張微 徐金波 王旭 楊天

（1.工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心，北京 100846；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；3.長安大學(xué)，西安 710064）

1 前言

純電動汽車?yán)m(xù)駛里程是制約其發(fā)展的重要因素之一，動力電池是純電動汽車唯一的動力源，其能量利用效率直接影響整車的續(xù)駛里程。對電動汽車行駛工況下的能量流動情況進(jìn)行測試，可以準(zhǔn)確地掌握整車的能耗特性，以提升純電動汽車能量利用效率。

本文以某純電動SUV 為研究對象，在AVL 轉(zhuǎn)轂上利用全球輕型汽車測試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）進(jìn)行測試，利用能量流數(shù)學(xué)模型和外加測試設(shè)備，考慮車輛行駛過程中機(jī)械能、電能的流動方向和大小，以及各系統(tǒng)輸入與輸出的瞬時(shí)值與累計(jì)值，在整車級、系統(tǒng)級、零部件級全面評價(jià)測試車輛的能耗特性，以期提高整車的能量利用效率，從而增加純電動汽車的續(xù)駛里程。

2 WLTC工況與NEDC工況比較

NEDC 工況構(gòu)成較為單一，多為穩(wěn)態(tài)工況，由市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)組成[1]，便于開展試驗(yàn)和進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，但不能代表實(shí)際交通狀況下車輛的行駛狀況[2]；WLTC 工況涵蓋各種發(fā)動機(jī)排量、功率質(zhì)量比、生產(chǎn)廠商及道路類型、行駛時(shí)段[3]，且低速、中速、高速3個(gè)速度段均較為貼近中國實(shí)際行駛工況。WLTC 工況曲線與NEDC工況曲線如圖1所示。

圖1 WLTC工況曲線與NEDC工況曲線

NEDC工況由280 s怠速工況、277 s加速工況、445 s勻速工況、178 s 減速工況組成；WLTC 工況大體分為223 s 怠速工況、557 s 加速工況、501 s 勻速工況、519 s減速工況[4]。具體對比情況如圖2所示。

圖2 WLTC工況與NEDC工況構(gòu)成特點(diǎn)

通過對比可知，WLTC工況具備以下特征：

a.加速和減速過程頻繁，勻速段與怠速段比例大幅降低，工況動態(tài)波動性更大，擁有更多的瞬態(tài)工況；

b.速度與加速度覆蓋范圍更廣，最大減速度達(dá)到-1.49 m/s2，最大加速度達(dá)到1.58 m/s2，最高車速為131.3 km/h，超過國內(nèi)高速公路限速值9%；

c.平均速度與平均加速度乘積較大，說明WLTC工況在高速下仍有較大的加速度，特別是超高速階段工況，車速與加速度的乘積平均值高達(dá)6.21 m2/s3；

d.不含停車的平均速度較NEDC 工況更接近經(jīng)濟(jì)行駛速度；

e.運(yùn)行時(shí)間更長。

3 測試方案

本文測試車輛為某純電動SUV，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 測試車輛具體參數(shù)

測試設(shè)備主要包括2個(gè)4通道Hioki功率分析儀、多個(gè)鉗式電流傳感器、CANoe等。

根據(jù)測試車輛的高、低壓電氣原理，確定各安裝節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)各節(jié)點(diǎn)電流選取適當(dāng)量程的電流傳感器。其中，鉗式電流傳感器無需對高壓線進(jìn)行破壞，電壓采集需要直采，將電壓傳感器連接到高壓配電盒內(nèi)部正、負(fù)極接線柱上，并短接高壓互鎖回路，使得高壓系統(tǒng)回路完整性得到保證。在WLTC 工況下對其進(jìn)行能量流測試，獲取測試車輛內(nèi)部各系統(tǒng)或零部件之間工作時(shí)的輸入或輸出功率（能量流）。

基于WLTC工況，功率分析儀監(jiān)測的系統(tǒng)或零部件包括動力電池、電機(jī)控制器母線端、電機(jī)三相端、DC/DC高壓端、DC/DC 低壓端、12 V 蓄電池。各監(jiān)測點(diǎn)布置位置如圖3所示。

