孫穎　孫龍　王子曄

摘要：選擇了4輛不同配置的電動(dòng)汽車(chē)，按照歐洲EU 2018-1832法規(guī)要求運(yùn)行WLTC組合工況，采集動(dòng)力電池母線電參量和車(chē)輛速度，分析組合工況下不同速度段直流放電特征。研究表明：動(dòng)力電池的電流大小和方向與車(chē)輛運(yùn)行速度變化相關(guān)，車(chē)輛加速或勻速時(shí)，電流方向?yàn)檎?減速時(shí)，為負(fù)向。加減速工況交替變化時(shí)，電壓對(duì)應(yīng)升降交替，但隨電池荷電狀態(tài)降低，電壓整體呈下降趨勢(shì);DS段放出電能占組合工況比例為23 %左右，電能變化量DS₁段比DS₂段平均高出9.29 %，受制動(dòng)能量回收策略影響。

主題詞：WLTC;電動(dòng)汽車(chē);放電特性;縮短法

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72

1.前言

電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程是評(píng)價(jià)車(chē)輛重要技術(shù)參數(shù)之一，同時(shí)也是消費(fèi)者關(guān)注的重要指標(biāo)。世界各國(guó)和地區(qū)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行續(xù)駛里程測(cè)試的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)不盡相同^[1]。當(dāng)前，電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程主流測(cè)試法規(guī)和程序主要有中國(guó)法規(guī)、歐盟法規(guī)和美國(guó)法規(guī)^[2-4]。其中歐盟法規(guī)和美國(guó)法規(guī)采用組合工況的方式進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程測(cè)試，在保證測(cè)試結(jié)果可靠的同時(shí)，大大縮短測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試效率，減輕了檢測(cè)機(jī)構(gòu)、整車(chē)和零部件企業(yè)的測(cè)試研發(fā)負(fù)擔(dān)。利用組合工況進(jìn)行電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程測(cè)試逐漸成為測(cè)試技術(shù)的首選方案。我國(guó)正在制定的純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也基于中國(guó)工況下的組合工況進(jìn)行測(cè)試，組合工況能夠解決現(xiàn)行測(cè)試方法需反復(fù)運(yùn)行同一工況所帶來(lái)的測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)和一致性較差等弊端，同時(shí)其與國(guó)際主流電動(dòng)車(chē)測(cè)試方法保持較好的同步性，并具有一定的先進(jìn)性。

歐盟電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程測(cè)試工況，EU 2018-1832電動(dòng)車(chē)（PEV）部分規(guī)定了電動(dòng)汽車(chē)預(yù)估續(xù)駛里程超過(guò)4個(gè)WLTC里程的車(chē)輛采用縮短法進(jìn)行續(xù)駛里程測(cè)試和計(jì)算。

2.測(cè)試方案

通過(guò)對(duì)4輛不同配置電動(dòng)車(chē)按照WLTC組合工況在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上運(yùn)行，利用功率分析儀設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量、計(jì)算和記錄車(chē)輛的電流、電壓和電能數(shù)據(jù)，并通過(guò)擴(kuò)展模塊測(cè)量車(chē)輛行駛速度。試驗(yàn)要求采集數(shù)據(jù)頻率20 Hz。

2.1測(cè)試方法

試驗(yàn)車(chē)輛分別按照WLTC組合工況在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上運(yùn)行。車(chē)輛經(jīng)過(guò)預(yù)處理和初次充放電后，開(kāi)始正式試驗(yàn)，從車(chē)輛動(dòng)力電池的滿(mǎn)電狀態(tài)運(yùn)行至無(wú)法維持工況曲線跟蹤后結(jié)束。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)底盤(pán)測(cè)功機(jī)和功率分析儀對(duì)車(chē)輛瞬時(shí)放電電流、放電電壓以及行駛速度進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，試驗(yàn)測(cè)試流程如圖2所示。

2.2 測(cè)試車(chē)輛

根據(jù)車(chē)輛的整備質(zhì)量，電池容量大小和最高車(chē)速以及品牌等選擇了4輛不同配置的電動(dòng)車(chē)。其中車(chē)輛1 、車(chē)輛2和車(chē)輛3是三個(gè)不同的電動(dòng)車(chē)整車(chē)品牌，車(chē)輛3和車(chē)輛4是同一品牌不同配置的電動(dòng)車(chē)，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.3 測(cè)試設(shè)備

文中電動(dòng)汽車(chē)按照WLTC組合運(yùn)行，主要測(cè)試設(shè)備有底盤(pán)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)和功率分析儀系統(tǒng)以及附屬設(shè)備。

2.3.1 底盤(pán)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)

底盤(pán)測(cè)功機(jī)設(shè)備用于可以使試驗(yàn)車(chē)輛按照指定測(cè)試工況運(yùn)行，同時(shí)可以模擬試驗(yàn)車(chē)輛實(shí)際道路上的行駛阻力。設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。

2.3.2功率分析儀系統(tǒng)

