重型混合动力车能耗和排放测试方法研究

的结果进行修正以补偿 RESS 系统存储能量变
化带来的改变，但是前提是净改变量和排放及燃
料经济性之间必须建立了明确的对应关系；如果
净改变量与整个循环总消耗能量相比绝对值大
于 5%，则采集的数据不能进行可靠地修正，这一
轮测试是无效的[9]。对于不同形式（可外接充电
和不可外接充电） 的 HEV 规定了不同的校正程
另一轮测试结果的净改变量为负，这可以确保
种电池的化学特性的理论分析，结合大量实验，
SOC 的计算基于内插值法。为了计算各种排放
研究动力电池的充放电特性，主要是电池的充放
物和燃料经济性的 SOC 校正值，每个测试循环
电效率在不同充放电条件下的一般规律，包括稳
的排放和燃料经济性需绘出以 NEC （净能量变
京
该标准适用于以汽油、液化石油气、压缩天
往会出现测试过程中电功率积分结果显示蓄电
然气和柴油为燃料的重型 HEV。它只有排放测
池电能量增加了，而车辆控制器信息却显示
汽
试方法，没有限值。试验在发动机测功机上进行， SOC 明显下降（蓄电池实际结果是放电，电能量
包括发动机、电动机、能量存储装置及其控制单
储存减少了）。因此，目前标准采用的处理方法还
文章编号：1002- 4581（2010）04- 0023- 05
·重型混合动力车能耗和排放测试方法研究·
重型混合动力车能耗和排放测试方法研究
张佩 Zhang Pei
（武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430070）
摘 要：在分析国内外重型混合动力电动汽车能耗和排放测试研究现状的基础上，指出了我国在重型混合动力车
态充放电特性和瞬态充放电特性及其影响因素，
化）为变量的图表。使用线性内插值法（某些情况
为电池在车载使用条件下 NEC 变化的测量提供
允许采用外插值） 找出 NEC 为零时的燃料经济
理论基础；（2） 确定动力电池组荷电状态的测定
性和排放数值，此即为最终结果。
方法，确定在循环工况测试前后动力电池组
日本标准规定：SOC 和电量平衡等数值在
能耗和排放测试研究过程中的研究重点和技术开发难点，探讨了 RESS 净能量变化对重型混合动力车能耗和排放影响 的修正方法。
关键词：重型混合动力车；能耗和排放；测试方法
中图分类号：U467.4+99:U469.7
文献标识码：A
0 引言
近年来混合动力汽车（HEV）因其良好的节 能环保性能而备受国内外汽车厂商的青睐。目前 国内外对于重型车辆排放评价是采取某种行驶 工况，通过台架试验来评价发动机排放水平。重 型 HEV 在传统发动机的基础上增加了发电机 （GE）和电动 / 发电机（M/G）、蓄能装置（RESS） 等单元，即至少增加了一套动力辅助装置[1]。这 种装置被设计成根据车辆的实际行驶工况，采取 针对性的控制策略，实现车辆节能和降低排放的 目的。对于这种车辆，结构上多了一套动力辅助 装置，由于辅助动力装置的工作，发动机的实际 运行工况分布与测试工况脱离，因此沿用传统重 型发动机评价方法来评价重型混合动力车辆性 能显然已经不合理。同时，传统的重型车辆测试 技术平台还难以实现混合动力车辆的制动能量 回收，这更突显出传统重型车法规测量方法在混 合动力车辆上应用的局限性。但如何测量重型 HEV 能耗和排放却一直没有明确的方法，这也 成为成功引进 HEV 技术的最大挑战之一[2]。
· 23 ·
·重型混合动力车能耗和排放测试方法研究·
荐汽车进行 3 种不同的行驶循环试验，即代表低 速行驶的曼哈顿循环，代表中速的 Orange 郡循环 和代表高速的试验 D 循环。燃料消耗量一般采
2 重型 H E V 能耗和排放测试技术 研究重点
用碳平衡原理测量，如果测量足够准确，也可采 用直接测量燃油箱的质量来确定燃油消耗量。同 时还详细规定了荷电状态（SOC）校正原则和校 正程序。排放测试结果为每英里多少克，燃油经 济性测试结果为等效每加仑柴油多少英里，总燃 油消耗量应为英制热量单位。
《北京汽车》2010.No.4
·重型混合动力车能耗和排放测试方法研究·
