插电式混合动力汽车实证油耗特性研究

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组织了14辆插电式混合动力车(PHEV)示范运行车队，进行了8个月实际运行效果评估，结果发现：车辆在春、夏、秋三季的能耗结果要低于冬季的结果，春、夏、秋的油耗结果大约为2.8L/100km，而冬季可以达到4.8L/100km；空调开启对车辆的油耗和电量耗尽(charging-depleting, CD)时行驶距离影响较大，尤其在冬天的影响程度要大于夏天的结果，因此，制定评价PHEV的空调的能耗特性标准，提高空调效率减少油耗具有重大意义。
    与传统混合动力汽车(HEV)相比，插电式混合动力汽车(PHEV)综合了HEV和纯电动汽车(EV)的优点，同时消除了两者的缺点。PHEV在将高价格的蓄电池装载数量做到最小限度的同时，还能够简单地通过家用电源来充电。汽车空调系统作为汽车主要部件之一，为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾、空气过滤和湿度控制等功能。汽车空调的使用不仅增加了油耗，而且可能引起散热器过热，影响汽车的动力性能，而对于PHEV等新能源车辆，空调使用对能耗和电动行驶距离等方面的影响程度理论上要大于常规车辆的影响。针对PHEV的能耗国内外已经进行了大量的研究，但是空调使用对PHEV车辆性能方面的影响却鲜有报道。本研究组织了14辆PHEV示范车队，研究了不同季节下PHEV空调使用特性。
试验设计
    1.试验车辆
    示范车队由14辆PHEV组成，PHEV可以通过车外电源(如电网)给车载储电装置充电，充电后的PHEV能以纯电动模式行驶，此时车载蓄电池的电荷状态(SOC)将不断降低，通过使用电能来替代石油燃料消耗，当蓄电池的SOC达到平衡状态，车辆将进入混合动力模式。示范车队车辆由同一厂家生产，具有车辆参数完全相同等特点。车辆基本性能参数见表1。
    2.试验方案
    实证人员的选择首先根据通勤距离初步确定，通勤距离分为短途(0~15km)、中途(15km~25km)、长途(25km以上)；其次，同一通勤区间内的用户根据驾驶路线的典型性进一步细分，如以城市道路为主、以快速路为主或两种道路的比例大致相等。示范车辆的运行基本上覆盖了天津市市区和市郊两种道路状况。
    示范车辆搭载了汽车厂家专用的车载记录仪，能够采集的主要参数如表2所示。采集频率为1Hz。
    为评价PHEV在日常使用时的节能性能，示范车辆以驾驶人员的私家车的方式进行使用，用于日常出行，对驾驶人员的驾驶行为没有任何规定，完全按照驾驶人员的驾驶习惯进行使用。试验周期为当年4月到下年的1月，基本上覆盖了春、夏、秋、冬四个季节。
试验结果与原因分析