圖3 電能部分能量流測試方案

在確定部分能量流測試方案的基礎(chǔ)上，同時(shí)使用CANoe監(jiān)測總線信號，作為后期優(yōu)化制動控制策略或能量管理策略的重要依據(jù)[5]。

測試前需要在底盤測功機(jī)上模擬車輛在道路上的行駛阻力。首先，通過道路滑行試驗(yàn)獲取道路滑行阻力系數(shù)，據(jù)此進(jìn)行轉(zhuǎn)轂滑行，得到轉(zhuǎn)轂滑行阻力系數(shù)，將該系數(shù)設(shè)置在底盤測功機(jī)上即可模擬出車輛在道路上的行駛阻力。測試車輛在實(shí)際道路上的滑行阻力系數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 道路滑行阻力曲線

在WLTC 工況中，除了采集上述電能部分?jǐn)?shù)據(jù)，還要對從車輪邊緣輸出能量到車輪邊緣克服動能回收能量這一過程的機(jī)械能流動情況進(jìn)行計(jì)算，機(jī)械能計(jì)算主要通過轉(zhuǎn)轂數(shù)據(jù)獲得。

車輛狀態(tài)、環(huán)境溫度以及其他測試需求參考GB/T 18386—2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》。

4 能量流模型的構(gòu)建

在上述測試方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)整車的受力情況、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣原理建立能量流數(shù)學(xué)模型。能量流模型主要由通過底盤測功機(jī)計(jì)算的機(jī)械能和功率分析儀等設(shè)備計(jì)算的電能組成。

4.1 機(jī)械能部分模型構(gòu)建

車輛在實(shí)際的道路行駛過程中，受到空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力和加速阻力的影響，根據(jù)車輛平衡方程得到行駛需求驅(qū)動力Ft[6]：

式中，F(xiàn)f為滾動阻力；Fw為迎風(fēng)阻力；Fi為坡度阻力，在轉(zhuǎn)轂循環(huán)工況測試中，取為0；Fj為加速阻力。

在能量流測試中，將得到的轉(zhuǎn)轂阻力系數(shù)設(shè)置到性能轉(zhuǎn)轂中，在性能轉(zhuǎn)轂上測試車輛的質(zhì)量主要分為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量與平移質(zhì)量，即受到的行駛阻力主要分為慣性力矩和道路阻力，為了后續(xù)分析方便，循環(huán)工況下車輪邊緣受到的行駛阻力為：

式中，m為測試質(zhì)量；δ為質(zhì)量換算系數(shù)；v為瞬時(shí)速度；t為時(shí)間；Fr為道路阻力，包括行駛中的風(fēng)阻、滾動阻力和車輛內(nèi)部阻力。

道路阻力計(jì)算公式為：

式中，A、B、C為滑行阻力系數(shù)，由道路滑行試驗(yàn)測得，本文中A=203.99、B=0.365、C=0.045v。

循環(huán)工況行駛時(shí)車輪邊緣瞬時(shí)輸出的機(jī)械功率Pp為：

在整個(gè)工況中，存在加速與減速2 種速度變化情況：加速時(shí)Pp為瞬時(shí)輸出功率，為正值；減速時(shí)Pp為瞬時(shí)回收功率，為負(fù)值。車輪邊緣輸出能量Eex與回收能量Ein計(jì)算公式為：

Eex一部分克服道路阻力做功被消耗掉，另一部分轉(zhuǎn)化為動能；Ein一部分克服道路阻力做功被消耗掉，另一部分轉(zhuǎn)化成電能被回收（轉(zhuǎn)轂數(shù)據(jù)采集頻率為50 Hz）。

