CN113624508A - 一种重型混合动力电动汽车pems排放测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，包括定义重型混合动力电动汽车PEMS排放测试相关术语，明确重型混合动力电动汽车运行原理及排放阶段。区别于传统车辆，提出针对重型混合动力电动汽车预处理方法及电量平衡判定方法，测试过程中运行模式选择方法，有效功基窗口的划分方法，和ECU扭矩信号一致性检查方法，最后，结合以上测试方法，创新性的提出包含冷启动的污染物排放计算方法。本发明为重型混合动力电动汽车PEMS排放测试监管提供了手段，填补了重型混动PEMS排放测试方法的不足。

Description

一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法

技术领域

本发明属于车辆实际道路排放测试领域，尤其是涉及一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法。

背景技术

随着各国汽车排放标准的日趋严格，排放测试技术不断的完善。欧洲第六阶段排放标准，美国EPA2010排放标准和我国第五/六阶段排放标准都先后引入PEMS测试方法，作为重要的机动车排放测试和管理手段。车载排放测试技术采用便携式排放测量系统(Portable Emission Measurement System,简称PEMS)，可以实时测量实际道路条件下的排放水平，而得到广泛的应用。

现有的重型汽车PEMS排放标准主要包括：HJ 857-2017《重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术要求》和GB 17691-2018《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》。以上标准中仅针对传统重型汽车进行PEMS测试方法的规定，对于重型混合动力汽车PEMS排放测试方法没有明确规定。

重型混合动力汽车相较传统汽车运行模式多样，且各运行模式下PEMS测试结果差异较大，混合动力汽车频繁起停导致冷启动的要求与传统汽车存在差异；重型混合动力汽车扭矩一致性验证方面与传统汽车也存在差异。

对于重型混合动力汽车，传统汽车的PEMS测试方法并不适用。重型混合动力电动汽车在实际运行过程中，存在发动机的频繁启停，导致后处理温度控制策略更为复杂，使得整车排放情况恶化。因此，开展重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法的开发具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，解决了重型混合动力电动汽车按照现有传统车辆测试方法不能进行PEMS排放测试的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，包括如下步骤：

S1，确定重型混动汽车类型，进行试验车辆预处理；

S2，试验设备安装，车辆浸车；

S3，将车辆运行模式调整为混动模式；

S4，进行PEMS试验；

S5，进行ECU扭矩信号一致性检查；

S6，试验结果计算；

根据WHTC循环功，将PEMS排放试验过程数据划分为一系列功基窗口，计算各功基窗口的平均功率，判断有效功基窗口；

计算所有冷启动期间功基窗口和所有热机状态下有效功基窗口的比排放，并按照冷、热加权得到最终污染物排放值，再与标准限值比较，判断是否合格；

其中，冷启动的污染物排放计算方法如下：

试验从冷启动条件开始记录数据，所有起点在冷启动期间的功基窗口排放量和累积功分别为m₁、m₂......m_n，w₁、w₂......w_n；冷启动之后的功基窗口排放量和累积功分别记为M₁、M₂......M_n，W₁、W₂......W_n。

冷启动期间功基窗口比排放量计算为：

其中，e_i表示冷启动期间，各功基窗口的比排放；

m_i表示冷启动期间，各功基窗口的排放量，对应m₁、m₂......m_n；

w_i表示冷启动期间，各功基窗口的累计功，对应w₁、w₂......w_n；

其中，热机状态下有效功基窗口比排放量计算为：

其中，E_i表示热机状态下，各有效功基窗口的比排放；

M_i表示热机状态下，各有效功基窗口的排放量，对应M₁、M₂......M_n；

W_i表示热机状态下，各有效功基窗口的累计功，对应W₁、W₂......W_n；

冷启动期间取所有功基窗口比排放量的最大值，记为e_cold,max；冷启动后选取所有有效功基窗口x％分位窗口比排放值E_{warm，vaild，x％}；

重型混动车包含冷启动的PEMS排放E_final计算为：

E_final＝a₁e_cold,max+a₂E_{warm,valid,x％}

其中，a₁为冷启动排放加权系数，a₂为热机状态下排放加权系数。该计算结果作为重型混动车实际道路污染物排放的最终结果。

进一步的，所述试验车预处理过程要求在市区工况下进行，车速要求小于等于第一预设车速值；

对于可外接充电型混合动力电动汽车预处理包括放电、电量调整和电量平衡判定三个阶段；对于非可外接充电型混合动力电动汽车包括电量调整和电量平衡判定两个阶段；车辆应在市区工况下运行直到满足电量平衡状态或行驶达到第一预设时间以上。

