一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法

技术领域

本发明属于重型混合动力电动汽车碳排放测试评估技术领域，尤其是涉及一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法。

背景技术

2020年我国在联合国大会上明确提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳达峰、碳中和目标给汽车行业带来了新的考验，为新能源汽车产业的进一步发展提供了机会。汽车行业为顺应绿色低碳发展方向，应加快低碳化、近零碳化、零碳化深度转型，从车辆的全生命周期去持续减少碳排放和污染物排放，推动国家碳达峰、碳中和目标实现。因此在低碳化目标发展的背景下，加快推广新能源汽车的应用，对降低汽车行业化石能源消耗，努力实现交通工具的低碳化具有积极作用。当前，重型车不仅是机动车排放的主要贡献者，同时也是机动车燃油消耗的主要承担者，随着国家对油耗标准加严，对温室气体管控力度加大，重型混动车辆的推广应用将成为重型车领域实现减排降碳目标的最佳选择。因此基于碳减排目标建立一套完善的重型混动车燃料生命周期能耗、排放评价体系，研究重型混动汽车碳折算方法，对重型车实现减排降碳目标，满足未来法规要求具有推动作用。

预计重型混合动力汽车市场份额增加。2020年欧洲中型商用车、轻型商用车和重型客车中混合动力车型占比分别为22％、15％和35％，这一趋势主要是由于碳排放法规加严导致。国内方面随着新能源政策补贴退坡和能耗法规进一步加严，针对新能源汽车可能要实施的双积分政策，以及物流车和城市客车低碳化目标的发展趋势，都对传统车的发展带来了一定冲击。同时随着混动技术发展以及部件成本的降低，重型混动汽车市场预计会继续扩大。因此在低碳化目标发展的背景下，加快推广新能源汽车的应用，对降低汽车产业能源消耗量，实现汽车行业碳达峰、碳中和目标工作具有积极作用。

目前，轻型车碳排放和油耗之间存在相互转换关系。现阶段，欧盟法规要求乘用车油耗将控制在95g/km(约为4.1L/100km)，日本法规要求乘用车油耗将控制在105g/km(约为4.5L/100km)，美国的乘用车油耗将控制在5.5L/100km，而中国第四阶段油耗法规也要求从2016年-2020年油耗逐年减少，且到2020年及以后平均油耗约5L/100km(CO2约为120g/km)。可见，乘用车方面油耗和CO2之间存在相应的转换关系。目前重型混合动力汽车使用过程中的碳排放主要来源于发动机启动化石燃料燃烧产生。实际上插电式混合动力电动汽车消耗的电能在国内主要来源于煤炭，煤炭在发电过程中，产生相应的碳排放。该部分CO2在考核碳排放时也需要考虑在内，另外该部分CO2产生的多少与混合动力汽车的充电频率有关。目前，对于重型混合动力电动汽车，缺少从电能量来源的角度进行碳排放折算的方法。因此，从能量生命周期计算重型混合动力汽车碳排放是必要的，该方法从能量来源的角度综合考虑重型混合动力汽车的碳排放，更能表现重型混合动力汽车的实际碳排放情况。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法，以解决重型混合动力电动汽车实际碳排放量测算问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法，包括以下步骤：

S1、计算插电式混合动力汽车电能产生的充电频率UF系数；

S2、计算纯电驾驶里程阶段电耗；

S3、计算储能装置能量调整阶段油耗和电耗；

S4、计算电量平衡阶段油耗；

S5、根据充电频率UF系数、驾驶里程阶段电耗、能量调整阶段油耗和电耗、电量平衡阶段油耗，计算车辆综合油耗和电耗；

S6、根据车辆综合油耗和电耗，计算车辆综合折算油耗；

S7、根据车辆综合折算油耗计算车辆碳排放量。

进一步的，步骤S1中UF系数计算如下公式：

式中：UF

进一步的，步骤S2中纯电驾驶里程阶段电耗计算过程如下：

纯电驾驶里程阶段采用工况法进行试验，根据阶段纯电驾驶里程阶段电耗公式计算该阶段纯电驾驶里程电耗，能量存储装置放电为正值，被充电为负值；

纯电驾驶里程阶段电耗公式：

式中：c为试验循环序号；n

进一步的，步骤S3中计算能量调整阶段油耗和电耗具体过程如下：

纯电续驶里程阶段试验过程中，储能装置存在过放电情况，接下来会进行电量的调整阶段，此时循环过程中既有油耗，也存在电耗，储能装置能量调整阶段油耗计算公式如下：

式中：FC

式中：F为车辆在第c个试验循环的燃料消耗，单位L；

储能装置能量调整阶段电耗计算公式如下：

式中：

EC

进一步的，步骤S4中计算电量平衡阶段油耗具体包括以下过程：

电量平衡阶段的判定，以NEC相对变化量作为判定条件，当NEC相对变化量≦5％时，判定该循环处在电量平衡运行阶段且为有效循环。NEC相对变化量定义为试验循环中动力电池净能量的改变量占循环总驱动能量的百分比，计算公式如下：

