劉成祺解來卿樊月珍陳龍羅禹貢

（1.北京林業(yè)大學(xué)，北京100083；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點試驗室，北京100084）

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某增程式電動汽車北方冬季工況下能耗測試與分析

劉成祺1，2解來卿2樊月珍1陳龍2羅禹貢2

（1.北京林業(yè)大學(xué)，北京100083；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點試驗室，北京100084）

【摘要】針對典型北方城市的擁堵道路工況、快速道路工況、高速公路工況、郊區(qū)道路工況和山區(qū)道路工況，測試了深冬季節(jié)某增程式電動汽車在實際道路下的電耗和油耗數(shù)據(jù)，并對測試數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。在此基礎(chǔ)上，研究了該地區(qū)實際道路下導(dǎo)致該車電耗和油耗存在差異的原因，并與豐田Prius在相同條件下的平均油耗進行了對比分析，指出了該車在城市路況下的優(yōu)勢。

1　前言

隨著能源與環(huán)境問題越來越突出，新能源汽車尤其是增程式電動汽車成為世界各大汽車企業(yè)研發(fā)的熱點[1～3]，各汽車公司相繼推出了增程式電動汽車車型，如通用公司的雪佛蘭Volt和寶馬公司的寶馬i3增程版等。目前，我國對于增程式電動汽車的測試主要包括車輛油耗特性、排放性能、空氣動力學(xué)性能、碰撞性能、操縱穩(wěn)定性、制動性等方面[1～10]，沒有只針對增程式電動汽車在北方典型城市工況下的能耗測試。為此，本文以某增程式電動汽車作為試驗對象，根據(jù)北京市道路特點制定試驗方案，測試深冬季節(jié)該車在北京市實際道路上的運行狀況，并對測試的電耗和油耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以探討導(dǎo)致該車電耗和油耗較高的原因。

2　試驗方案設(shè)計

2.1試驗對象

試驗車輛為某增程式電動汽車，該車主要性能參數(shù)如表1所列。

2.2試驗路線

為驗證該增程式電動汽車在不同實際道路下的特性，選擇5種典型的道路進行試驗，包括擁堵的市區(qū)道路、相對擁堵的市區(qū)快速道路、高速公路、代表郊區(qū)工況的郊區(qū)道路和山區(qū)道路等，并分別命名為模式1～模式5。

表1　某增程式電動汽車主要性能參數(shù)

通過對北京交通情況的調(diào)研與分析，選定路段如下：

模式1為中關(guān)村路段，該路段為雙向六車道，總長15 km，每300～400 m設(shè)有交通燈，人流量和車流量非常大，屬于交通擁堵路段。

模式2為北四環(huán)主路和北五環(huán)主路，該路段為雙向八車道，總長20.2 km，無交通燈，限速為80 km/h，車輛通行速度較快，屬于交通相對擁堵路段。

模式3為京新高速路段，該路段為雙向六車道，總長26.5 km，限速為100 km/h，該路段人流量和車流量比較大。

模式4為城市高速路與山區(qū)道路的中間過渡路段，該路段總長僅為8.7 km，人流量和車流量較少，沒有擁堵情況。

模式5為懷長路山路路段，該路段為雙向雙車道，總長15.6 km，限速為60 km/h。該山路的坡度較大，路段相對擁堵，該模式的測試包括上山和下山兩種工況。

2.3試驗時間

針對北京市1周內(nèi)交通擁堵情況，試驗分別在3個具有代表性的不同時間段進行，包括周一早上、周二晚上以及周四早上。周一和周四早上的測試包括所有模式，周二晚上的測試只包括模式1和模式2。其中周一早上的交通情況可以反映出節(jié)假日后上班高峰時的交通情況，周四早晨可以反映出平時上班高峰時的交通情況，周二晚上可以反映平時下班高峰時的交通情況。

該增程式電動汽車的工作模式包括純電動模式和增程模式，當(dāng)電量充足時車輛以純電動模式行駛，而當(dāng)電量不足時車輛才進入增程模式，因此需要對車輛分別進行電耗測試和油耗測試。每天在電耗試驗完成后，將車輛充滿電以備第2天試驗；在進行油耗試驗前，需要使車輛保持在饋電狀態(tài)。電耗試驗和油耗試驗各持續(xù)2周，每個時間段對應(yīng)的測試模式如表2和表3所列。