进一步的，所述市区工况下的电量平衡状态判定方法如下：

按照一定频率记录驾驶员正前方仪表盘上的SOC值，按照一定周期选取最大值SOC_max和最小值SOC_min，当连续两个周期满足如下条件，表示车辆达到市区工况下电量平衡状态：

SOC_max-SOC_min≦5％ (公式1)。

进一步的，所述ECU扭矩信号一致性检查首先按照最大扭矩方法进行验证，若最大扭矩方法不能满足要求，再进行发动机台架验证或底盘测功机验证方法。

进一步的，所述有效功基窗口的划分方法为：按照最大净功率20％以上为有效功基窗口开始，以1％的步长逐渐减小阈值，直到有效功基窗口的个数大于等于所有功基窗口的50％。

相对于现有技术，本发明所述的方法具有以下优势：

本发明提供了一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，为重型混合动力电动汽车PEMS排放测试监管提供了手段，填补了重型混动PEMS排放测试方法的不足。提出了针对重型混合动力电动汽车预处理方法及电量平衡判定方法，测试过程中运行模式选择方法，有效功基窗口的划分方法，和ECU扭矩信号一致性检查方法，且创新性的提出包含冷启动的污染物排放计算方法。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为重型混合动力电动汽车预处理SOC变化示意图；

图2为传统车辆发动机扭矩分布示例图；

图3为混合动力汽车发动机扭矩分布示例图；

图4为本发明实施例所述的重型混合动力汽车PEMS排放测试方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

现有的标准中对重型混合动力电动汽车PEMS测试方法无具体要求，试验测试过程中易产生歧义。且重型混合动力汽车相较传统汽车运行模式多样，且各运行模式下PEMS测试结果差异较大，测试过程中需要对运行模式进行定义；重型混合动力电动汽车的预处理状态、电池的电量状态等在PEMS测试过程中需进行明确定义；定义重型混合动力电动汽车相关术语：

重型混合动力汽车：总质量大于3.5t，且能够至少从两类车载储存的能量类型(可消耗的燃料、可再充电能/储能装置)中获得动力的汽车。

充电式电量存储系统：指可重复充电的电量储存系统。例如，动力蓄电池、超级电容器和机电飞轮等。

荷电状态(SOC)：充电式电量存储系统的电量状态百分数。

车辆运行模式：车辆运行模式是指车辆实际驾驶过程中，可以通过选择开关进行切换的模式或模式的组合，如纯电(EV)模式、混动(HEV)模式、纯燃料(CV)模式等。

重型混合动力电动汽车按照充电类型分类：(1)外接充电型混合动力电动汽车：一种被设计成在正常使用情况下可从非车载装置中获取电能量的混合动力电动汽车。(2)非外接充电型混合动力电动汽车：一种被设计成在正常使用情况下从车载燃料中获取全部能量的混合动力电动汽车。

重型混合动力电动汽车的运行原理及污染物排放阶段：

重型混合动力电动汽车主要有几种运行模式：纯电模式、混动模式和纯燃料模式等，各类汽车根据实际开发应用情况略有不同，其中增程式混合动力电动汽车无纯燃料模式。重型混合动力电动汽车行驶过程主要包括以下几个阶段：

(1)纯电驱动阶段：当电池SOC值较高或者切换到纯电模式后，整车实际需求功率小于驱动电机最大功率时，发动机关闭，动力电池通过电机控制器供电给驱动电机，驱动电机驱动车辆。此时，发动机无排放。

(2)正常混动运行阶段：发动机和电动机交替运行驱动车辆，电池SOC基本保持平衡，维持在一稳定范围内。通过混动控制策略，车辆运行在几种模式下并自动切换，一般包括：纯电驱动模式、发动机单独驱动模式、发动机并联发电模式、联合驱动阶段、制动能量回收阶段等。此时发动机间歇运行，且启动后基本运行在高功率区域，但是排气温度受发动机启停的影响并不一定工作在高效区域，产生排放。

(3)连续发动机运行阶段：当整车实际需求功率较高，大于驱动电机最大功率时，发动机驱动车辆运行。此时，车辆与传统车辆类似，发动机连续运行，产生排放。

本发明提出了一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，解决了重型混合动力电动汽车按照现有传统车辆测试方法不能进行PEMS排放测试的问题。本发明通过以下步骤实施将会得到理想效果。图4所示为重型混合动力电动汽车PEMS排放测试流程图，测试方法包括如下步骤：

步骤一：试验车辆准备。

对车辆的基本状态进行检查，确保车辆没有影响发动机排放的故障。车辆使用符合法规要求的机油、冷却液、反应剂和燃油，试验前应确保机油、冷却液、反应剂和燃料量正常或余量足以支撑完成PEMS试验。