式中：NEC为动力电池净能量的改变量，单位kWh；E

进一步的，步骤S5计算车辆综合油耗和电耗通过以下车辆综合油耗、车辆综合电耗公式进行计算；

车辆综合油耗公式如下：

式中：FC为车辆综合油耗，单位L/100km；FC

车辆综合电耗公式如下：

式中：EC为车辆综合电量消耗量，单位Wh/km。

进一步的，步骤S6中车辆综合折算油耗计算包括以下步骤：

S601、采用燃料生命周期折算法，将电耗折算为油耗，计算当量油耗如下公式：

FC

式中：FC

效率因子公式：

式中：i

S602、根据当量油耗计算车辆折算油耗，计算公式如下：

FC

其中，FC

FC为车辆油耗，单位L/100km。

进一步的，步骤S7中计算车辆碳排放量过程如下：

根据车辆综合折算油耗，利用转换系数计算CO

E

式中：E

相对于现有技术，本发明所述的一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法具有以下优势：

(1)本发明所述的一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法，更能反映混合动力汽车的实际碳排放情况；为重型混合动力电动汽车二氧化碳/温室气体排放评估监管提供了手段；

(2)本发明所述的一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法，为重型混合动力电动汽车未来碳排放评估、碳交易提供借鉴，有助于重型混合动力汽车早日实现碳达峰、碳中和的发展目标。

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为本发明实施例所述的插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算流程图；

图2为本发明实施例所述的三次有效循环的线性拟合示意图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

插电式混合动力电动汽车(PHEV)驱动能量来源于燃料或外部电网的供电。该类车辆节能降碳的途径主要为制动能量回收和通过混合动力系统更高的能量转化效率来实现。另外，通过消耗外部电网供电，经过电动机将电能转化为驱动能量，节能降碳主要体现在电能的来源和电能到驱动能的转化效率的提高。该类车辆碳排放也主要来源于两部分，燃料消耗产生的碳排放和电能来源过程产生的碳排放。

对于包含纯电动工作模式的插电式混合动力电动汽车，首先按照标准GB/T27840,基于底盘测功机依次进行纯电动续驶里程阶段(第一阶段)、储能装置能量调整阶段(第二阶段)和电量平衡运行阶段(第三阶段)三个阶段的试验，然后依据UF系数进行车辆能耗和碳排放的计算。

如图1所示，一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法主要包括：

(1)充电频率UF系数的计算；通过UF系数，可以评估插电式混合动力汽车的能量来自电网的权重，结合中国电能的生产方式，计算该部分电能产生的碳排放。

(2)纯电续驶里程阶段电耗的计算；用于计算测试车辆在发动机不工作条件下的电量消耗情况。

(3)能量调整阶段油耗和电耗的计算；用于计算测试车辆在能量调整阶段，发动机产生的油耗和动力电池产生的电耗情况。

(4)电量平衡阶段油耗的计算；该阶段通过线性拟合，计算电量为零的条件下发动机产生的油耗。

(5)根据充电频率UF系数、驾驶里程阶段电耗、能量调整阶段油耗和电耗、电量平衡阶段油耗，计算车辆综合油耗和电耗；通过UF系数、纯电续驶里程阶段的电耗、能量调整阶段的电耗和油耗、电量平衡阶段的油耗计算车辆的综合油耗及电耗。

(6)根据车辆综合油耗和电耗，计算车辆折算油耗(电耗折算为油耗)的计算；采用燃料生命周期折算法，将试验车辆的电耗等效折算为油耗。

(7)根据车辆综合折算油耗对车辆碳排放量(油耗折算为碳排放)的计算；通过碳折算系数，将试验车辆使用过程中的能量转化为碳排放。

(1)UF系数的计算

UF(Utility Factor)系数来源于SAE J2841，为了描述插电式混合动力汽车(PHEV)行驶时的燃油和电的消耗而提出；定义为一天行驶中车辆处于初始电量消耗(CD)模式的里程比例，UF系数是PHEV初始CD阶段权重，用以计算其能耗和排放。

UF系数为纯电利用系数，对于某一试验循环c，应根据表1参数及下列公式进行计算：

式中，UF

表1 UF确定参数

(2)纯电续驶里程阶段电耗的计算

纯电续驶里程阶段采用工况法进行试验，该阶段仅进行电量消耗量的计算，其中，能量存储装置放电为正值，被充电为负值。按照如下公式：

式中：c为试验循环序号；n

(3)能量调整阶段油耗和电耗的计算

纯电续驶里程阶段试验过程中，储能装置存在过放电情况，接下来会进行电量的调整阶段，此时循环过程中既有油耗，也可能存在电耗。按照如下公式计算第二阶段(储能装置能量调整阶段)的油耗：