表2　電耗試驗次數(shù)

表3　油耗試驗次數(shù)

2.4試驗人員

為避免不同駕駛員的駕駛習(xí)慣對試驗的影響，整個試驗均由1名具有30年駕駛經(jīng)驗的男性駕駛員完成，并以平時的駕駛方式按既定路線進行試驗。

2.5試驗設(shè)備

在試驗車內(nèi)加裝油耗儀、RT3000/GPS慣導(dǎo)組合系統(tǒng)和攝像機等設(shè)備進行電耗和油耗的測試分析。其中，油耗儀（圖1）可測量瞬時油耗；攝像機用來監(jiān)控車內(nèi)儀表盤上的電耗值；RT3000（圖2）能夠?qū)崟r地對車輛的運動做高精度的測量，該設(shè)備可以測試的參數(shù)包括GPS數(shù)據(jù)、加速度、角速度、航向、俯仰角和側(cè)傾角等。

圖1　油耗儀

2.6試驗條件

試驗在良好的天氣下完成，因為北京冬季天氣較冷，行車過程中需要開啟空調(diào)，為了避免空調(diào)系統(tǒng)對試驗的影響，在整個試驗過程中空調(diào)始終維持在22℃。

圖2　RT3000/GPS慣導(dǎo)組合系統(tǒng)

3　試驗結(jié)果

3.1北京道路電耗試驗結(jié)果

車輛在各模式下的電耗平均值、制動回收的電能平均值以及實際電耗平均值（車輛電耗平均值與制動回收的電能平均值的差值）的統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示，各模式下的平均電耗如表4所列。

圖3　各模式下的電量消耗曲線

3.2油耗試驗結(jié)果

車輛在各模式下的油耗試驗結(jié)果如圖4所示。模式1～模式5的平均油耗分別為8.48 L/100 km、

表4　各模式下的電耗　kW·h/100 km

圖4　各模式下的油耗試驗結(jié)果

5.87 L/100 km、7.01 L/100 km、8.12 L/100 km和6.54 L/

100km。

4　能耗的影響因素分析

4.1電耗影響因素分析

通過對電耗統(tǒng)計結(jié)果的分析可知，各模式下車輛電耗的相互關(guān)系如表5所列。

表5　各模式下的車輛電耗對比

由表5可知，由于模式1工況下道路擁堵情況嚴(yán)重，車輛頻繁制動，車輛制動能量回收量大。但在模式1時的電耗平均值比模式4時大的情況下，模式1的實際電耗平均值卻比模式4的小，這說明該車在擁堵路況下具有很強的制動能量回收能力，導(dǎo)致能耗較少。在駕駛員駕駛該車的過程中也可以發(fā)現(xiàn)，除緊急情況外，車輛在需要制動時只需抬起油門踏板就可以很快制動，實現(xiàn)了真正意義上的車輛單踏板行駛。

根據(jù)表4可知，模式3工況下車輛的實際電耗是最大的，因此需要對該模式下電耗偏高的原因進行分析。圖5為模式3工況下車輛的速度曲線和加速度曲線。

圖5　模式3工況下車輛的速度和加速度曲線

由圖5a可看出，在模式3工況下車輛速度基本維持在26～27 m/s，此時車輛速度偏高，導(dǎo)致模式3時車輛空氣阻力較大；由圖5b可看出，車輛大的加速與大的減速情況較多而且很頻繁；由表5可知，在模式3時車輛制動能量回收在各模式中是最少的。由此可知，在模式3工況下車輛需要提供更大的功率和扭矩，電耗較大，所以模式3工況下車輛實際電耗高于其它模式。

4.2油耗影響因素分析

由油耗試驗結(jié)果可知，模式1工況下的各次試驗結(jié)果差異較大，最低油耗為7.35 L/100 km，最高油耗為9.61 L/100 km，差值達2.26 L/100 km，其它模式下油耗差異較小。因此需要對引起模式1油耗較高的原因進行分析。

4.2.1制動能量回收對油耗的影響

增程式電動汽車在制動加速過程中產(chǎn)生制動能量回收，從而導(dǎo)致能耗減少，制動能量回收占總能量比例越大，能耗也越低。制動能量回收占總能量比例與油耗關(guān)系如圖6所示。

