定水平;电量消耗模式指PHEV运行时只消耗外接充电的电能，或者在消耗电能时还会辅助消耗燃料，直到进入电量维持模式。

PHEV在充满电后使用时，一般先以电量消耗模式(CD)运行，此时SOC不断降低;当SOC降到允许的下限时，PHEV进入电量维持模式(CS)运行，此时SOC基本保持平衡。

1.2 美国PHEV能耗测试标准(SAE J1711—2010)

PHEV的能耗测试应能体现其基本的工作模式，对于PHEV主要有两种测试模式:一种是从电量维持(CS)模式开始测量，称为电量维持试验(CST);另一种是从充满电后的电量消耗(CD)模式开始测量，称为充满电后试验(FCT)。FCT从PHEV的最高SOC开始试验，连续重复进行一定数目的测试循环，直到SOC达到规定的水平［3］。

CST和FCT是PHEV的两种典型测试模式，为了更好地反映实际能耗，须采用利用系数(UF)将两种模式的测量结果进行加权。UF为用户日行驶里程不超过某一数值的统计概率。SAE J1711—2010不仅引入了UF，还对FCT的每一个测试循环的能耗，均采用UF进行加权，以使法规试验的结果能更接近实际能耗。

目前，SAE J1711—2010默认的是用户每天充电1次，主要考虑的是“每天多次充电”的概率与“每天没有充电”的概率基本相当。未来，该标准还将对用户的充电习惯进行调查并获取更多的数据，研究加权计算的可能性。

1.3 欧盟PHEV能耗测试法规(ECE R101)

欧盟对PHEV的能耗测试分为最高SOC(条件A)和最低SOC(条件 B)两种试验模式［4］。条件 B只测量1个循环，类似美国的CST。条件A有两种测量方法，第1种只测量1个循环;第2种连续重复测量一定数量的循环，直到储能装置达到最低SOC，在制造厂的要求下，可以增加试验循环，并将增加循环的试验结果纳入到能耗计算，第2种试验方法类似美国的FCT。欧盟标准也对两种状态的测量结果进行加权计算。

2 法规试验

2.1 试验设计

我国的PHEV能耗测试标准基本采用欧盟ECE R101法规［5］。因此选择1台典型的PHEV按ECE R101的要求进行试验。最高SOC试验按照ECE R101法规进行3组试验:第1种试验方法(只测量1个NEDC循环，N=1)、第2种试验方法(分别进行2个和3个测试循环，N=2，3)。最低SOC试验按照ECE R101法规的要求进行1个测试循环。

2.2 最高SOC试验

当PHEV在最高SOC下连续进行测试循环时，第3个测试循环的放电量已低于法规要求(测试循环的放电量小于电池额定储存值的3%)。图1的SOC示意图显示了随着试验的进行，SOC不断降低，当SOC接近40%时达到电量维持模式，此时SOC在一个很小的范围内变动。

图中的瞬时燃料消耗率显示，在前两个测试循环，虽然PHEV在EV续驶里程范围内，但当车速达到100km/h时，发动机仍然起动，这是由该PHEV的控制模式决定的(主要是为了保护电池)。因此在NEDC循环中，若PHEV在未达到最低SOC的情况下发动机起动，则无法准确测量NEDC工况下的EV续驶里程，ECE R101法规中最高SOC试验的第1种方法也不适用。

2.3 最低SOC试验

PHEV在最低SOC下的试验，如图2所示。由图可见，在怠速和部分低速工况，PHEV以电能驱动，避免了发动机在市区低速工况下的频繁起动，能有效地降低燃料消耗量和排放。

3 法规试验能耗特征分析

根据试验设计，在最高SOC下分别进行了1个、2个和3个测试循环试验。考虑到从第4个循环开始，单个测试循环的试验模式已经基本和最低SOC相同，因此，可以通过已有的试验数据推算在最高SOC下进行多个测试循环的结果。

