（车辆工程专业论文）重型混合动力电动汽车能耗测试及评价方法研究.pdf

摘要 近年来在能源需求快速增加和环境保护的压力下，电动汽车技术得到了迅速 的发展，世界上许多国家的主要汽车制造商正在逐步将电动汽车商业化。“十五 8 6 3 期间，我国“电动汽车重大专项 在混合动力电动汽车研发领域更取得了长 足进展，成功研制出高性能指标的功能样车和产品样车，并且部分成果已经投入 示范运行，进入到实用条件下的技术考核和验证阶段。但就目前国内汽车检测技 术而言，h e v 的考核尚无定论，这将成为商业引进h e y 的最大挑战之一。 本文从h e v 整车能耗入手，在现有传统汽车试验检测能力的基础上，充分研 究了国内外混合动力电动汽车检验评价体系的现状和发展趋势，及其对检测技术 方法的要求和当前存在的关键问题。通过调研，重点研究了重型混合动力能耗测 试技术，主要内容包括基于能量变化法评估混合动力车辆能耗方法、在h e v 中可 再充式能量储存系统的分类及其净能量变化的计算方法、燃油消耗与电能量消耗 的结合方法、s o c 变化对测试结果影响的处理方法以及混合动力车辆与传统同类 车辆能耗差异等内容。建立了以道路测试技术为基础的、基于g b t 1 7 9 5 4 - 2 0 0 5 重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法的重型混合动力电动汽车能耗测 试方法，并通过实车验证获得了相关性经验及规律。研究了在现有技术条件和测 试方法上所能达到的h e v 测试水平，通过分析目前测试方法上存在的问题提出了 可行性建议，为将来标准的完善和相关政策的出台做出贡献。 因为空调工作的不确定性，在现有的能耗测量方法中不推荐在空调开启的情 况下进行试验，但空调对于测量的影响不能忽略。针对此情况本文设计了h e v 开关空调下的能耗试验，分析了空调对h e y 能耗和排放性能的影响。结果表明开 启空调会增加约4 0 的能量消耗。 测试 关键词：h e v 能耗，可再充式能量储存系统，油电换算关系，碳平衡法，空调 a bs t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，u n d e rt h ep r e s s u r e o fe n e r g yd e m a n da n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，e l e c t r i cv e h i c l et e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y i nm a n yc o u n t r i e s m a j o rc a rm a n u f a c t u r e r sh a v eb e i n gm a d ee l e c t r i c v e h i c l e sc o m m e r c i a l i z a t i o n g r a d u a l l y ”h v e - y e a rp l a n p e r i o do f8 6 3 c h i n a s ”s p e c i a lm a j o re l e c t r i cv e h i c l e ” p r o j e c tm a d eab i gp r o g r e s si nt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e b u th o w t oe m b o d yt h e a d v a n t a g e so ft h eh e v , a sw e l la sh o wt om e a s u r et h ep e r f o r m a n c eo fh e ve n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a v e b e e nn oc l e a rw a y a n dt h i sw i l lb e c o m eo n e o ft h eb i g g e s tc h a l l e n g e si nc o m m e r c i a li n t r o d u c t i o no fh e v t h i sa r t i c l es t a r t e df r o mt h ev e h i c l e se n e r g yc o n s u m p t i o n t h r o u g ha n a l y s i so f v e h i c l ee m i s s i o n sa n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，i tc o u l di l l u s t r a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f h e vi ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g y - s