步骤二：确定重型混动汽车类型，进行试验车辆预处理。

通过上面记载的重型混合动力电动汽车工作原理分析可知，纯电驱动阶段主要由驱动电机驱动车辆，此时发动机无排放。基于此，重型混合动力电动汽车在PEMS排放测试之前需要对能量存储系统进行放电，使得PEMS排放测试过程中发动机处于间歇工作状态并产生排放。基于此，对于重型混合动力电动汽车，试验之前应进行如下预处理，重型混合动力电动汽车预处理时SOC变化示意图如图1所示，试验预处理过程要求在市区工况下进行，车速要求小于等于55km/h。对于可外接充电型混合动力电动汽车预处理包括放电、电量调整和电量平衡判定三个阶段；对于非可外接充电型混合动力电动汽车包括电量调整和电量平衡判定两个阶段。车辆应在市区工况下运行直到满足电量平衡状态或以条件行驶30分钟以上。

(1)外接充电型混合动力电动汽车。

由于车辆可从外部电网充电，若能量存储系统存储来自外部电网的电量且SOC值较高，此时车辆以纯电驱动方式运行，试验之前须将车辆从外部电网得到的电能充分放电，在市区工况(车速≦55km/h)下进行，直至充电式电量存储系统达到市区工况下的电量平衡状态。车辆放电时，可将车辆运行模式切换到纯电模式。

(2)非外接充电型混合动力电动汽车。能量存储系统的电能并非来自外部电网，因此车辆可不进行放电相关的预处理。PEMS排放试验前，可在市区工况下行驶车辆，将电量调整为市区工况下电量平衡状态。

其中，市区工况下电量平衡状态判定：

车辆预处理过程中，应在市区工况下行驶，应按照1次/分钟的频率记录驾驶员正前方仪表盘上的SOC值(百分数)，以5分钟为周期，选取最大值SOC_max和最小值SOC_min，当连续两个周期满足如下条件，表示车辆达到市区工况下电量平衡状态。

SOC_max-SOC_min≦5％ (公式1)

若车辆无法满足公式1的要求，在车辆放电(纯电阶段行驶)过程结束后，车辆市区条件下行驶时间大于30分钟，预处理完成，可进行后续试验。

步骤三：试验设备安装。

采用与传统汽车相同的方法，将测试设备正确安装到试验车辆。

步骤四：车辆浸车。

预处理完成后，试验车辆断电熄火浸车，使得车辆冷却液温度降低至30℃以下或者接近当时天气环境温度(±3℃)。

步骤五：将车辆运行模式调整为混动模式。

通过上面重型混合动力电动汽车工作原理分析可知，重型混合动力电动汽车产生排放的阶段主要集中在正常混动运行阶段和连续发动机运行阶段。消费者出于节能和降低成本方面的考虑，车辆实际使用过程中主要为正常混动运行阶段，发动机处于频繁启停的模式。另一方面当发动机连续运行时，车辆排温较高，后处理系统维持在高效工作状态，此时车辆排放较低。基于符合实际使用情况和出于对危险排放工况监管的考虑，该测试方法确定重型混合动力电动汽车应在混合动力模式下进行PEMS排放测试。

步骤六：正式进行PEMS试验。

依次进行设备检查、预热、标定，根据车辆类型，按照市区、市郊、高速占比进行PEMS试验，当发动机累积功达到WHTC循环功的4-7倍时，试验结束，并对设备进行必要的漂移检查和修正。

步骤七：完成试验并判定有效性

具体为，进行ECU扭矩信号一致性检查。

试验完成后，应首先按照“最大扭矩”方法进行验证，若“最大扭矩”方法不能满足，再进行发动机台架验证或底盘测功机验证等方法。

重型传统汽车PEMS排放试验采用“最大扭矩”方法，进行ECU扭矩信号一致性检查。在车辆测试过程中，通过计算出发动机净扭矩与外特性曲线进行比较，证明发动机已达到发动机转速函数曲线上的最大扭矩的100％±5％。发动机净扭矩计算方法如下：

发动机净扭矩＝参考扭矩*(实际扭矩百分比-摩擦扭矩百分比)(公式2)