    1.不同月份下车辆能耗统计
    由车载数据记录仪记录的车辆瞬时速度统计了每辆车每个月的行驶里程，同样由车载数据记录仪记录的车辆瞬时耗油量可以计算每辆车每个月对应总的燃油消耗量，在此基础上计算每辆车每个月的平均百公里油耗。由此得到的PHEV-N车队每辆车每个月的平均百公里油耗。不同月份能耗的统计结果见图1。由图1可得，4月~7月油耗结果相差不多，在2.8L/100km左右，而电耗在7.6kWh/100km左右，而在11月~1月车辆的油耗结果明显提高，平均结果在4.8L/100km左右，而电耗平均为4.8kWh/100km左右。按照天津市的气候特点，将4~5月规定为春季，6~8月规定为夏季，9~11月规定为秋季，12月~1月为冬季。分析四个季节的油耗差异。夏季、秋季和春季油耗结果相差不多，但是冬季结果要远远高于其它三个季节，冬季比夏季平均高了大约45%。造成冬天油耗较高的主要原因为，PHEV的暖风来源与常规车辆不同，在0℃以上PHEV的暖风的电源为动力蓄电池，当温度低于0℃时，暖风的电源由发动机提供。当由动力蓄电池提供电源时，由于暖风消耗一部分功率，导致车辆的纯电动行驶距离缩短，从而增加了车辆的油耗水平，当暖风由发动机提供电源时，发动机一直处于运行的状态，导致了车辆油耗的增加。车辆夏季的油耗水平略高于春季和秋季，这主要是由于夏季使用空调制冷所致，但由于运行城市为天津市，持续高温时间较短(气温高于30℃)，因此车辆的油耗相比春秋两季结果略有增加，但是增加并不大。
    图2给出了车辆油耗与一次充电行驶里程的变化关系。图中横坐标为车辆一次充电的行驶里程，纵坐标为该里程下计算得到的百公里油耗(L/100km)。当一次出行距离低于20km时，春、夏和秋季在这个区间内的油耗很低，在1.0L/100km以下；而冬季的结果比较离散，最大超过了8L/100km。主要原因是：当一次出行距离较短，且外部温度较低时，车辆的发动机起动为暖风提供电源，造成了这些大油耗的点的出现。对不同季节车辆的百公里油耗和一次充电行驶里程进行拟合可以发现，当一次出行里程大于20km时，车辆的油耗增加，且随着里程的增加，油耗趋近某个值，对于春、夏和秋季趋近于3.8L/100km，冬季趋近于4.7L/100km，冬季比另外三个季节高了大约24%。造成差异的主要原因为冬天使用暖风造成的影响，为了验证笔者的想法，下面将分析冬天开启空调暖风时车辆油耗结果。
    2.空调对CD距离的影响
    PHEV在车辆技术特点上介于纯电动车和传统混合动力车之间，具备电机和发动机两个驱动系统，可以利用外部电网对车辆动力蓄电池进行充电。两次充电之间车辆的行驶里程主要由两部分组成：一为纯电驱动的行驶里程，但是由于车辆在某些特殊工况下发动机会启动，不能完全由纯电力驱动行驶，把这部分里程定义为电量耗尽(Charge-Depleting)距离；另外一部分为混合动力模式行驶距离，称为电量充电维持CS(Charge-Sustaining)距离。图3给出了两次充电之间车辆行驶里程构成的示意图。当蓄电池充满电后，SOC状态由100%下降时，车辆开始进入CD模式，当蓄电池SOC达到平衡后进入CS模式。

    以5℃为间隔，将温度分为若干个区间，计算每个区间内空调的平均消耗功率和平均CD距离，如图4所示。外部环境温范围覆盖了-5℃~35℃。在整个温度范围内，CD行驶距离呈现先增加后减少的趋势，最低点出现在温度为0℃左右时，大约为15km左右；CD行驶距离最大出现在温度为25℃左右，大约为20km左右；当温度低于0℃时，CD行驶距离有略微的提高，但提高不大；在0℃~25℃之间，CD行驶距离随着温度的升高而升高，当温度高于25℃时，随着温度的升高CD行驶距离略有下降，这主要是由于车辆夏天的空调使用，消耗了车辆的一部分功率，造成CD距离的缩短。
    但是冬天CD距离下降比较明显，造成冬季CD行驶距离缩短的主要原因如下：
    (1)由于空调消耗一部分功率导致的CD距离缩短：在冬季温度较低时，空调使用相对比较频繁。空调大量消耗原本用于行驶的电力，使CD距离大幅度缩减，这与夏季CD距离缩短的原因相同；但是当环境温度低于0℃时，由于车辆的发动机启动为空调暖风提供动力，因此CD距离相比0℃时略有增长。
    (2)在冬季，外部温度低，使CD模式中发动机暖机所需的时间延长，另外由于蓄电池在低温时充电量略有衰减造成CD距离缩短。
    (3)在冬季，由于润滑油粘度上升等引起的驱动阻力增加，空调的频繁使用等使CD距离缩短。
    另外，上述三个理由也是造成冬天油耗要高于其它三个季节的主要的原因。
    从图4中还可以看到，空调消耗功率随外部温度的变化规律呈现抛物线状，最低点出现在温度约为20℃时，在该温度下空调平均消耗的功率为70W左右，随着温度的升高和降低，空调消耗的功率都呈现增加的趋势。当温度高于25℃时，空调消耗功率呈急剧增加状态，温度在35℃时，空调消耗的功率约是常温下的9倍，达到了630W左右；当温度低于0℃时，空调消耗功率也达到了500W左右。
    3.空调对能耗的影响