Pp＞0 時(shí)，道路阻力消耗為Eexf，Pp≤0 時(shí)，道路阻力消耗為Einf，計(jì)算公式為：

由上述表達(dá)式可知，Eex=Ein+Eexf。驅(qū)動電機(jī)回收的機(jī)械能EEM為：

4.2 電能部分模型構(gòu)建

在WLTC工況下，動力電池輸出的能量一部分用于為低壓附件供電，一部分用于克服各種阻力，驅(qū)動車輛行駛。

在行駛工況下，能量從動力電池輸出后主要經(jīng)過高壓配電盒（Power Distribution Unit，PDU）、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、空調(diào)（Air Condition，AC）、加熱器（Positive Temperature Coefficient，PTC）、電機(jī)控制器（Motor Control Unit，MCU），從而滿足人們對驅(qū)動行駛以及高低壓附件的需求。電能流動的具體情況如圖5所示。

圖5 電能的流動路徑

在電能部分的能量流測試方案中，可以通過功率分析儀得到動力電池輸出和回收的能量、DC/DC輸入和輸出的能量、MCU輸入和回收的能量、電機(jī)輸入和回收的能量。由于WLTC 工況在室溫下進(jìn)行，空調(diào)壓縮機(jī)與PTC不啟動，即PTC/AC端輸入的電能為零。

5 能量流動測試結(jié)果分析

WLTC工況下能量流測試結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)車?yán)塾?jì)行駛里程為246.3 km，交流百公里電耗為17.821 kW·h。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，得到各系統(tǒng)或零部件能量輸入、輸出情況如表2所示。

對轉(zhuǎn)轂采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到電動汽車WLTC工況下車輪邊緣能量流動情況如表3所示。

根據(jù)能量流模型的建立及分析過程，得到測試車輛在WLTC工況下能量流動模型，如圖6所示。

表2 各系統(tǒng)或零部件能量輸入、輸出情況

表3 輪邊輸出能量流動情況

圖6 測試車輛在WLTC工況下能量流動模型

根據(jù)上述測試過程中得到的電動汽車在WLTC 工況下的能量流動情況，可以對WLTC 工況中系統(tǒng)或零部件效率進(jìn)行計(jì)算，得到各系統(tǒng)或零部件的能量傳遞效率。η1～η4分別為DC/DC、驅(qū)動系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)和MCU 的傳遞效率，λ為能量回收貢獻(xiàn)率，計(jì)算公式分別為：

式中，EDC/DCin、EDC/DCout分別為DC/DC輸入、輸出的能量；EEMin為驅(qū)動電機(jī)輸入的能量；Eregen為電機(jī)控制器回收得到的能量；EMCUin為電機(jī)控制器輸入的能量；EBat為WLTC 工況結(jié)束后充入電能的總量。上述參數(shù)均通過功率分析儀測得。

對WLTC工況下能量流測試結(jié)果與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)或零部件的效率，如表4所示。

表4 基于WLTC工況下各系統(tǒng)或零部件能量流動效率

通過對WLTC 工況下各系統(tǒng)或零部件能量流動效率進(jìn)行分析，可以明確能量利用效率的優(yōu)化方向，為純電動汽車開發(fā)過程提供參考依據(jù)，進(jìn)而增加續(xù)駛里程。

6 結(jié)束語

本文采用基于WLTC 工況的電動汽車能量流測試與評價(jià)體系，對純電動汽車行駛工況下整車能量流動情況進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

a.WLTC 工況相比NEDC 工況瞬態(tài)工況較多，能耗特性表現(xiàn)得更為明顯，單位工況持續(xù)時(shí)間長，行駛距離長，能更好地評價(jià)在實(shí)際行駛過程中電動汽車能耗情況。

b.通過在WLTC 工況下建立的整車能量流動模型可以看出更為直觀的分析出各個(gè)部件所傳遞的能量，使得整車的能量流動過程轉(zhuǎn)化為形象的能量流動數(shù)學(xué)模型，從而使整個(gè)能量流動過程得到了量化。

c.能量流動數(shù)學(xué)模型可以從整車級、系統(tǒng)級、零部件級分析出具體的能量流動效率，從而實(shí)現(xiàn)對純電動汽車經(jīng)濟(jì)性能的測評。

綜上，基于WLTC工況的電動汽車能量流測試與分析方法可以更好在開發(fā)過程中提升純電動汽車的能量利用效率，降低其百公里電耗，從而增加純電動汽車的續(xù)駛里程。