a v i n g b a s e do nt h ec u r r e n tt r a d i t i o n a l a u t o m o b i l et e s tc a p a b i l i t y ，i tw i l ll e a dar e s e a r c ho nt h es t a t u so fh y b r i de l e c t r i c v e h i c l et e s t i n ga n de v a l u a t i o na sw e l la st h ed e v e l o p m e n tt r e n d a c c o r d i n gt ot h e t e c h n o l o g ya n dc o n d i t i o no ft h et e s t ，t h ea r t i c l ed e s i g n sat e s t i n go fh e v se n e r g y c o n s u m p t i o ni no r d e rt ol e a dal e v e ls t u d y i n g t h r o u g ht h i st e s ts o m ep r o b l e m so r a d v i c es h o u l db ep u tu p u s i n gc o n v e r s i o n o ft h ef u e l e l e c t r i c i t ya c c o d i n gt o g b t 1 7 9 5 4 2 0 0 5a n dc a r b o n b a l a n c em e t h o d ，t h i sa n i c l ep r e s e n t st w om e t h o d st o e v a l u a t eh e v se n e r g yc o n s u m p t i o na n df i n a l l yf o r m sae v a l u a t i o ni n d e x b e c a u s eo fu n c e r t a i n t yo fa i r - c o n d i t i o n i n g , t e s tw i t ha co p e ni sn o t r e c o m m e n d e db ya v a i l a b l ee n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o d s i nt h i sc a s e t h ea r t i c l ed e s i g n sah e v se n e r g yc o n s u m p t i o nt e s tw i t ht h ea i r - c o n d i t i o n i n go p e n t h et e s td a t as h o w st h a tt e s tw i t ha i r - c o n d i t i o n i n go p e nc a nl e a dt oah i g hl e v e le n e r g y c o n s u m p t i o n ，i tw i l li n c r e a s e4 0 m o r et h a nt h et e s tw i t h o u ta i r - c o n d i t i o n i n g k e yw o r d s ：e n e r g yc o n s u m p t i o no fh e v ；r e c h a r g e a b l ee n e r g ys t o r a g e s y s t e m ；c o n v e r s i o no fe l e c t r i c i t ya n df u e l ；c a r b o nb a l a n c i n gm e t h o d ；t e s t i n gw i t h a c o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：朔缸j 、l 、 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：印即、一 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来在能源需求快速增加和环境保护的压力下，电动汽车技术得到了迅速 的发展，世界上许多国家的主要汽车制造商正在逐步将电动汽车商业化。纯电动 汽车是一种无污染汽车，但由于生产和使用的成本较高，行驶里程短，现阶段还 难以满足顾客的要求，只能在城市社区等区域内使用。尽管纯电动汽车的使用技 术还不够成熟，但由于它可使用的能源多种多样，节能环保，因此世界上的主要 汽车制造商都在抓紧对其进行技术开发。混合动力电动汽车能源利用效率高、对 环境的污染小、行驶里程长，但其结构复杂、生产和使用的成本较高，目前技术 已基本成熟，已经初步达到顾客的使用要求，是现在正在致力于商业化的一种主 要车辆类型。 “十五 8 6 3 期间，我国“电动汽车重大专项”在混合动力电动汽车研发领 域更取得了长足进展，成功研制出高性能指标的功能样车和产品样车，并且部分 成果已经投入示范运行，进入到实用条件下的技术考核和验证阶段。这些技术上 的突破为我国实现电动汽车产业化奠定了重要基础。当前，混合动力电动汽车要 真正走向商业化还面临着成本高、电池电机等核心技术仍未彻底解决等障碍；除 此之外，检测评价体系和检测能力的不足也严重制约了电动汽车产业商业进程。 因此，在进一步强化电动汽车核心技术研究和开发的同时，还亟待建立完善、科 学、公正的节能新能源车辆评价体系，健全节能新能源车辆的检测评价能力。通 过对混合动力电动汽车检测技术的深入研究，建立健全这类车辆的检测评价体系 和能力，实际上也就是为节能新能源车辆建立了市场导入规范和机制，营造了健 康、良好的成长环境。同时，也将为这类车辆的研发机构、生产单位进行技术改 进、产品优化提供科学的依据和完善的技术平台。这些都有助于促进我国在电动 汽车领域多年来的科研积累，完成由“成果 向“产品 ，进而向“商品的转 化和过渡。 1 2 研究的目的与意义 近年来混合动力电动汽车( h e v ) 因其良好的节能环保性能而备受国内外汽 车厂商的青睐，h e v 在传统发动机的基础上增加了发电机( g e ) 和电动发电 机( m g ) 、蓄能装置( r e s s ) 等单元构成，在减速时可以再生制动能量，从这 个特性来讲，建议不要单对发动机单元而是对整个车辆系统进行评价，但如何测 量h e v 能耗和排放却一直没有明确的方法，这成为成功商业引进h e v 技术的最大挑 武汉理工大学硕士学位论文 战之一。本文从整车能耗角度入手，在现有传统汽车试验检测能力的基础上，充 分研究国内外混合动力电动汽车检验评价体系的现状和发展趋势，及其对检测技 术方法的要求和当前存在的关键问题，通过测量并分析车辆能耗特点来说明h e v 在节能环保方面的优势。通过相关测试设备、系统的研制、开发，形成切实可行 的h e v 整车测试技术以及覆盖国内外电动汽车标准法规的整车测试评价能力，并 同时满足标准化认证测试和产品研发的双重需要，以此进一步促进我国电动汽车 领域的产业化进程。 1 3 研究的内容与技术路线 1 3 1 研究的主要内容 为研究本课题，参照美国汽车工程学会2 0 0 2 年9 月提出的 电池的容量：指电池在一定放电条件下所能放出的电量。它分为实际容量和 额定容量，用c 表示，单位为a h ( 安时) 。实际容量指电池在一定条件下所 能输出的电量，它等于放电电流和放电时间的乘积。额定容量也称公称容量， 指在一定标准所规定的放电条件下，电池应该放出的最低限度的电量。 电池的s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) ：指电池的荷电状态，即当前电池所具有的能 量( a h ) 占其最大容量( a h ) 的百分比。 电池的能量：指在一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的电能，单位 为w h ( 瓦时) 或k w h ( 千瓦时) 。它分为实际能量和标称能量，实际能量等 于电池的实际容量与平均工作电压的乘积，标称能量等于电池的额定容量与 其额定电压的乘积。 能量密度有质量能量密度和体积能量密度之分。质量能量密度指电池单位质 量所能输出的电能，单位为w h k g ( 瓦时千克) 。体积能量密度指电池单位 体积所能输出的电能，单位为w h 几( 瓦时升) 。 电池的使用寿命：指在规定条件下，电池的有效寿命期限。由于电池内部短 路或容量达不到额定要求而造成电池使用失效，其使用寿命终止。电池充电 和放电一次称为一个循环。按一定的测试标准，当电池容量降到某一规定值 以前，电池承受的充放电循环次数，称为电池的循环使用寿命。 电池的功率：指在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为w ( 瓦) 或k w ( 千瓦) 。单位质量或单位体积的电池输出的功率称为功率密度，单位 为w k g 或w l 。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 电池的放电制度：指放电速率、放电形式、终止电压和温度。放电速率简称 放电率，常用小时率和倍率表示。小时率指以放电时间表示的放电率，即以 某电流放电至规定的终止电压所经历的时间( h ) 。倍率指电池放电电流的数 值为额定容量数值的倍数。终止电压指电池放电时电压下降到不宜再继续放 电时的最低工作电压。 目前应用于电动汽车的动力电池主要有铅酸电池、氢一镍电池、锂离子电池 等，其中在h e v 应用最多的是氢一镍和锂离子电池。各类电池性能对比如表3 - 1 所示。 表3 - 1 电池性能比较表 能量密度 功率密 寿命院电成 种类特点问题度 次数本 w h k g w h ，l w k g 密封 功率密度较大能量密度低 3 58 02 4 0 0 。8 0 0低 铅酸 功率密度和能成本高，温度 6 0 0 - 较 氢一镍6 51 5 52 量密度大特性差1 2 0 0高 功率密度和能较 镍锌寿命短7 01 3 02 0 03 0 0 - 4 0 0 量密度大高 锂离高电压，高能很 成本高1 1 0 1 6 02 0 0 5 0 0 子量密度高 氢一镍电池属于碱性电池，它不存在重金属污染，被成为“绿色电池。