基于Cruise的PHEV车型能耗分析

作者:华从波 刘闪闪 邢国雨 业德明 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2019-02-18
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随着能源危机与环境污染加剧,整车油耗法规标准越来越严格,新能源汽车在汽车行业的地位日渐攀升。利用Cruise平台对某预研阶段PHEV车型进行仿真模拟,然后参照相关法规标准进行能耗折算,并与国内主流车企进行对比,以验证当前PHEV车型技术路线在法规上的可行性,寻求后续优化方向。

整车性能分析模型搭建
根据市场需求现设计某款PHEV车型整车及零部件参数,如表1所示。为更好地指导研发工作,现基于AVL Cruise平台完成整车性能分析模型搭建,模型结构见图1。本文将利用此模型对新能耗法规的各项要求进行验证,并与国内主流车企的混动品牌进行对比。
PHEV整车模型共分为四大模块:车辆与驾驶人模块、DCT控制模块、动力传动系模块与数据处理模块。其中,动力传动系模块构成汽车主体,其余三大模块进行行车控制与数据处理。各模块具体功能见表2。

表1 PHEV 整车及零部件参数表.jpg

表2 整车模型各模块功能.jpg

油耗计算
1.计算方法
计算方法依据GB/T 19753-2013《轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》进行。此款PHEV为可外接充电、有行驶模式手动选择功能的混合动力电动汽车,试验应分别在以下两个条件下进行。
试验A:储能装置处于充电终止的最高荷电状态。满电状态下,进行NEDC循环。如果车辆可以纯电动模式行驶大于一个完整的循环,则试验A的油耗C1值为0。继续进行NEDC循环,直到车速达不到(50± 2)km/h,或车载仪器提示停车,或发动机自动起动,试验结束。结束时,行驶的里程De即为纯电续驶里程,单位为km,结果圆整为整数。试验结束后30 min内进行充电,测量从电网获得的电能e1,单位为W·h。
试验B:储能装置处于运行放电结束的最低荷电状态。最低荷电状态下,进行NEDC循环,得到燃料消耗量C2,单位为L/100 km。试验结束后30 min内进行充电,为测量从电网获得的电能e2,单位为W·h。按一定程序进行放电,再次充电,测量从电网获得的电能e3,单位为W·h。两次充电量差值e4=e2-e3为电量消耗,单位为
W·h。
整个试验过程中电池包电量变化如图2所示。

图1 PHEV整车模型.jpg

图2 PHEV 油耗测量试验流程电池包电量变化.jpg
2.计算结果
依据法规与仿真结果计算得到燃料消耗量加权平均值C为1.78 L/100 km,电能消耗量加权平均值E为214.04 W·h/km,
部分过程如表3所示。
3.误差分析
由于模型并无低电量提示起动发动机或自动起动发动机策略,且最低荷电状态需试验得出,计算中暂取10% SOC为发动机自起动与最低荷电状态电量节点。
法规中要求以碳平衡法计算燃料消耗,模拟中只能根据万有特性差值法计算。

能耗折算
电量当量燃油消耗量折算依据《电动汽车与插电式混合动力汽车能耗折算方法》征求意见稿进行,分为简单折算法、燃料生命周期折算法与CO2排放折算法3种。
1.简单折算法
将消耗的电量折算成等热值的燃油体积。如公式(1)所示。
       FC=E×FE               (1)
FC  当量燃料消耗量,单位为L;
E  电能消耗量,单位为kW·h;
FE  燃油能量因子,单位为L/kW·h。
经计算,简单折算法下此PHEV电量当量燃油消耗量为2.47 L/100 km。
2. 燃料生命周期折算法
考虑电厂发电、传输、配电、充电等过程的效率以及炼油厂炼油、输送、加注效率,将汽车消耗的电量换算为油耗量。如公式(2)所示。
FCe=E×FE×Fe×rp×tp   (2)
FCe  当量燃料消耗量,单位为L/km;
E  电能消耗量,单位为W·h/km;
FE  燃油能量因子,单位为L/kW·h;
Fe  效率因子,发电消耗能量与车辆消耗能量的比值;
rp   炼厂效率,%;
tp   输送、加注效率,%。 
经计算,燃料生命周期折算法下此 PHEV电量当量燃油消耗量为5.67 L/100 km。
3.CO2排放折算法
考虑电力输送、充电过程效率与火电厂发电过程效率与CO2排放换算,将汽车电耗换算为油耗。如公式(3)所示。
FCCO2=MCO2×10-3/TF      (3)
FCCO2  当量燃料消耗量,单位为L;
MCO2  发电产生的CO2质量,单位为g;
TF  燃油的碳排放系数,单位为kg/L。
经计算,CO2排放折算法下此 PHEV电量当量燃油消耗量为7.53 L/100 km。
 表3 PHEV 能耗模拟与计算结果.jpg 
数据对比分析
将计算结果与比亚迪、上汽等国内主流车企的插电混动车型进行对比,见表4。由表4可看出,以CO2排放折算法计算,除广汽传祺GA5外的PHEV车型都可满足四阶段油耗限值要求,但所有车型都不能满足四阶段目标值要求,这说明PHEV车型降低CO2排放的效果一般。
为了优化PHEV技术路线,使之可以满足未来法规要求,车企应在电能转化效率提高、发动机经济工况点控制等方面进行改善,以提高整车综合运行效率。造成CO2折算油耗较高的一个重要原因是火电在我国电力系统中占比偏高,且未来很长一段时间内仍为电力的主要来源,这又对企业的节能技术进步提出了更高的要求。
  
结论
本文阐述了利用Cruise平台进行某预研PHEV车型整车能耗分析的过程,旨在对研发过程进行指导与对未来法规进行预应。结果显示,PHEV车型虽然在油耗方面满足当前法规要求,但在能耗折算法规下,主流PHEV均不满足四阶段目标值要求。由此可见PHEV车型在CO2排放方面并不占据优势,需继续进行节能技术优化或选择更加有效的技术路线。 

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