Sammanställning av kör- och lastcykler för PHEV

Sammanställning av kör- och lastcykler för PHEV
och EV fordon.
Hans-Eric Jacobsson
Finansierad av: Test Site Sweden och Consenso Test Site Sweden
1
Abstract This report handles a summery study over driving and load cycles on Plug in hybrid electric vehicles (PHEVs) and Electric vehicles (EVs). What test cycles are valid for PHEV and EV compared to traditional vehicles? What studies are already written and is there a common view on how to test and validate vehicle tests for PHEV and EV? The PHEV and EV have significantly shown their ability to reduce fuel consumption. This report will provide a complete summery over the standard driving and load cycles that are being used for certification, development and their purposes. The OEMs (Original Equipment Manufacturers) are following driving and cert cycles for each continent respectively for PHEV and EV projects. The driving cycles for North America, Asia and Europe for Light Duty Vehicles are described in detail in the report that follows. North American driving cycles
Cycle
Purpose
FTP 72 Simulating urban route for light duty trucks and cars in a chassis dynamometer.
Test cycle for cars and light duty trucks derived from the FTP-­‐72, used for emission certification testing. Test cycle to simulate aggressive highway driving.
FTP 75 SFTP US06 SFTP SC03 IM240 Highway Fuel Economy (HWFET) Cycle to simulate emissions associated with the use of air conditioning accessories.
Inspection and maintenance driving cycle used for emission measurements.
EPA (Environmental Protection Agency) dynamometer driving schedule for fuel economy determination.
New York City Cycle EPA test cycle for simulating low speed city driving.
California Unified Cycle California UC dynamometer driving schedule.
SRC & SBC Standard Road Cycle (SRC) and Standard Bench Cycle (SBC), dynamometer and engine bench tests for emission durability determination. Test Site Sweden
2
European driving cycles
Cycle
Purpose
NEDC (New European Driving Cycle) NEDC is a combined chassis dynamometer test used for emission testing and certification in Europe. It is a combination of four ECE Urban Driving Cycles, which are simulating city driving, and one Extra Urban Driving Cycle (EUDC), simulating highway driving conditions. Asian driving cycles
Cycle
Purpose
JC08 Cycle
New urban driving cycle for emission and fuel economy measurements of light-­‐duty vehicles, which will fully replace the 10-­‐15 mode. Urban driving cycle for emission certification and fuel economy determination of light duty vehicles. 10-­‐15 Mode Cycle Those driving cycles will be described more in detail in the report that follows. A special thank you is addressed to Sven Jacobsson, Anders Berndtsson, Olle Berg, Mats Hilmersson at Volvo Cars and Johan Lesser at ETC, for their support and help during the project. Test Site Sweden
3
Innehållsförteckning
Abstract...................................................................................................................................................................2 Inledning.................................................................................................................................................................5 Kör-­‐ och lastcykelbeskrivning.......................................................................................................................6 Bränsleförbrukning......................................................................................................................................... 15 Professionell testmiljö ................................................................................................................................... 15 Källhänvisning................................................................................................................................................... 16 Test Site Sweden
4
Inledning
Denna rapport sammanställer de kör-­‐ och lastcykler, för respektive kontinent eller marknad, som idag används av fordonstillverkare för framtagning av PHEV och EV(Plug-­‐