n i _ 姗 电池正极的活性物质为n i 0 0 h ( 放电时) 和n i ( o h ) ：( 充电时) ，负极板的活性物质 为h 。( 放电时) 和h ：o ( 充电时) ，电解液采用3 0 的氢氧化钾。充电时，水在电解液 中分解为氢离子和氧离子，氢离子被负极吸收，负极从金属转化为金属氢化物； 放电时，氢离子离开负极，氢离子和氢氧离子在电解液氢氧化钾中结合成为水并 释放电能。目前n i 一姗电池所能达到的性能指标为：单体电池标称电压为1 2 v ；能 量密度( 3 h ) 为5 5 w h k g 7 0 w h k g ；功率密度为1 6 0 w k g - - - , 5 0 0 w k g ；快速充电： 从满容量的4 0 充到8 0 为1 5 m i n ：t 作温度为一2 8 。c + 5 0 。c ：循环使用寿命超过 1 0 0 0 次( d o d = 1 0 0 ) 。 n i - 删电池的优点是：能量密度、功率密度较好，循环使用寿命在实际电动汽 车用电池中是最高的：快速充电和深度放电性能好，充放电效率高，降低能量损 失，减少发热量。 n i 一删电池的缺点是：成本高：单体电池电压低( 1 2 v ) ；自放电损耗大：对环境 武汉理工大学硕士学位论文 温度敏感，电池组热管理要求高。 h e v 动力电池组是经常处于充、放电状态，且充、放电不规则，这对电池的 寿命带来严重的影响。经实践氢一镍电池应用在不同放电深度下工作时其充放电 特性几乎不发生变化，比较适合h e v 的工作模式。我国“8 6 3 电动汽车重大专项 混合动力电动汽车( h e v ) 用高功率型氢一镍动力电池主要技术参数： 容量：5 a h 2 0 a h ( h e v 轿车) ，4 0 a h 8 0 a - h ( h e v 客车) ； 单体电池功率密度 6 0 0 w k g ，能量密度 4 0 w h k g ： 电池工作温度：2 0 0 c + 5 5 0 c ； 电池组寿命：可满足h e v 行驶1 0 万公里； 锂离子电池是所有可充电电池中综合性能最优的一种新型电池。与其他电池 相比，锂离子电池应用于电动汽车时，在容量、功率方面均具有较大优势。国内 外许多单位对锂离子电池在电动汽车方面的应用都表现出特别的关注。 锂离子电池的优势：能量密度、功率密度高；比功率高，功率输出密度大； 单体电池电压高( 4 v 左右) ；充放电效率高。 当前，锂离子电池存在的主要问题是：快速充、放电性能差、价格高和过充放 电保护等。在过充或过放的条件下，锂电池可能发生火灾或爆炸。锂离子电池安 全性与散热紧密相关，电池散热受反应速率控制等诸多因素影响，仅考虑单一因 素无法确定是否安全。因此为确保电池的安全性，必须使用电池管理系统，此法 虽然有效，但增大了电池的成本和体积。 国家”8 6 3 ”电动汽车重大专项规定h e v 用锂离子动力电池主要技术参数： 单体电池功率密度 8 0 0 w k g ； 电池能量密度 7 0 w h k g ； 电池组寿命：可满足h e v 行驶1 0 万公里。 3 3 2 超级电容器 超级电容器准确地说应称为电化学双电层电容器( e l e c t r o c h e m i c a ld o u b l e l a y e rc a p a c i t o r ) ，是一种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能元 件，其储能方式与传统电解质电容不同。传统电容器是通过电极间的电解质在电 势能作用下产生极化效应而存储能量，而电化学电容器在电势的作用下，依靠电 解质与电极间形成特有的电双层结构( e l e c t r i cd o u b l el a y e r s ) ，通过电解质极化以 静电方式来存储能量。电化学电容的容量远大于传统电容，达到1 0 3 1 0 4 法拉级。 超级电容可以在短时间大电流充放电( 一次充放电只需要几分钟) ，循环寿命 长( 能反复充放电使用寿命超过1 0 0 0 0 次，极限寿命可达1 0 万次，为一般电池的数 十倍以上) ，充放电效率高，可以正常工作的温度范围宽( 3 5 0 c - 7 5 。c ) 。因此， 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 在混合动力汽车上作为辅助能源的应用前景广阔。 超级电容器在混合动力电动汽车中的作用非常明显： 1 、提供优越的动力性能 由于超级电容器具有非常高的功率密度，因此能较好地满足电动汽车在起 动、加速、爬坡时对功率的需求，若与动力电池配合使用，则可减少大电流充放 电对电池的伤害，延长电池的使用寿命。 2 、高能量回收率 汽车在行驶过程中至少有3 0 的能量因热量散发和制动而消耗掉。由于蓄电 池充电是通过化学反应来完成的，所需时间较长，回收能量效果不佳。超级电容 器独有的高比功率特性，非常适合用于制动过程中能量回收。 