基于实路测试的并联HEV轿车油耗分析

摘要

为考查实际使用情况下某并联HEV轿车的油耗影响因素，在16个月的时间跨度内组织28名实验室技术人员，每名驾驶者实际使用车辆2-4周不等，两辆HEV轿车进行自由和固定路线的实际日常使用，全程记录相关参数，对油耗影响因素进行具体分析。得出实际情况下车速、温度、空调、工作模式、主要系统等方面对油耗的影响情况。实际结果跟工况法测量的油耗存在差距，有助于对该车油耗实际情况了解。


随着节能减排技术的发展，HEV车辆的技术不断进步，产品不断增多，其经济性主要表现在节油率的提高。HEV汽车主要通过以下途径来实现节能减排功能：
（1）采用较小排量的发动机使得发动机工况比较优化
（2）制动回馈，来回收部分制动动能
（3）发动机启停功能，适应拥挤路况
（3）纯电动里程，在低速情况下采用纯电驱动。

优秀的HEV车型比如丰田普锐斯新车型的油耗为4.3/100km，本田雅閣HEV采用i-MMD系统油耗为4.2 1/100km。其中丰田从1997年推广混合动力汽车至今总产量已经突破1000万台。一般情况下，企业公布的这些油耗数据都是根据标准要求按照NEDCSE况测量得到的，数值上跟实际路况上的油耗肯定有差距。为了得到实际数据，必取采用实际路试来得到这些数据。本文以天津这种特大城市作为实验地点，使用两台同型号并联式HEV轿车为试验对象，选择比较典型的路况、运行较长时间（涵盖一年春夏秋冬四个季节）、对HEV汽车了解程度不同的多位非专业驾驶人员来驾驶车辆进行运行。通过在实验车辆上安装车载记录仪得到具体速度、温度、启停情况、发动机工作情况、动力电池SOC等详细运行数据，以便深入分析这些情况对车辆油耗的影响。

一.路跑测试实施情况介绍

路试分为自由路线和固定路线两种情况，其中自由路线路跑测试实施情况如下：在实验室内部选择试驾人员，每人2-4周不等进行驾驶体验，使用该车作为日常通勤以及商务出行车辆。选择的试驾人员居住区域要覆盖不同距离，通勤路线要能够覆盖市区、郊区路况。试驾人员中有对新能源汽车非常了解的行业专家，也有对新能源汽车少有了解的普通试驾者。自由路线路跑测试覆盖四季和典型出行情况，能够代表中国特大城市实际出行用车情况。

固定路线路跑测试实施如下：为了排除不同路况的干扰，更深入的研究HEV的节油性能以及影响因素，进行固定路线路跑测试实施。固定路线共5条，其中4条路线还进行了空调开关对比路跑试验。
几条固定路线说明如下。
固定路线1（R1）：郊区短途；
固定路线2：固定路线2的市区部分（R2C）、固定路线2郊区部分（R2S）；
固定路线3（R3）：郊区；
固定路线4高速部分（R4）；
固定路线5：市区拥堵。

二.车速对油耗的影响

对于固定路线试验数据进行分析，为了减少使用空调带来的油耗影响，选择9月份至11月份（平均气温分别为26℃、18%、11℃）的平均车速和油耗数据进行分析。对5个线路的油耗进行二次拟合，得到的图1所示曲线，与厂家提供的油耗曲线形状和趋势类似，但是实际值高出40%左右。主要因为厂家提供的巡航油耗数据为等速巡航行驶条件中的油耗；而路跑试验的数据还包括部分使用空调的情况。



对于自由路线试验数据的分析，为了最大程度减少空调使用，选择4月份（平均气温20%）和10月份（平均气温17%）的数据进行分析。分析结果如图2所示。可见自由路线油耗与平均车速关系趋势与固定路线下的关系趋势比较吻合。



三．使用条件对节油控制策略效果的影响

怠速启停和EV模式是HEV节能最主要的两个控制策略，这里分析对这两个控制策略作用效果产生影响的因素，以及影响的规律。

1.对怠速启停策略效果的影响

（1）车速对怠速启停策略效果的影响
为了排除其他影响因素，首先对固定路线中拥堵、市区、郊区和高速路线的全部数据进行分析，分别将每条固定路线的每个月怠速启停比例数据的中位值取平均，得到怠速启停比例与平均车速的关系曲线，如图3所示。可见怠速启停比例随着平均车速减小而增加，尤其是当平均车速低于40km/h时，怠速启停比例将随平均车速减小而急剧增加。平均车速较低的时候，停车比例相应上升，增加了怠速起停的机会。