    图5给出了环境温度对空调消耗功率、电耗和油耗的影响(主纵坐标为油耗(L/100km)、电耗(kWh/100km)，次纵坐标为空调消耗功率(W))。由图5可见，随着环境温度的提高，车辆油耗呈现先减小后增加的趋势，当环境温度大约为25℃时，油耗最低；而车辆电耗呈现先增加后减小再增加的趋势，两个拐点分别为0℃和25℃左右。结合空调的消耗功率和车辆油耗和电耗的变化特点可以发现，当空调消耗功率较小时(环境温度为25℃)，车辆的油耗和电耗结果都较低，分别约为1.8L/100km和12kWh/100km，而当环境温度低于0℃时，车辆的油耗和电耗分别约为4.3L/100km和13kWh/100km，而当环境温度高于30℃时，车辆的油耗和电耗分别为2.0L/100km和13KWh/100km，由此可以发现，当温度较低时，车辆的油耗增加程度要大于温度较高时的结果。

结论
    1.从实际运行结果来看，夏季、春季和秋季的油耗结果相差不多，但是冬季要远远高于其它三个季节，冬季比夏季平均高了大约45%；
    2.从车辆理论油耗来看，当一次出行里程大于20km时，随着里程的增加，油耗趋近某个值，对于春、夏和秋季趋近于3.8L/100km，冬季趋近于4.7L/100km，冬季比另外三个季节高了大约24%；
    3.在整个温度范围内，空调消耗功率对车辆的CD行驶距离具有一定的影响，随着空调消耗功率的增加，车辆充满电后的CD行驶距离缩短，但是在冬天的影响程度要大于夏天的结果。

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针对插电式混合动力汽车（PHEV）的实证油耗特性研究，经过长达八个月的实际运行效果评估，我们发现车辆在春、夏、秋三季的能耗表现优于冬季，特别是冬季空调使用对油耗和电量消耗影响显著。此外，与传统混合动力汽车（HEV）相比，PHEV综合了HEV和纯电动汽车（EV）的优点，并具有更广泛的适用性和更大的节能减排潜力。为此，我们正在研究评价PHEV空调的能耗特性标准，以提高空调效率并降低油耗。这将有助于进一步推动插电式混合动力汽车技术的研发与应用，为未来的智能交通和可持续发展做出贡献。

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针对插电式混合动力汽车（PHEV）的实证油耗特性研究，经过长达八个月的实际运行效果评估，我们发现车辆在春、夏、秋三季的能耗表现相对冬季更为优秀，油耗大约为28L/100km，而冬季则能达到48L/100km。空调使用对油耗和电量耗尽时行驶距离有显著影响，尤其在冬季影响更大。因此，针对PHEV的空调能耗特性制定评价标准至关重要。

相较于传统混合动力汽车（HEV），PHEV融合了其和纯电动汽车（EV）的优点，并弥补了两者不足。PHEV在节能和环保方面有着显著优势，不仅拥有较长的纯电动续航里程，还能够在需要时通过发动机补充动力。此次研究为进一步优化PHEV的能耗性能提供了宝贵数据支持，未来我们将继续探索提高PHEV能效的新技术、新方法。