in hybrider och elektriska fordon). Rapporten kommer främst att ta upp fallen för PHEV då det fortfarande inte finns mycket underlag eller strategier för att hantera EV vid certifiering, såsom energiförbrukning, och hur detta ska hanteras. Men mycket arbete pågår på detta område hos fordonstillverkare och myndigheter. Rapporten tar upp de olika etablerade kör-­‐ och lastcykler, samt ger en detaljerad beskrivning och syfte med respektive cykel. Körcykeldata är hämtade från Dieselnets databas, utifrån den litteratur som finns globalt om PHEV och EV körcykler där dessa körcykler omnämns. Därefter kommer en kort beskrivning på hur bränsleförbrukning bestäms samt hur en testmiljö och testutrustning för certifieringsprover och simulering ser ut. Arbetet kring framtagande av körcykler och testning av PHEV har pågått sedan 1992 i USA, som ligger längst fram i utvecklingen kring kör-­‐ och lastcykler för dessa fordon. Test Site Sweden
5
Kör- och lastcykelbeskrivning
Körcykelfilosofierna skiljer sig något mellan nordamerikanska, europeiska och asiatiska kör-­‐ och lastcykler. När det gäller de asiatiska körcyklerna handlar det främst om de japanska cyklerna. Varje biltillverkare har sin egen filosofi vad gäller framtagande av kör och last kollektiv anpassade efter gällande lagkrav. Vissa tillverkare lokalanpassar sina modeller för respektive marknad, så att de på så vis kan uppfylla emissionskrav och andra unika lagkrav. Andra tillverkare använder ”bara” en modell som redan under utveckling designas för att klara alla gällande krav ”world-­‐wide”, genom att titta på ytterligheterna och från början ställa tillräckligt höga krav. De flesta tillverkare använder samma provmetoder och metodik, efter respektive provbana, för alla nya modeller för att kunna jämföras med en s.k. ”base-­‐line”, för att få en referens redan under utvecklingsarbetet. De körcykler som tas i denna rapport används i utvecklingsarbetet för PHEV fordon. Nordamerikanska körcykler
FTP-72 (UDDS)
FTP-­‐72 kallas också för Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) eller LA-­‐4 cykeln. Cykeln simulerar tätorts cykel på 12,07 km med återkommande stop. Högsta hastighet för cykeln är 91,2 km/h och genomsnittshastigheten är 31,5 km/h, se Figur 1. Figur 1 Samma cykel används även i Sverige. Test Site Sweden
6
FTP-75 (Federal Test Procedure)
FTP-­‐75 har använts för utsläppscertifiering av lätta fordon i USA från år 2000. Fordonen måste dessutom genomgå två tilläggande testprocedurer, som syftar till att minska bristerna med FTP -­‐ 75 representerade av
•
aggressiv körning i hög hastighet (US06) •
användning av luftkonditionering (SC03). FTP-­‐75 cykeln kommer från FTP-­‐72 cykeln genom att lägga till en tredje fas som pågår i 505 sekunder, identisk med den första etappen av FTP-­‐72 men med en varmstart. Den tredje fasen startar när motorn har stått stilla i 10 minuter. Således består hela FTP-­‐75 cykel av följande segment, se Figur 2: •
Kallstarts fas •
Övergångsfas, från kall till varm motor •
Varmstarts fas Grundparametrarna för cykeln är som följer: Cykelns längd: Duration: Genomsnittshastighet: 17,77 km 1874 s 34,1 km/h Figur 2 Test Site Sweden
7
Utsläppen från varje fas analyseras i en uppsamlingspåse genom Constant Volume Sampling-­‐metoden, metoden beskrivs på sidan 15 under rubriken ”Bränsleförbrukning”. Resultaten viktas och fördelas enligt: •
0,43 för kallstart(Cold start phase), •
1,0 för övergångsfasen(Transient phase) •
0,57 för varmstart fasen(Hot start phase). Där emissionsresultaten från kall och varmstart faserna viktas i ihop, eftersom de är identiska, fast med olika start villkor. Övergångsfasen emissioner analyseras för sig. US-06
US06 utvecklades för att åtgärda bristerna med FTP-­‐75 körcykeln. US06 representeras av aggressiva körcykler, höghastighet och/eller hög accelerations tester. I cykeln analyseras även köregenskaper, snabba hastighets förändringar samt beteende under körning efter start. Cykeln är 12,8 km lång sträcka med en medelhastighet på 77,9 km/h, maxhastighet 129,2 km/h, och har en duration på 596 sekunder, som åskådliggörs i Figur 3. Figur 3 Test Site Sweden
8
SC03 SC03 har införts för att representera motorns belastning och utsläpp i samband med användning av luftkonditionering, som certifieras över FTP-­‐75 körcykeln. I Figur 4 beskrivs cykeln, som är 5,8 km, med en medelhastighet på 34,8 km/h, maxhastighet 88,2 km/h, och en duration på 596 sekunder.