分别选取4月份（平均气温20℃）和10月份（平均气温17℃）代表春秋季、7月份（平均气温34℃）代表夏季、1月份（平均气温3℃）代表冬季的自由路线数据进行分析，可见自由路线的试验结果都基本符合图3中的规律曲线规律，其中春秋季的图形如图4所示。



（2）温度对怠速启停策略效果的影响
分别对拥堵、市区、郊区、高速的固定路线、自由路线全年的数据进行分析，得出其每个月怠速启停中位值，并绘制其与外界气温的关系曲线，如图5所示。可见二者之间并无明显的比例关系。为了排除车速的影响，同时考虑数据量以及怠速启停比例的大小，选择固定路线2一市区部分全年的数据进行进一步分析，也发现温度的变化对于怠速启停比例并无明显关系。



（3）怠速启停对油耗的贡献
本文估算了怠速启停对油耗的贡献：车辆原地点火，怠速状态停在原地持续5分钟后，熄火，计算这段怠速油耗，并分成空调开关两种隋况，结果如表1所示。基本可以认为这种的油耗接近实际车辆的怠速启停节约的油耗，对节油贡献明显。

2. 对EV模式控制策略效果的影响

（1）车速对EV模式控制策略效果的影响



图6为自由路线的EV模式比例与平均车速的关系图。可见EV模式所占比例都随着平均车速的降低而升高。
（2）温度对EV模式控制策略效果的影响



图7为自由路线各月份EV模式比例，EV模式和外界温度之间无法看出明显的关系。同样分析城市、郊区和高速的代表性固定路线EV模式和外界温度的关系，也没有得到明显关系。

四．空调使用对油耗的影响



对固定路线中空调使用状况对比试验数据进行分析，图8为各固定路线所得结果的对比。可见在平均车速较低的路线1-郊区轻轨站（21.42km/h），路线2-市区部分（20.53km/h），以及路况较复杂的城郊过渡区路线2一郊区部分（40.59km/h），空调的开关状态对油耗影响极大，分别平均达到26.33%，17.08%。而在路线4-高速，空调对油耗影响最低，只有4.41%。



关于高速工况下空调对油耗影响较小，初步分析是在高速工况下，EV模式和怠速起停应用较少，但发动机工作在接近最优区，发动机还可向电池充电，使用空调时会优先使用比较节能的电动空调。而市区EV模式和怠速起停功能应用较多，所以电池电量相对较低，使用空调时有更多可能优先使用较耗费能源的机械空调，从而造成了油耗的大幅度升高。

五. 关键系统对油耗的影响

1.发动机

试验车辆配置的发动机在中低转速、高转矩的时候油耗较低。选取NEDCI况法规试验、固定路线2-城市部分以及固定路线4-高速部分8月份的数据，对发动机在实车运行时的真实工作情况进行分析（参见图9）。发动机主要工作在中低转速区域，也有较高频率工作在低转速高转矩的低油耗区，随着平均车速的提高，发动机工作范围将向中高速区扩大。基本上，混合动力控制策略较成功的保证了发动机尽量工作在接近最佳经济区内。同时也可以看出NEDCI况下发动机的工作区域和实际运行时的区域比较接近。



2.电机

选取秋季的数据，对电机在不同工况下实车运行时的真实工作情况进行分析，参见图10。对比电机系统效率MAP图可见，在大多数电动工况下，电机系统基本可以保持工作在高效区；而在低转速高馈电扭矩区，电机系统的效率相对要低一些。



通过不同工况下电机工作点的对比，可见NEDCI况基本可以覆盖中国实际工况中较频繁出现的电机工作区域。但是可以看到，中国实际工况，尤其是拥堵、市区和部分郊区工况下，在低转速高馈电扭矩区的出现频率明显高于NEDCI况，在高速区的出现频率远远低于NEDCT况；这主要是因为中国实际工况相较于NEDC所代表的欧洲工况，拥堵情况更多，所以低速制动更频繁，高速行驶较少。而低转速高馈电扭矩区恰恰是电机效率较低的工作区，所以相对于NEDCI况，中国实际路况对该电机系统的考验更加严厉。

3.动力电池


对电池的工作状态进行了统计。图11至图12为自由路线各月份电池的平均温度和最低SOC。从中可以清楚看出温度和最低SOC间的关系，温度低，最低SOC高；温度高，SOC低。这跟电池充放电性能收电池温度影响较大有关。另外动力电池跟油耗的关系比较复杂，试验数据有限，这里不加分析。