循环的适配性不佳[7]，也会导致试验效果不理想。 此外，测量车辆上发动机的扭矩尚未有精确且易 于实现的方法，也未建立统一精确的 SOC 对测 试结果进行补偿和修正的方法。对于道路测试而 言，难点主要在于排放测试设备，必须寻求一种 精度能够达到法规测试等级的测试系统。欧美等 车辆排放治理严格的国家近两年来为开展在用 重型车排放符合性检查的研究（NTE（Not-To-Exceed）方法）[8]，已开发了一种新的测试设备，其精 度和重复性能够满足测试要求，其核心是车载排 放测试技术和发动机负荷测试技术，其中负荷测 试用来获得功率进而得出车辆比功率排放。
而我国的 GB/T19754—2005 标准还未对此制定
相应的校正程序。
车
美国标准规定：若 RESS 系统的存储能量水
平的净改变量与整个循环总消耗能量相比绝对
值小于等于 1%，那么计算燃料消耗和排放时就
不需要对荷电状态 SOC 进行修正了；如果净改
变量与整个循环总消耗能量相比绝对值大于 1%
且小于等于 5%，则要对燃料经济性和排放性能
耗燃料多少升（L/100km）。
环等因素对能耗的影响；（4） 研究整车道路与在
· 24 ·
《北京汽车》2010.No.4
底盘测功机上试验时的能耗差异。在上述研究的 基础上，针对不同形式（可外接充电和不可外接 充电）HEV 分别制定出相应的能量消耗量测试 程序。
2 . 2 重型混合动力车排放测试技术研究重点 虽然国内重型混合动力车的排气污染物测
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
序。对于不可外接充电的 HEV 而言，必须在测试
开始和结束的时候测试 RESS 系统的 SOC 值，
必要时对每个不同的循环工况，最少要做 3 轮测
试循环以确保有足够的数据对 SOC 值进行修
· 25 ·
·重型混合动力车能耗和排放测试方法研究·
正。推荐至少有一轮测试结果的净改变量为正， 原则和校正程序，可按以下步骤进行：（1）通过几
车
元的试验系统连接到测功机上。试验循环为
存在一些明显问题，需要我们研究解决，以提高
JE05 循环，JE05 循环是车速时间循环，试验时要
测试的准确性和精度。
使用轮胎负荷半径、传动比等车辆参数通过计算 转换为发动机参数。此外，它也给出了电量修正 方法。
2 . 1 重型 H E V 能耗测试技术研究重点 相对于传统车辆，HEV 能耗测试技术重点
对于底盘测功机试验而言，其测量准确性较 高，可以精确地控制车辆的运行状态[5]。但需要 事先获取样车在实际道路上的滑行参数，并在底 盘测功机上进行设定。而在获取滑行参数时，由 于受到场地、气候条件等因素影响，可能造成所 获得的数据不能真实反映车辆的运行状态[6]。另 一方面重型底盘测功机价格昂贵，实际测试费用 巨大，底盘测功机的惯量模拟精度及与测试工况
SOC 变化同电池组内部 NEC 变化的关系，制定
排放测试中应在制造厂规定的范围之内，如果超
3 重型 H E V 能耗和排放测试技术 开发难点
重 型 HEV 能 耗 和 排 放 测 试 方 法 一 般 有 2 种：试验室内重型底盘测功机测试和无底盘测功 机的道路测试。虽然测功机技术已经很完善，而 且能够模拟各种道路环境对车辆行驶的影响。但 测功机测试范围存在着一定的局限性[4]，因此道 路测试仍是必要的，它能够弥补实验室测试的局 限性，还可用于与底盘测功机系统对比研究。
虽然这种方案对于常规车辆，在成本、性能 和底盘测功机的控制上存在一些问题，但是它解 决了发动机测试工况与整车运行工况脱节的问 题，同时通过底盘测功机惯量模拟和控制，可以
分析国内外重型 HEV 能耗和排放测试标准 可知，我国的测试技术与美国、日本相比还存在 一定的差距。目前国标推荐的《重型混合动力电 动汽车能量消耗量测试方法》基于燃料热值确定 了一个电能量和燃料量之间的换算关系 （1L 柴 油等效于 3.02kWh 的电能量），利用这个换算关 系直接将电能变化量折算成对应的燃料消耗量。 这种处理方法相对简单，可操作性强，但准确性 不好，评价结论容易与实际性能产生较大偏差。 通过大量的测试发现，主要问题在于以下几个方