Figur 4 Test Site Sweden
9
EPA NYCC EPA NYCC(Environmental Protection Agency New York City Cycle) test har utvecklats för testbänksprovning av s.k. lätta fordon. Testet simulerar låg hastighet i stadstrafik med täta stopp. Följande är grundföryutsättningar för cykeln, se även Figur 5:
•
Duration: 598 sekunder •
Sträcka: 1,89 km •
Genomsnittlig hastighet: 11,4 km/h •
Maximal hastighet: 44,6 km/h Figur 5 Värt att nämna är att, denna körcykel förekommer enbart i ett fåtal rapporter om körcykelstudier på PHEV och EV fordon. Test Site Sweden
10
HWFET HWFET cykeln, I Figur 6, är en chassidynamometer cykel, för bestämning av bränsleekonomin hos lätta fordon. De karakteristiska parametrarna för cykeln är: •
Längd: 765 sekunder •
Totalt avstånd: 16,45 km •
Medelhastighet: 77,7 km/h Figur 6 Europeiska körcykler
Den standardcykel som används i Europa är framförallt NEDC(New European Driving Cycle). Billtillverkarna jobbar även fortsättningsvis med denna körcykel som certifierings cykel för PHEV fordon. Volvo Personvagnar har idéer om att tillämpa denna cykel för deras PHEV fordon. Cykeln kommer då att köras i två omgångar, varav den första i PHEV-­‐mode och den andra som en konventionell bränslecykel. Därefter kommer både bränsle och energiförbrukning att certifieras. I Sverige körs även R101 provet som är lagkrav. NEDC
Den europeiska körcykeln har sett likadan ut sedan år 2000, man införde då en kallstart vid cykelns början. Fordonet ska då ”vila” minst sex timmar i ett rum som håller en temperatur av 20–30 grader. När bilen startas får den först gå på tomgång i 40 sekunder. Sedan startas stadskörningsdelen UDC, Urban Driving Cycle. UDC ska motsvara bilkörning i en europeisk tätort. UDC-­‐delen består av fyra likadana delcykler. Sammanlagt varar denna del 780 sekunder. Högsta hastighet är 50 km/h. Test Site Sweden
11
Stadskörningen följs av landsvägsdelen, EUDC(Extra Urban Driving Cycle). Denna del består av en körcykel om 400 sekunder som inte upprepas. Maxhastigheten är 120 km/h. Hela cykeln beskrivs i Figur 7. Figur 7 Test Site Sweden
12
Asiatiska körcykler
10-15 mode cycle
10-­‐15 mode cycle används för närvarande i Japan för certifiering och bränsleförbrukning för lätta fordon. Den härrör från 10-­‐mode cykeln med ytterligare 15-­‐mode segmentet i slutet av cykeln. Cykelns högsta hastighet är 70 km/h. Cykeln beskrivs schematiskt i Figur 8 nedan. Figur 7 Test Site Sweden
13
JC08
10-­‐15 cykeln kommer att ersättas 2011 av JC08 cykeln, på grund av de nya emissionslagarna som kom 2005 i Japan. Cykeln består av accelerationer, tomgångskörning och inbromsningar i stadstrafik. Cykeln ska representera stadskörning i en japansk storstad. Cykeln används både för emissionstest och för bränsleförbrukningsbestämning. I Figur 9 återfinns hela JC08 cykeln. Figur 8 Test Site Sweden
14
Bränsleförbrukning