3 、优化储能设备性能 超级电容器妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般 来说，比能量高的贮能体系其比功率不会太高；同样，一个贮能体系的比功率 比较高，其比能量就不一定会很高。超级电容器在提供1 5 k w k g 高比功率输出的 同时，其比能量可以达n 5 2 0 w h k g 。将它与蓄电池组合起来，就会成为一个兼 有高比能量和高比功率输出的贮能系统。 4 、极好的低温性能 超级电容具有极好的低温性能，能在低温情况下，保持大电流充放电能力。 在寒冷地区，发动机的冷起动对蓄电池提出了特殊的要求，蓄电池必须提供瞬间 大功率，发动机才可能起动。然而，一般蓄电池不具备这种特性。通过研究发现， 如果把超级电容和蓄电池联合用在发动机起动系统，发挥超级电容的独有特性， 构成新型的起动系统，这个问题就可迎刃而解。 5 、辅助性能 超级电容器除了可以用做混合能源电动汽车的辅助动力系统外，还可用在车 载空调、车锁、车窗和车灯等电器的自动开关使用上。 综上可以看出，在复合电源系统中，超级电容器的存在减少了主电池的功率 负荷、避免了大电流冲击电池、延长了电池寿命。并且，车辆能量回收及蓄电池 尺寸小型化可以大大提高能量利用率。因此，超级电容器是近年来电动汽车动力 系统开发中的重要领域之一。 3 3 3 飞轮电池 飞轮电池或者叫飞轮储能器是将旋转的惯性能量转化为电能储存起来的储 能装置，这种形式的储能器目前尚处于起步阶段，相信今后的发展空间会很大。 飞轮电池一般是由飞轮转子、电动发电机、磁轴承系统、电力电子变换装 武汉理工大学硕士学位论文 置和真空容器等部分构成，结构如图3 - 8 所示。 图3 8 飞轮电池结构简图 当给飞轮电池充电时，集成的电动发电机以电动机的形式运行，电能通过电 力电子变换装置从外部输入，以驱动电动机带动飞轮加速旋转，从而完成电能到 机械能的转换过程，使能量以动能的形式存储起来：当外部负载需要能量时，飞轮 电池就放电，此时电机处于发电机运行状态，把飞轮存储的动能通过电力电子变 换装置转换成负载所需要的电能，完成机械能到电能的释放。 飞轮电池在混合动力驱动系统中可以起到以下两个方面的主要作用： ( 1 ) 稳定主动力源的功率输出。在混合动力汽车起步、爬坡和加速时，飞轮电 池能够快速、大能量放电，为主动力源提供辅助动力，并减少主动力源的动力输出 损耗。 ( 2 ) 提高能量回收的效率。在混合动力电动汽车下坡、滑行和制动时，飞轮电 池能够快速、大量的存储动能，充电速度不受“活性物质 化学反应速度的影响， 可提高再生制动时能量回收的效率。 3 4 本章小结 本章介绍了串联式、并联式混合动力电动汽车的工作特点及其动力驱动系统 能量来源方面的内容，分析了两种动力型式下动力源能量传递的变化及其主要能 量损失。重点介绍了可再充式能量储存系统r e s s ，对于h e v 来说目前较为成 熟的应用有动力蓄电池、超级电容器和机电飞轮，本章分别讲解了这三种r e s s 系统的基本内容并分析了其在h e v 上应用的优缺点。这部分内容是h e v 能耗理 论的基础部分，它为后续章节打下基础，是本文的关键部分之一。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章h e v 能耗测试方法研究 4 1 国外测试方法简述 随着电动汽车技术的日益成熟，相应的标准法规也在不断完善之中。对于 h e v 整车能耗的测试方法，国内外先后制定了若干试验标准，如i s 0 2 3 2 7 4 混 合动力电动汽车污染物排放和燃料消耗测试( 不可外接充电) 、s a e j l 7 11 1 9 9 9 混合动力汽车排放和燃油经济性试验方法、s a e j 2 7 1 1 2 0 0 2 混合动力和传 统重型车辆排放和燃油经济性测试推荐规程、g b t 1 9 7 5 3 2 0 0 5 轻型混合动力 电动汽车能量消耗量试验方法、g b t 1 9 7 5 4 2 0 0 5 ：重型混合动力电动汽车能量 消耗量试验方法纠体1 s i ，以及若干关于h e v 的测试方法。 4 1 1 日本方法 传统重型车试验方法利用j e 0 5 工况运行下的发动机运行条件，在发动机测 功机( e 仍) 上再现其运行条件进行测试。重型h e v 需要通过h e v 本身的控制 逻辑使发动机运行，因此不能用与传统重型车一样的方法决定发动机运行条件。 为了在e d 上反映h e v 固有的控制逻辑，研究了下述( 1 ) 和( 2 ) 项的试验方 法。 ( 1 ) 系统台架法 h e v 在传统发动机的基础上增加了发电机( g e ) 和电动发电机( m g ) 、 蓄能装置( r e s s ) 等单元构成，在减速时可以再生运动能量，从这个特性来讲， 建议在评价时不要单对发动机单元而是对整个车辆系统进行评价。但是当对整个 车辆系统进行评价，需要带有排放测试装置的重型车用底盘测功机，加大了成本。 对此提出了将混合动力系统在发动机测功机( e d ) 上运行的“系统台架法”。 该方法采用将混合动力系统整体在e d 上运行的方式进行测试，运行条件主 要是针对系统整体输出轴端进行计算，不需要移植到控制逻辑的变换算法中，因 此通过增加计算负向扭矩，可沿用传统重型车的变换算法。e d 采用d c 测功机， 在每个转速下以事先学习相对于油门开度的发动机扭矩值的方式来控制运行。