圖6　油耗與制動能量回收比例關(guān)系

4.2.2怠速不停機對油耗的影響

增程式電動汽車在怠速行駛或停車時，發(fā)動機應(yīng)處于停機狀態(tài)，以起到怠速節(jié)油的目的。然而該車在擁堵的模式1工況下，由于車流量較大以及交通燈較多，車輛起停過于頻繁，當(dāng)車速降為零且加速度趨于零時，出現(xiàn)發(fā)動機怠速不停機現(xiàn)象，從而導(dǎo)致油耗偏高。圖7為怠速不停機對油耗的影響曲線。

4.2.3制動不停機對油耗的影響

增程式電動汽車在緊急制動或滑行制動時，工作在制動能量回收狀態(tài)，此時發(fā)動機應(yīng)處于停機狀態(tài)，電機回收制動能量，起到節(jié)油的目的。然而如圖8所示，當(dāng)該車制動時發(fā)動機并沒有停機，而是繼續(xù)處于工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致油耗偏高。

由上述可知，因模式1工況下存在制動能量回收、發(fā)動機怠速不停機和發(fā)動機制動不停機等影響因素，從而導(dǎo)致模式1工況下的油耗相對較高。

圖8　制動不停機對油耗的影響

5　試驗車輛油耗與豐田Prius油耗對比

在北京深冬季節(jié)，分別在模式1、模式2和模式3工況下對該增程式電動汽車與豐田混合動力汽車Prius[4]進行油耗對比試驗，結(jié)果如表6所列。

表6　各模式下車輛油耗平均值對比結(jié)果　L/100 km

由表6可知，在模式1工況下，該增程式電動汽車的油耗比豐田Prius低1.412 L/100 km,而在模式2和模式3工況下，該車的油耗分別比豐田Prius高0.5 L/100 km和2.063 L/100 km。由此可知，與豐田Prius相比，該增程式電動汽車在擁堵路況的油耗較低，較適合北京擁堵路況。

6　結(jié)束語

以某增程式電動汽車為試驗車輛，測試了在北方冬季典型實際道路上的電耗和油耗，得到以下結(jié)論：

a.試驗車輛在高速公路路況下的電耗最高，而在城市快速路況下的電耗最低；在城市擁堵路況下油耗最高，而在城市快速路況下油耗最低。

b.試驗車輛的電耗和油耗在各模式下差異較大，其中空氣阻力以及大的加速和大的減速等情況是引起電耗差異的主要原因；而車輛制動能量回收情況、發(fā)動機怠速不停機和發(fā)動機制動不停機等是引起油耗差異的主要原因。

c.相對于豐田混合動力汽車Prius，該增程式電動汽車在擁堵路況的油耗較低，較適合北京擁堵路況。

參考文獻

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10李博旭.碳纖維車身是焦點解析寶馬i3碰撞測試.http:// www. autohome. com. cn/tech/201312/673636.html, 2013-12-03.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2015年7月6日。

Test and Analysis on Energy Consumption of A Rang Extended Electric Vehicle in Winter of Northern China

Liu Chengqi1,2, Xie Laiqing2, Fan Yuezhen1, Chen Long2, Luo Yugong2
（1.Beijing Forestry University, Beijing 100083; 2. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084）

【Abstract】For the typical conditions in the northern cities of China, such as city congestion, expressway conditions, highway conditions, suburban conditions and mountain road conditions, electricity consumption and fuel consumption of a range extended electric vehicle are tested in the late winter. Statistics analysis is made to test results. Based on this analysis, the cause of electricity consumption and fuel consumption differences in this area on real road is studied. Finally, average fuel consumption of the vehicle is compared with that of Toyota Prius under the same condition, and advantages of the vehicle in urban road conditions are stated.

Key words:Rang Extended Electric Vehicle，Road Test，Electricity Consumption，F(xiàn)uel Consumption

中圖分類號:U467.1+1

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）02-0045-05

通訊作者：羅禹貢，男，副研究員，lyg@tsinghua.edu.cn.

主題詞:增程式電動汽車道路試驗電能消耗燃油消耗