Bränsleförbrukning för en förbränningsmotor beräknas fram ur testets mätresultat från emissionerna på respektive cykel, detta med hjälp av utrullningskarakteristik och bilens vikt. Bilens utrullningskarakteristik fås genom att låta bilen rulla från 120 km/h till stillastående, den sträcka bilen rullar ger dess utrullningskarakteristik. Avgaserna samlas upp i en emissionspåse där de mäts genom sampling(Constant Volume Sampling). Det är en mätteknik där avgaserna från motorn samlas in från en testcykel i en chassidynamometer. En mängd luft läggs till i avgaserna till en viss konstant volym erhållits. Koncentrationer av förorenande ämnen analyseras sedan för bestämning av deras faktiska vikt, för att på så vis kunna bestämma bränsleförbrukningen för den aktuella testcykeln. På PHEV bilar så talas det ofta om ”All electric range” vilket innebär att man kör en bestämd cykel med fulladdat batteri repetitivt tills bilens förbränningsmotor behöver startas. Man anger även den totala energiförbrukningen som har gått åt. Professionell testmiljö
Vad krävs för utrustning och miljö för att bedriva testning av PHEV och EV fordon? Den frågan ställdes till utvecklingsteamet på Volvo Personvagnar och Anders Berndtsson som har varit vår kontaktman under detta projekt. Grundfilosofin vid framtagandet av både PHEV och EV fordonen är den samma. De måste klara precis samma test som de ordinarie bilarna, och samma krav ställs. Kundförväntan är den samma, oavsett om kunden köper en plug-­‐in hybrid eller ett elektriskt fordon. Således körs bilarna i utvecklingsprojektet samma test så som: •
Vindtunnelprov •
EMC och el-­‐prestanda •
Krockprovning •
Termoprov •
Klimatprov •
Funktionsprov •
Livslängdsprov Därutöver körs även bilarna i olika riggprov, på rulle och i skakriggar. Stort fokus för PHEV och EV under provningen ligger på värme och kyla problem, is och vatten bildningar, och s.k. asien-­‐proven med extrema miljöer, så som höga temperaturer och hög fuktighet. Detta på grund av batterierna baseras vanligtvis på litium-­‐jon teknik. Litium-­‐jon batterier är speciellt känsliga för extrema temperaturer när det gäller både prestanda och livslängd. Test Site Sweden
15
Batteriprovning förläggs ofta hos leverantörerna som får ta del av fordonstillverkarnas unika krav för att kunna uppnå de krav som ställs på komponenterna. Källhänvisning
Matthew A. Kromer and John B. Heywood, ”A Comparative Assessment of Electric Propulsion Systems in the 2030 US Light-­‐Duty Vehicle Fleet”, 2008. Michel Andre. ”Real-­‐world driving cycles for measuring cars pollutant emissions – Part A: The ARTEMIS European driving cycles”, 2004. Jonn Axsen, Andrew Burke and Ken Kurani. ”Batteries for Plug-­‐in Hybrid Electric Vehicles”, 2008. Jay Kwon, Jeongmin Kim, Eric Fallas, Sylvain Pagerit, Aymeric Rousseau. ”Impact of Drive Cycles on PHEV Component Requirements”, 2008. Ayman Moawad, Gurhari Singh, Simeon Hagspiel, Mohamed Fellah, Aymeric Rousseau5. ”Impact of Real World Drive Cycles on PHEV Fuel Efficiency and Cost for Different Powertrain and Battery Characteristics”, 2009. Dieselnet, http://www.dieselnet.com Michael Duoba and Richard Carlson.”Test Procedure Development for “Blended Type” Plug-­‐In Hybrid Vehicles”, 2008 J. Gonder and A. Brooker. ”Deriving In-­‐Use PHEV Fuel Economy Predictions from Standardized Test Cycle Results”, 2009 Test Site Sweden
16