在 试验时，e d 由速度控制，系统由扭矩控制。该方法目前尚无法适用于四轮驱动 等结构复杂的系统，但在重型h e v 的试验中应该是没有问题的。 在系统台架法中难度最大的是需要对传统重型车试验方法中所没有涉及到 的负向扭矩进行控制，对于负向扭矩运行精度尚有待提高。对于不需要外部充电 的h e v 尤其是柴油h e v 进行试验时，能量储存装置的充电状态试验前后的差值 ( 彳s o c ) 应为零或者小到可以忽视，这是非常重要的。因此在测试过程中要注 2 4 武汉理工大学硕士学位论文 意对s o c 净变化公差的分析。 采用该试验方法进行试验时，需要做实际评价，但是存在一些问题。比如 1 、e 仍运行精度对试验值产生很大影响； 2 、需要修正r e s s 的充电状态( s o c ) ，因此需要增加试验次数。 ( 2 ) 半实物仿真试验( h i l s ) 利用h i l s ( h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n ) 可以同传统重型车试验方法一 样计算发动机单元的运行条件和油耗，进行与传统重型车相同的e d 试验。在 h i l s 中，利用各单元( 发动机、发电机、电动机、储能装置、变速器等) 模型 和实机e c u 进行计算，因此可以再现h e v 固有的控制逻辑。而且e d 试验是 发动机台架试验，因此可以对应包括四轮驱动在内的重型h e v 试验。h e v 的发 动机运行条件由车辆固有的控制逻辑决定，因此将实车e c u 和h e v 各单元模型 组合起来即h i l s 求出运行条件，在此基础上结合油耗图形计算出油耗，而车辆 排放情况则将运行条件和油耗情况再现于e d ，进行测定。 为了验证h i l s 的计算精度，针对图4 1 结构的并联式h e v 货车( 自然吸气 6 缸柴油机、电容器、手自一体式变速器a m t ) 建立h i l s 模型，对计算值和实 测值进行比较，采用了以下流程。首先，通过滑行试验计算实车的行驶阻力，然 后将该数值输入到h e v 模型，滑行时间与实车是一致的。其次，在油门开度一 定时匀速和加速、制动间隙一定时的减速、以及j e 0 5 循环的行驶条件下，比较 m g 扭矩指令值、电容器功率、电流、电压以及发动机转速、扭矩指令值，确认 h i l s 的实车再现性。此时，采用的油门开度和制动间隙以及档位信号以实测值 ( 以下简称为实车操作量) 为准，消除了实车驱动和驱动模式的操作差异带来的 影响。油耗方面针对j e 0 5 工况和市区工况( j e 0 5 工况中6 4 4 - - 1 4 1 0 秒阶段) 进 行了验证。 图4 1 测试h e v 的结构组成 经验证，在h e v 模型中输入实车操作量，进行加速以及减速行驶结果，车 速、m g 扭矩指令值、电容器功率、电流、电压以及发动机扭矩的计算值与实测 武汉理工大学硕士学位论文 值基本一致，具有高达0 9 以上的相关性；j e 0 5 工况和市区工况中，采用驱动模 式操作的油耗计算值和实测值的差异在2 以下，基本一致。从以上结论可知， 利用h i l s ，可以对并联式h e v 发动机单元的运行条件进行高精度计算。 上述两种方法可操作性强，计算精度高，可以利用现有设备，不会增加额外 成本。但模型无法适应所有车型的试验要求，在测量不同h e v 时需要对模型进 行相应的调整，这样就带来了许多麻烦。若能提高模型适应性，使其标准化则此 种方法将会得到广泛应用。 4 1 2 美国方法 关于s a e j l 7 1 1 1 9 9 9 和s a e j 2 7 1 1 2 0 0 2 ，是美国在西弗吉尼亚大学车辆试验 室对重型混合动力车辆和传统车辆试验的数据基础上编制的具有指导意义的试 验规程。该方法基于底盘测功机技术，建立了一套准确、统一、重复性强的h e v 常规车辆排放和燃油经济性试验方法。其中s a e j l 7 1 1 1 9 9 9 针对可外接充电或不 可外接充电的轻型车辆，s a e j 2 7 1 1 2 0 0 2 针对可外接充电或不可外接充电的重型 车辆1 4 2 1 。针对重型h e v 的测量重点来看s a e j 2 7 1 1 2 0 0 2 ，该规程主要分为以 下部分： 1 、关键名词与专业术语介绍 混合动力电动汽车：一种道路车辆，其驱动能量来源于以下两部分：燃料消耗 释放的能量和可再充式能量储存系统提供的能量。 电量耗尽型h e v - 在正常使用过程中需要通过外界充电的h e v 。 电量维持型h e v ：在正常使用过程中驱动能量均由车载能源提供的h e v 。 再生制动：车辆制动时通过电动机回馈能量给车辆驱动系统，或对可再充式 能量储存系统充电，或给附属装置供电。 可再充式能量储存系统( r e s s ) - 一个可储存能量的部件或系统，由车载发电 机或车外电源对其补充能量，典型代表有动力蓄电池、超级电容器、飞轮电池等。 净能量变化( n e c ) ：r e s s 系统的能量变化，用j 或w s 表示。 2 、测试工况 测试可以视情况选择工况，方法推荐了三个工况。 