重型混合动力电动汽车实际运行过程中，发动机主要工作在高效率区域，存在PEMS排放测试过程中不会达到最大扭矩点的情况。图2为传统汽车PEMS排放试验过程中发动机运行扭矩分布示例图，发动机工作覆盖区域较大，由于车辆所需能量全部来源发动机，行驶时负载较大或上坡过程中，发动机可以达到最大扭矩输出点。图3表示混合动力汽车发动机扭矩分布示例，从图中可以看出发动机的工作区域较传统车辆更为集中，转速主要分布在怠速750转/分钟和1300转/分钟，表明该区域为发动机高效率工作区，与驱动电机匹配可以为车辆提供所需的功。因为有驱动电机的协同，发动机不必工作在最大扭矩点。因此，重型混动汽车ECU扭矩数据的一致性检查并不能完全采用传统车辆“最大扭矩”的方法。

基于此，本发明提出对于重型混合动力电动汽车进行PEMS排放试验时，扭矩信号一致性的检查可行方法有三种，试验时可采用如下任一种方法进行：(1)在PEMS测试过程中，若发动机能够达到外特性曲线最大功率，可采用传统车辆“最大扭矩”的方法，将试验过程中发动机的最大净扭矩与相同转速下外特性扭矩进行比较，试验得到的值不应超过外特性曲线扭矩的±5％。(2)PEMS测试过程中，发动机不能达到外特性曲线最大功率，可通过车辆对应发动机的台架试验进行验证，不同转速下的ECU读取扭矩相对于发动机台架实测扭矩的偏差应不超过±5％。(3)PEMS测试过程中，发动机不能达到外特性曲线最大功率，可通过该车辆底盘测功机试验进行验证，通过底盘测功机测试得到车辆轮边力，根据轮胎半径和传动效率，计算得到发动机净输出扭矩，同时通过ECU得到相同条件下的OBD读取扭矩，OBD读取扭矩相对于通过轮边力计算得到扭矩的偏差应不超过±5％。

步骤八：试验结果计算。

根据WHTC循环功，将PEMS排放试验过程数据划分为一系列功基窗口，计算各功基窗口的平均功率，按照最大净功率20％以上为有效功基窗口开始，以1％的步长逐渐减小阈值，直到有效功基窗口的个数大于等于所有功基窗口的50％。

其中，有效功基窗口划分：

从有效数据起点到截止点之间的一个连续区域，当区间的累积做功等于发动机WHTC瞬态循环做功量时，定义该连续区间为一个功基窗口。

传统重型汽车有效功基窗口的定义为窗口平均功率百分比大于20％的功基窗口，且有效功基窗口的比例大于等于50％，若比例低于50％的要求，将功基窗口平均功率阈值要求以1％为步长逐渐减小，直到有效功基窗口比例达到50％，但功率阈值最小不能小于10％。

而重型混合动力汽车具有节能的特点，PEMS排放测试过程中窗口平均功率较传统车略低，考虑到小负荷条件下存在10％的界限可能不满足50％有效窗口的情况，本方法将10％界限取消，可以按1％步长继续减小直到满足50％有效窗口的要求，一方面对PEMS排放的合规性加严，另一方面使重型混动汽车PEMS试验有效性增加。

然后，计算所有冷启动期间功基窗口和所有热机条件有效功基窗口的比排放，并按照冷、热加权得到最终污染物排放值，再与标准限值比较，判断是否合格。

其中，冷启动的污染物排放计算；

试验从冷启动条件(30-70℃)开始记录数据，所有起点在冷启动期间的功基窗口排放量和累积功分别为m₁、m₂......m_n，w₁、w₂......w_n；冷启动之后的功基窗口排放量和累积功分别记为M₁、M₂......M_n，W₁、W₂......W_n。

冷启动期间(水温低于70℃)功基窗口比排放量计算为：

其中，e_i表示冷启动期间，各功基窗口的比排放；

m_i表示冷启动期间，各功基窗口的排放量，对应m₁、m₂......m_n；

w_i表示冷启动期间，各功基窗口的累计功，对应w₁、w₂......w_n；

其中，热机状态下(水温首次达到70℃开始)功基窗口比排放量计算为：

其中，E_i表示热机状态下，各有效功基窗口的比排放；

M_i表示热机状态下，各有效功基窗口的排放量，对应M₁、M₂......M_n；

W_i表示热机状态下，各有效功基窗口的累计功，对应W₁、W₂......W_n；

冷启动期间取所有功基窗口比排放量的最大值，记为e_cold,max；冷启动后选取所有有效功基窗口90％分位窗口比排放值E_{warm,vaild,90％}。

重型混动车包含冷启动的PEMS排放E_final计算为：

E_final＝0.14e_cold,max+0.86E_{warm,valid,90％}

其中，0.14为冷启动排放加权系数，0.86为热机状态下排放加权系数。该计算结果作为重型混动车实际道路污染物排放的最终结果。

步骤九：分析试验报告，完成重型混合动力电动汽车PEMS排放测试。

与传统汽车PEMS排放测试相比，重型混合动力汽车PEMS排放测试过程中增加了预处理、运行模式选择、ECU扭矩信号一致性检查、有效功基窗口划分调整的要求等步骤。重点提出包含冷启动的污染物排放计算方法。