文中对重型 HEV 能耗和排放测试方法进行
《北京汽车》2010.No.4
北
了研究，指出我国在重型 HEV 能耗和排放测试
研究过程中的研究重点及技术开发难点，并对
京
RESS 净能量变化对重型 HEV 能耗和排放影响
的修正方法进行了深入分析。
汽
1 国内外重型 H E V 能耗和排放测 车 试技术研究现状
实现测试过程中的制动能量回收，能够全面合理
面：计算这一换算系数时只考虑了发动机工作效
地对重型 HEV 性能作出评价，同时测试结果的
率和电机发电效率，未考虑储能装置的充放电效
重复性和精度较好。
率，而实际上对于蓄电池来说，车辆运行过程中
北
1 . 2 日本标准 1 1 - 6 - 7 4
其充电效率较低，实际储存到蓄电池中的电能量 比充放电功率积分得到的电能量小得多。因此往
目前，国内外重型 HEV 的能耗和排放测试 相关标准很少，只有美国 SAE J2711《混合动力 和传统重型车辆排放性和燃油经济性测试推荐 规程》、日本道路车辆型式批准手册 11-6-74《重 型混合动力电动车排放污染物测量规程》、中国 GB/T 19754—2005《重型混合动力电动汽车能量 消耗量试验方法》。
4 净能量变化对排放和油耗影响的 修正方法研究
由上述 HEV 能耗和排放测试技术开发中的
难点不难看出，其一方面与测试设备有关，对于
这一点，唯有采用精度尽可能高的测试设备；另
北
一方面在于净能量变化对测试结果的补偿和修
京
正方法的确定。目前，美国和日本的测试法规都
已对 SOC 校正原则和校正程序作了详细规定， 汽
燃料消耗量影响关系和修正处理方法的分析上。 同时由于重型 HEV 往往是具有不同用途的车 辆，如用于城市运营、城间运营等，因此需要研究 测试循环差异对于能耗评价结果的影响。此外， 在 HEV 能耗测试技术研究中，还需要对可外接 充电式和不可外接充电式等不同形式进行区分。 特别是对于试验程序的设计和测试评价结果的 计算方法，两者应该是有差异的。综上所述，HEV 能耗测试技术研究重点为：（1） 研究电力储能装 置 SOC 变化对测试结果影响的处理方法；（2）研 究HEV 与传统同类车能耗差异；（3）研究测试循
在辅助储能装置电能消耗量的测量计算，以及对
1 . 3 中国标准 G B / T 1 9 7 5 4 —2 0 0 5 该标准主要参照 SAE J2711，但它只包括燃
油经济性测试，没有限值。测试方法包括底盘测 功机测试和道路测试[3]。测试循环推荐中国典型 城市公交循环，同时给出了 SAE J2711 中推荐的 循环作参考。采用油耗仪或称重法测量燃料消耗 量。汽车的能量消耗量试验结果表示为汽车每行 驶 100km 消耗燃料多少升（L/100km）和汽车每行 驶 100km 消耗电量多少瓦时（Wh/100km），也可 以使用换算公式计算汽车每行驶 100km 等效消
试方法研究与能耗测试方法同期进行，但因试验 设备条件限制及测试方法的实施困难等原因，至 今没有形成标准。故目前国内重型 HEV 只有能 量消耗量试验方法，而没有污染物排放试验方 法。参考 GB/T19754—2005 与能耗测试研究重 点可知，HEV 排放测试技术研究重点为：（1）研 究整车在底盘测功机试验条件下，不同测量方法 的相关性；（2）制定基于底盘测功机的重型 HEV 排放测试程序；（3）研究电力储能装置 SOC 变化 对排放测试结果影响；（4） 研究测试循环对排放 的影响；（5） 研究实际道路下的车辆排放与实验 室测试结果相关性；（6）研究 HEV 与传统同类车 排放差异。同样，在上述研究基础上，需要对可外 接充电和不可外接充电两种电力储能装置形式 分别制定相应的排放测试程序。
1 . 1 美国标准 S A E J 2 7 1 1 SAE J2711 做为一个推荐测试方法，没有给
出限值，对测取的排气污染物种类也没有规定。 它包括油耗测试和排放测试。该规程的制定主要 是为了解决在底盘测功机上重型 HEV 的燃油经 济性和排放性能测量问题，但也可用于其他重型 车辆的底盘测试，包括冷态试验和热态试验。它推