欧盟法规根据最高SOC试验进行N个测试循环，与假定25km的最低SOC试验进行加权计算［6］。如果不采用25km的假定，单从最高SOC开始连续进行N个测试循环来看，该试验过程同时包含了美国SAE标准中的1个FCT测试循环和N－3个CST循环，其试验结果相当于按照美国SAE的标准对FCT和n个CST(n=N－3)循环进行加权计算。

3.1 燃料消耗量与1次充电行驶里程的关系

不同数量的测试循环所得到的燃料消耗量见图3。与传统汽车不同，PHEV的燃料消耗量与测试循环的数目(即1次充电行驶里程)直接相关。PHEV充满电后，能以EV模式行驶一定里程，此时燃料消耗量很低(N=1，2时)。随着1次充电行驶里程的增加，燃料消耗量不断增大，直到趋近于非插电式的普通HEV。

由于PHEV的EV续驶里程不便于在试验时直接测得，根据PHEV燃料消耗量与1次充电行驶里程的关系，燃料消耗量曲线延长线与横坐标的交点位于EV续驶里程附近。

3.2 PHEV燃料消耗量与电量消耗量的关系

将法规试验的燃料消耗量和其对应的电量消耗量在图上表示，两者具有很好的线性关系，见图4。只进行1个和2个测试循环的试验结果也示于图中，此时，PHEV大部分时间是在EV模式下行驶。将图中的数据进行直线拟合，与坐标轴的交点即为纯燃料消耗量(普通HEV模式)和纯电量消耗量(EV模式)的数值。

4 道路试验

4.1 试验设计

组织PHEV车队，根据单程通勤距离，选择短途(0～15km)、中途(15～25km)和远途(25km以上)的用户在天津参与实验驾驶。对于短途和中途用户，出行路线主要集中在城区，对于远途用户，出行路线由城区和城郊道路组成。PHEV车队行驶时间从2011年4月至2012年1月，基本覆盖4个季节。

数据收集包括车载记录仪和用户手工记录，根据手工记录的加油量和充电量对车载记录仪的数据进行修正。

4.2 标准行驶片段的选择

为了得到燃料消耗量与1次充电行驶里程的对应关系，须对PHEV的行驶工况进行分类，并确定一个标准的行驶片段作为分析的基础:即将PHEV充满电后行驶，并直到下一次充电的区间规定为标准行驶片段，见图5。

当PHEV充满电时，若电池电量未用完即再充电，该片段也属于标准行驶片段。此时，PHEV的燃料消耗量接近于0。该类型的行驶片段代表1次充电行驶里程在PHEV的EV续驶里程范围之内的行驶模式。在实际使用过程中，还会出现PHEV未充满电就再次使用的情况。这些行驶片段的燃料消耗量与充电程度和行驶距离相关，因此在分析燃料消耗量与1次充电行驶里程的对应关系时，未考虑这些非标准的行驶片段。

标准行驶片段代表了PHEV实际行驶中最普遍的行驶模式，每一个标准行驶片段的里程即为1次充电(充满)行驶里程。

5 道路试验能耗特征分析

5.1 燃料消耗量与1次充电行驶里程的关系

PHEV车队近10个月实际行驶的燃料消耗量分布见图6。道路试验的燃料消耗量按春、秋、夏、冬依次增大，春、秋、夏三季较为接近，冬季燃料消耗量明显增大。与法规试验相比，各车的数据点离散程度较大，因为实际行驶时的环境温度、道路工况和驾驶习惯相对试验室均有不同程度的差异。而春、秋季的燃料消耗量趋势，与图3所示的法规试验基本吻合。

环境温度对PHEV燃料消耗量的影响主要体现在空调的使用上。统计PHEV车队空调消耗的功率发现，在常温(20℃左右)下，空调消耗功率很低，温度高于30℃或者低于10℃时，空调消耗功率明显增加。以天津为例，冬季气温低于10℃的天数明显多于夏季气温超过30℃的天数，因PHEV在冬季燃料消耗量相对夏季明显增加。