本发明提出了重型混动车包含冷启动的污染物排放测试方法，该方法充分考核了冷启动阶段重型混动车污染物排放情况，若作为测试监管有段，可以有效降低冷启动阶段污染物的排放。

本发明可指导企业进行开发以及第三方检测机构进行检测，对提高重型混动汽车PEMS排放试验成功率和试验结果的准确性具有积极意义。

本发明方法可用于国六阶段装用压燃式、气体燃料点燃式发动机的重型混合动力电动汽车新车出厂检验、在用车排放符合性检查。本方法为环保部门、检测机构、企业生产厂家提供了一种适用于重型混合动力汽车的PEMS排放监管方法。本发明完善了重型国六PEMS测试评价体系，对重型混合动力电动汽车监管具有重要意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，确定重型混动汽车类型，进行试验车辆预处理；

S2，试验设备安装，车辆浸车；

S3，将车辆运行模式调整为混动模式；

S4，进行PEMS试验；

S5，进行ECU扭矩信号一致性检查；

S6，试验结果计算；

根据WHTC循环功，将PEMS排放试验过程数据划分为一系列功基窗口，计算各功基窗口的平均功率，判断有效功基窗口；

计算所有冷启动期间功基窗口和所有热机状态下有效功基窗口的比排放，并按照冷、热加权得到最终污染物排放值，再与标准限值比较，判断是否合格；

其中，冷启动的污染物排放计算方法如下：

试验从冷启动条件开始记录数据，所有起点在冷启动期间的功基窗口排放量和累积功分别为m₁、m₂......m_n，w₁、w₂......w_n；冷启动之后的功基窗口排放量和累积功分别记为M₁、M₂......M_n，W₁、W₂......W_n；

冷启动期间功基窗口比排放量计算为：

其中，e_i表示冷启动期间，各功基窗口的比排放；

m_i表示冷启动期间，各功基窗口的排放量，对应m₁、m₂......m_n；

w_i表示冷启动期间，各功基窗口的累计功，对应w₁、w₂......w_n；

其中，热机状态下有效功基窗口比排放量计算为：

其中，E_i表示热机状态下，各有效功基窗口的比排放；

M_i表示热机状态下，各有效功基窗口的排放量，对应M₁、M₂......M_n；

W_i表示热机状态下，各有效功基窗口的累计功，对应W₁、W₂......W_n；

冷启动期间取所有功基窗口比排放量的最大值，记为e_cold,max；冷启动后选取所有有效功基窗口x％分位窗口比排放值E_{warm,vaild,x％}；

重型混动车包含冷启动的PEMS排放E_final计算为：

E_final＝a₁e_cold,max+a₂E_{warm,valid,x％}

其中，a₁为冷启动排放加权系数，a₂为热机状态下排放加权系数，该计算结果作为重型混动车实际道路污染物排放的最终结果。

2.根据权利要求1所述的一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，其特征在于：所述试验车预处理过程要求在市区工况下进行，车速要求小于等于第一预设车速值；

对于可外接充电型混合动力电动汽车预处理包括放电、电量调整和电量平衡判定三个阶段；对于非可外接充电型混合动力电动汽车包括电量调整和电量平衡判定两个阶段；车辆应在市区工况下运行直到满足电量平衡状态或行驶达到第一预设时间以上。

3.根据权利要求2所述的一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，其特征在于：所述市区工况下的电量平衡状态判定方法如下：

按照一定频率记录驾驶员正前方仪表盘上的SOC值，按照一定周期选取最大值SOC_max和最小值SOC_min，当连续两个周期满足如下条件，表示车辆达到市区工况下电量平衡状态：

SOC_max-SOC_min≦5％ (公式1)。

4.根据权利要求1所述的一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，其特征在于：所述ECU扭矩信号一致性检查首先按照最大扭矩方法进行验证，若最大扭矩方法不能满足要求，再进行发动机台架验证或底盘测功机验证方法。

5.根据权利要求1所述的一种重型混合动力电动汽车PEMS排放测试方法，其特征在于：所述有效功基窗口的划分方法为：

按照最大净功率20％以上为有效功基窗口开始，以1％的步长逐渐减小阈值，直到有效功基窗口的个数大于等于所有功基窗口的50％。

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