第一个为曼哈顿工况，代表车辆低速行驶工况 武汉理工大学硕士学位论文 图4 - 2 曼哈顿工况 第二个为城市重型车辆底盘测功机工况u d d s ，代表车辆较高速度行驶工况 图4 3u d d s 工况 第三个为o r a n g ec o u n t y 工况，代表车辆中速行驶工况 时向 图4 4o r a n g ec o u n t y 工况 武汉理工大学硕士学位论文 电量维持型h e v 需要更长的测试时间，这样可以增加n e c 小范围变化的可 能性。考虑到司机的疲劳度和车辆学习能力的限度，方法中建议测试时间最长不 宜超过2 小时。若是背靠背测试，则每次测试时间不宜超过3 0 分钟且中间至少 有1 分钟怠速工况。 3 、测试前准备。 测试场地准备：测试场地的气温在7 3 8 且要在测试前后记录，电池的冷却 措施、过流的保护措施和其他安全相关的措施要准备齐全。 测试前数据收集：包括车辆识别代码、生产年份、整备质量、最大总质量， 发动机生产商、发动机序列号、生产年份、排量、气缸数、额定转速和功率，轮 胎型号，变速箱类型，尾气后处理技术，电动机的型号、转速、功率，r e s s 系 统的类型和容量等等。 测试车辆准备：车辆要行驶至4 0 0 0 英里或生产商要求的里程数，r e s s 能量 充满，公交车加至最大载客人数的一半重量，卡车加至最大载重量的7 0 ，轮胎 压力符合生产商出厂标准，车辆使用试验用油进行测试，测试前进行一个完整的 预循环，预置s o c 。 可再充式能量储存系统状态：对于电量耗尽型h e v ，测试前r e s s 能量要充 满。对于电量维持型h e v 其s o c 要根据生产商要求进行调整，若发现s o c 低 于下限，则要及时维修，期间所做测试无效。 4 、数据修正 测试所得原始数据需要进行修正，因为常规车辆完成测试，其驱动能量完全 由发动机燃料提供，没有其他能量源。而对于h e v ，有相当一部分能量储存在 r e s s 当中，且这部分能量在不断变化，会影响油耗和排放测试结果。 但也不是所有的测试数据都需要修正，s a e j 2 7 1 1 2 0 0 2 以n e c 占总能量消 耗的比例做为修正前提。当此比例 油耗仪 采用f l o w t r o n i c 2 1 0 型j 的柴油油耗仪。l 炙油耗仪有4 个油路接，分别跨 接在连接油箱和发动机的进汕和油油路中川。测试循耳外婚时打”油耗仪，r 叮 以准确测量下辆运行整个删试循环所消耗的油节。 电功计 w t l 6 ( y j 型数宁功率计，用于测试电力系统的专业仪器，”，以同时测试多路 电压、电流、相交、功率、功率因数等参数，包括这些参数的有效值、平均值、 苴斑成分、变流成分、谐波等，其采样精度符台试验要求。其l 】： t 机( 7 6 0 1 0 1 2 2 - c 2 - r i b 5 ( 2 1 0 h ，配首1 了叫个测试模块，连个5 安培，两个 5 0 安培，即在剃4 试5 0 a 以r 时不用传感器直接测试，在电流人于5 0 安培时使肆j 传感器连接5 安培的模块，这样可以保证比较高的测试精度。 电流传感器( 7 5 1 5 7 4 ) ，高精度的电流传感器( 万分之血) ，这种传感器不 町以jrr l ( 吲为不存在u ，以丌1i 的高精度传感器) ，其测显原理为 乜磁感应原理。 r u 流传感器端连有卡钳，将其卡任进出l 乜池的电流母线j 即f 测量。 u 压则通过甘线将信号引入主机。p 进行测量，其测母精度州电流。 ，t 况跟踪系统o b d c t s ( o nb o a r dd r i v i n gc y c l et c s t i n gs y s l e m 、 安装在乍身的 珊i _ | f 】i ，川十寅i ij 洲耿车辆的实际行艘速度，采集刮的述度信 武汉理工大学硕士学位论文 息实时传送至车速跟踪软件，司机根据跟踪软件的车速显示情况进行合理的加减 速操作，已达到很好地跟踪设定循环的目的。同时跟踪软件还将采集到的实际车 速数据存在电脑里，作为整个测试结果分析的基础数据。 o b s 2 2 0 0 ( o nb o a r ds y s t e m ) 这是h o r i b a 公司推出的车载排放测试设备。测量功能包括c o 、h c 、n o x 、 c 0 2 的浓度，排气流量，排气温度、压力以及车速、环境温湿度等。该排放测试 设备已经通过美国e p a 的相关认证。o b s 系统是由抗震的气体分析仪单元、用 来系统控制和数据记录的计算机、附属传感器和连接在尾气管的流量计组成的。 车辆排放污染物中的c o 、c 0 2 的浓度是由n d i r 分析仪测量；t h c 浓度则是由 f i d 分析仪测量：n o x 浓度由c l d 分析仪测量。气体分析仪的分析数据和附属 传感器的数据通过控制软件储存在计算机中。外部信号通过o b s 的附属接口输 入到计算机中。在软件中可以根据经纬度数据得出车辆的行驶路线，并且根据流 量得出车辆污染物的质量排放量和燃油消耗率。 用于本次测试的o b s 2 2 0 0 已经在之前的多个项目中得到应用，结果表明它 的测量结果和实验室用于法规测试的系统相比，具有很高的一致性和相关性。本 次试验中，利用o b s 2 2 0 0 测得的污染物浓度和排气流量结果，计算出测试循环 中各种污染物的排放总量。