式中：

FC

n

FC

式中：

F为车辆在第c个试验循环的燃料消耗，单位L。

按照如下公式计算储能装置能量调整阶段的电耗：

式中：EC

(4)电量平衡运行阶段油耗的计算

电量平衡阶段的判定，以NEC的相对变化量作为判定条件，当NEC相对变化量≦5％时，判定该循环处在电量平衡运行阶段且为有效循环。NEC相对变化量计算公式如下：

式中：NEC为动力电池净能量的改变量，单位kWh；E

为了得到电量消耗量为0时的油耗，可以采用线性差值的方法。电量平衡阶段需至少存在3次有效循环，3次试验可以是不连续。试验要求至少一次NEC试验结果为正值，至少一次NEC试验结果为负值，否则应增加试验次数。对多次有效试验进行线性拟合，采用线性差值的方法计算电量消耗量为0时的油耗作为电量平衡运行阶段的油耗FC

(5)车辆综合油耗和电耗的计算

按照如下公式计算车辆综合油耗：

式中：FC为车辆综合油耗，单位L/100km；FC为fuel consumption表示为油耗，其中FC表示为车辆综合油耗，FC

对于不包含电能量平衡运行阶段的车辆，储能装置能量调整阶段的油耗FC

按照如下公式计算车辆综合电量消耗量：

式中：EC为车辆综合电量消耗量，单位Wh/km。

对于不包含纯电动续驶里程阶段的车辆，第二阶段的电量消耗量EC

(6)车辆折算油耗(电耗折算为油耗)的计算

按照GB/T 37340的规定，通过燃料生命周期折算法将车辆综合电量消耗量转化为油耗FC

FC

式中：FC

采用燃料生命周期折算法，将电耗折算为油耗，按照如下公式计算当量油耗(FC

FC

式中：FC

F

式中：i

基于燃料生命周期折算方法各公式所用的参数见表2。

表2公式计算参数数值

(7)车辆碳排放量(油耗折算为CO

根据车辆综合折算油耗，利用转换系数计算CO

E

式中：

E

(8)重型混动车碳减排效益评估

根据标准30510-2018《重型商用车辆燃料消耗量限值》，以城市客车为例，各质量阶段的碳排放限值如下，该值代表不同质量阶段传统车辆的碳排放情况，见表3：

表3城市客车燃料消耗量限值

根据试验车辆的最大设计总质量，查表3，得出该车辆碳排放量限值。将计算得出的Ec值，与查表得出的限值进行比较，得出重型混动汽车碳减排效益。

最佳实施方式：

一种插电式重型混合动力电动汽车碳排放折算方法，为重型混合动力电动汽车二氧化碳/温室气体排放评估监管提供了手段，有助于实现中国碳达峰、碳中和的发展目标。本发明通过以下步骤实施将会得到理想效果。

步骤一：插电式重型混合动力电动汽车进行底盘测功机试验时，三个阶段：纯电续驶里程阶段、储能装置能量调整阶段和电量平衡运行阶段需依次进行试验。试验过程中，被试车辆及测试设备的要求按照标准GB/T 19754-2015执行。

步骤二：UF系数的计算应按照车辆类型进行区分，按照城市客车、客车、货车(GVW≦5500kg)、货车(GVW>5500kg)、自卸汽车和半挂牵引车六类车型对应的参数分别计算。

步骤三：电耗折算为油耗的过程中，所用到的常数参数F

步骤四：油耗折算为CO

需要说明的是，本发明给出了适用于汽油、柴油燃料的重型混合动力电动汽车碳排放折算过程及参数，但是该折算方法不局限于这两种燃料，对于燃用其他液态或气态燃料的重型混合动力电动汽车同样适用。

计算示例：

试验采用一辆最大设计总质量为16000kg的插电式柴油混动公交车，在100％载荷条件下，采用中国城市客车行驶工况进行能耗试验。车辆初始条件为满电状态(100％SOC)，纯电续驶里程阶段包括6个试验循环，总放电时间为7907s(约为6个CHTC-B循环)，总放电量为18.76kWh，总行驶里程为33.14km；发动机启动后，能量调整阶段和电量平衡阶段包括8个试验循环。

各循环试验结果如下：

表4城市客车能耗测试结果

根据表1和公式1，计算各循环UF系数如下：

表5城市客车能耗测试结果

根据公式2，计算纯电动续驶里程阶段(第一阶段)电耗：

EC

根据公式3，计算储能装置能量调整阶段(第二阶段)油耗：

FC

根据公式5，计算储能装置能量调整阶段(第二阶段)电耗：

EC

根据表4中的三次有效循环，计算电量平衡运行阶段(第三阶段)油耗：

如图2所示，图2为表4第三阶段各有效循环试验结果的拟合情况，可以得出，线性拟合R

FC

根据公式7和公式8，计算车辆综合油耗和综合电耗的：

FC＝15.538L/100km；

EC＝118.443Wh/km；

根据公式10和公式9，计算车辆折算油耗(电耗折算为油耗)：

FC

FC

根据公式12，计算插电式混动公交车碳排放量(油耗折算为CO

E

根据表3，查表得到16000kg的城市客车碳排放量限值为74.76kg/100km,得出采用本发明计算的重型混合动力汽车碳减排效益B为：

B＝74.76-48.27＝26.49kg/100km；

表明该混合动力城市客车相较于传统城市客车每百公里的碳减排量为26.49kg(碳减排百分比35.4％)。

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。