5.2 燃料消耗量与电量消耗量的关系

部分车辆春季和冬季的燃料消耗量与电量消耗量见图7。春季和冬季数据分别沿带状分布，其中春季数据带状区域走势与图4所示的法规试验数据较为接近，只是离散程度较大，这也反映了法规试验与实际行驶的差异。冬季的燃料消耗量和电量消耗量普遍比春季高，离散程度更明显。

在实际行驶过程中，PHEV如果经常充电，在EV状态下行驶比例高，则燃料消耗量将显著降低，同时电量消耗量增加;如果PHEV不经常充电，在低SOC行驶比例较多，则燃料消耗量增加，同时电量消耗量降低。

6 结论

(1)由于PHEV具有不同的行驶模式，因此其能耗特征较传统车辆复杂。PHEV的燃料消耗量与1次充电行驶里程密切相关，当1次充电行驶里程小于EV续驶里程时，燃料消耗量接近0，电量消耗量为最大值;随着1次充电行驶里程的增加，燃料消耗量逐渐与普通HEV相当，电量消耗量逐渐降低。此外，行驶工况、驾驶习惯和季节因素也是PHEV燃料消耗量的重要影响因素。法规试验表明，PHEV燃料消耗量和电量消耗量具有较好的线性相关性。

(2)关于PHEV的能耗测试，我国标准采用的是欧盟法规，其中第2种试验方法与第1种试验方法相比，对能耗评价考虑的因素更多一些;而美国SAE标准还引入了利用系数的加权计算方法，其能耗评价更贴近用户的实际使用情况。但无论哪种试验方法，都是在规定的运转循环下在底盘测功机上进行试验，其测量结果与用户实际使用均有一定的差异。

(3)目前我国标准和欧盟法规只是根据加权计算得到简单的试验结果，无法对PHEV的实际使用进行客观分析。按法规试验进行多个试验循环并进行扩展，能得出接近常温状态下(如春、秋季)实际使用PHEV的燃料消耗量曲线和对应的电量消耗量。但对于空调使用较多的冬季和夏季，法规试验还不能很好地反映实际情况。因此未来在标准中补充空调试验是非常必要的。

(4)道路试验能对PHEV实际使用的能耗进行客观全面的分析，能更直接地反映其技术水平与技术优势。PHEV道路能耗评价须考虑不同出行距离、充电习惯、驾驶习惯和季节因素对能耗的影响，试验数据可用于评估不同情境模式下的PHEV整体能耗消减和社会环境效益。

［1］ Barnitt Robb A，Brooker Aaron D，Ramorth Laurie，et al．Analysis of Off-Board Powered Thermal Preconditioning in Electric Drive Vehicles［C］．The 25th World Battery，Hybrid and Fuel Cell E-lectric Vehicle Symposium ＆ Exhibition．China:Shenzhen，2010．

［2］ Gonder Jeff，Brooker Aaron D，Barney Carlson Richard，et al．Deriving In-Use PHEV Fuel Economy Predictions from Standardized Test Cycle Results［C］．The 5th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference．Dearborn:Michigan，2009．

［3］ Recommended Practice for Measuring the Exhaust Emissions and Fuel Economy of Hybrid-Electric Vehicles，Including Plug-in Hybrid Vehicles［S］．SAE J1711 －2010．

［4］ Uniform Provisions Concerning the Approval of Passenger Cars Powered by an Internal Combustion Engine Only，or Powered by a Hybrid Electric Power Train with Regard to the Measurement of the E-mission of Carbondioxide and Fuel Consumption and/or the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range，and of Categories M1and N1Vehicles Powered by an Electric Power Train Only with Regard to the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range［S］．ECE R-101 Rev．2 Amend．2，2009．

［5］ GB/T 19753—2005轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法［S］．国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会，2005．

［6］ 秦孔建，陈海峰，方茂东，等．插电式混合动力电动汽车排放和能耗评价方法研究［C］．//2010中国汽车工程学会年会优秀论文集，北京:机械工业出版社，2010．