然后结合车速结果，计算出车辆在测试循环中的排放 因子。 e l p i ( e l e c t r i cl o w e rp r e s s u r ei m p a c t o r ) e l p i 是芬兰d e k a t i 公司推出的颗粒物测量仪器。具备颗粒物数目浓度和 质量浓度实时测量的能力，同时按照粒径的大小对样气中颗粒物进行分级，从而 给出排气中颗粒物在各个粒径尺寸上的浓度分布情况。另外测试过程中，借用 o b s 系统测量的流量结果和e l p i 的实时浓度结果，还可以计算出测试循环中颗 粒物排放的数目总量和质量总量。 e l p i 主要由三个部分组成：一个串级撞击器，一个线管级电晕和一个多通 道静电计。带过滤级的串级撞击器测量粒径范围为7n l n 一1 0 m ，对测量颗粒物 按照空气动力学原理进行1 3 级的粒径分割。每一级撞击器都包含一个收集盘和 一个其上带有喷孔的喷射盘，根据每一级收集的颗粒物粒径，喷孔的数目和大小 有所差异。根据空气动力学原理，粒径较大的颗粒具有较大的惯量，经过第一个 撞击器级时，大粒径的颗粒物无法随气流转弯而被第一个收集盘收集，中小粒径 的颗粒由于惯量较小而顺利通过第一级撞击器。在经过第二级撞击器的喷射盘 时，由于喷孔的直径变小，颗粒被加速，因而中等尺寸粒径的颗粒无法绕过第二 个收集盘而被收集。依此原理，小粒径的颗粒通过第二个收集盘后，在通过第三 级撞击器的喷射盘时再一次被加速，而被第三级撞击器的收集盘收集。 武汉理工大学硕士学位论文 其它辅助设备 测试过程中还用到的其它辅助设备包括：为所有测试仪器提供电力的汽油发 电机一台；保障关键测试仪器中途不受发电机意外断电影响的u p s 电源一台； 为e l p i 加热稀释系统提供稀释空气来源的空压机一台；为e l p i 以固定速率抽 取样气的真空泵一台。 在测试系统设计时，还采用了几个辅助设备：发电机( y a m a h a ，5 k w ) 用于整个测试系统提供电力支持；空压机，用来给e l p i 稀释器提供压缩空气， 并且对o b s 流量计管路进行吹洗；压缩空气加热器，用来给压缩空气加热并 稳定在2 0 0 ，而是稀释比保持稳定和颗粒物粒径及成分在稀释时不发生改变； 压缩空气过滤器，用于对压缩空气进行干燥和除尘。部分设备参数如表禾3 所 示。 表4 - 3 部分辅助设备参数 真空泵规格莱宝真空泵，s o g e v a cs v2 5 重量2 8k g 用电功率 2 2 0 2 4 0 v ，5 0 6 ( ) i z ，7 5 0 w 空气压缩机 d e 2 0 0 重量5 5k g 用电功率2 2 0 v ，5 0 h z ，1 5k w 储气罐容积 5 0l 最大产气量2 0 0 l m i n 最高压力 0 8 m p a 压缩空气加热器 用电功率 1 0 0 0w 最大压力 2 5 b a r 出口最大空气温度5 0 0 过热保护最大温度7 0 0 4 4 2 3 试验过程描述 试验前的预处理方法为运行一个完整的测试循环，并关闭点火锁2 0 分钟。 按车辆装载质量的6 5 进行配重。为了保证所有车辆测试条件的一致性，进行测 试前将油箱内完全更换为试验专用油。 车辆驶入测试道路进行能耗及排放试验，待一切设备准备就绪便开始测试。 利用速度跟踪系统模拟试验工况并显示在电脑屏幕上，驾驶人员按照试验工况进 行操作，同时各种设备开始工作并实时地记录数据。被测车辆连续运行两个典型 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 城市公交循环为一次完整测试，每次测试重复两次，结果取算术平均值。图4 8 为场地测试流程简图。 图4 8 测试流程简图 测试按照上图所示流程进行，首先进行开空调试验，h e v 和常规车辆各进 行两次，对同一辆车的同一次试验，待一次测试结束后，车辆怠速稍作调整立即 进行下一个测试；其次进行关空调试验，顺序同样是先h e v ，后常规车辆。 在试验过程中，为了保证测试的一致性和数据的可靠性，一些对测试有影响 的因素如车辆载重量、油品、大气温度、湿度，试验地点海拔高度等要考虑在内， 尽量保证这些因素的一致性，降低其对结果的影响。 4 5 本章小结 本章介绍了重型h e v 能量消耗量的测试方法，包括日本、美国和i s o 的若 干方法和规程。目前较为成熟的方法还是依托底盘测功机技术，但对于混合动力 电动汽车的能耗测试目前国内尚无相应的硬件设施，也无配套的测试设备，且由 于重型混合动力车辆的控制策略基于车辆实际行驶工况，与发动机台架测试工况 差异很大，能耗的实际效果就不能单纯的依据台架测试进行评价。 根据国内外现有的测试方法以及我国g b 厂r 1 7 9 5 3 2 0 0 5 轻型混合动力电动 汽车能量消耗量试验方法和g b t 1 9 7 5 4 2 0 0 5 重型混合动力电动汽车能量消 耗量试验方法给出了道路测试方法，本文设计了针对国内h e v 技术现状的道 路试验方法，利用车载设备在专业汽车试验场进行了混合动力电动汽车能耗测试 的实车测试，验证了该方法的可行性和可靠性。 4 2 武汉理工大学硕士学位论文 第五章h e v 能耗评价方法研究 本文在第三章中介绍了混合动力电动汽车的能耗构成：发动机油耗部分和可 再充式储