功率分析儀測(cè)試系統(tǒng)的擴(kuò)展模塊可以實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)輸入，通過(guò)技術(shù)改造，本文實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員將底盤(pán)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)中用于測(cè)量車(chē)速的速度編碼器脈沖信號(hào)接入到功率分析儀脈沖擴(kuò)展模塊中，同時(shí)配置底盤(pán)測(cè)功機(jī)編碼器模塊，能夠?qū)崟r(shí)的記錄車(chē)輛行駛過(guò)程中的電參量數(shù)據(jù)，并保證所有記錄數(shù)據(jù)時(shí)鐘是一致的，最后將測(cè)試數(shù)據(jù)輸出到同一個(gè)文件中，如圖5所示為功率分析儀上的速度擴(kuò)展模塊實(shí)物連接圖。

2.3.3測(cè)試工況確定

通過(guò)試驗(yàn)車(chē)輛的預(yù)估續(xù)駛里程以及車(chē)輛的技術(shù)參數(shù)，確定4輛車(chē)的恒速段CSS_M段時(shí)長(zhǎng)如下表2所示。

2.4測(cè)試數(shù)據(jù)處理分析

利用底盤(pán)測(cè)功機(jī)和功率分析儀設(shè)備測(cè)量和記錄得到4輛車(chē)在各自運(yùn)行WLTC組合工況下的電參量和車(chē)輛運(yùn)行速度數(shù)值。采集車(chē)輛工況運(yùn)行過(guò)程中不同測(cè)試階段的電能變化以及對(duì)應(yīng)階段的能量消耗，可以對(duì)車(chē)輛的放電特性進(jìn)行分析，車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中的電能可以通過(guò)如下公式結(jié)算得到：

（1）

其中：△E為工況運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)動(dòng)力電池的電量變化，單位Wh，U為通過(guò)功率分析儀設(shè)備測(cè)得的母線電壓等效值，單位V，I為通過(guò)功率分析儀設(shè)備測(cè)得的母線電流值，單位A，測(cè)試時(shí)間單位為秒（s）。

車(chē)輛在運(yùn)行工況階段下的實(shí)際里程的計(jì)算可以通過(guò)如下公式計(jì)算得到：

（2）

其中：v為通過(guò)功率分析儀設(shè)備記錄的車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行速度，單位km/h，R為工況運(yùn)行時(shí)間內(nèi)車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行里程，單位km。

3.車(chē)輛電流變化特征

車(chē)輛在運(yùn)行組合工況過(guò)程中，車(chē)輛動(dòng)力電池母線上的電流變化與車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行速度變化具有相同的變化趨勢(shì)，動(dòng)力電池的電流大小和方向與車(chē)輛運(yùn)行速度的大小相關(guān)^[5]。如圖和圖所示為車(chē)輛在運(yùn)行整個(gè)組合工況下的動(dòng)力電池電流時(shí)間曲線和車(chē)輛運(yùn)行的整個(gè)組合工況曲線。

車(chē)輛在運(yùn)行加速工況時(shí)，車(chē)輛動(dòng)力電池電流為正向;車(chē)輛在運(yùn)行減速工況時(shí)，車(chē)輛動(dòng)力電池電流為負(fù)向;車(chē)輛運(yùn)行在等速勻速工況時(shí)，車(chē)輛動(dòng)力電池電流與車(chē)輛運(yùn)行在加速工況時(shí)的電流方式一致，同樣是正向。

4.車(chē)輛電壓變化特征

車(chē)輛在加速工況時(shí)，車(chē)輛動(dòng)力電池電壓隨之加速降低;車(chē)輛運(yùn)行在減速工況時(shí)，車(chē)輛動(dòng)力電池電壓呈現(xiàn)階段性升高趨勢(shì)。但是隨著車(chē)輛電池SOC不斷降低，車(chē)輛動(dòng)力電池電壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由車(chē)輛動(dòng)力電池的特性決定的。車(chē)輛運(yùn)行在減速工況時(shí)，車(chē)輛制動(dòng)產(chǎn)生能量回收，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能充入到電池中，此時(shí)電池母線電壓升高實(shí)現(xiàn)給動(dòng)力電池充電。如圖所示為車(chē)輛1運(yùn)行在DS₁段時(shí)動(dòng)力電池母線電壓運(yùn)行時(shí)間曲線和該段速度時(shí)間曲線。

組合工況下，動(dòng)力電池電壓下降幅值最多和次多分別出現(xiàn)在CSS_M段和CSS_E段的起始加速工況階段;動(dòng)力電池電壓上升幅值最多和次多分別出現(xiàn)在CSS_M段和CSS_E段的結(jié)束減速工況階段。下降和上升幅值最多時(shí)車(chē)輛動(dòng)力電池SOC較高，下降和上升幅值次多時(shí)車(chē)輛動(dòng)力電池SOC較低。

5.車(chē)輛電能變化特征

5.1車(chē)輛放出電能E（+）變化特征

在組合工況中DS₁段和DS₂段的工況組成完全相同，都是一個(gè)完整的WLTC循環(huán)加上一個(gè)CITY循環(huán)。但是車(chē)輛在運(yùn)行兩個(gè)相同工況段時(shí)車(chē)輛動(dòng)力電池的SOC狀態(tài)有很大差異。將DS₁段和DS₂段下的動(dòng)力電池放出電量相減并與DS₂段下的放出電量進(jìn)行比值，用百分比表示，用來(lái)比較兩個(gè)工況段放出電量關(guān)系，記為R_{DS_放出}，即：

（3）

將四輛車(chē)的R_{DS_放出}值繪制折線圖如圖所示。

四輛車(chē)R_{DS_放出}值都是正值，范圍在1.91 %到3.71 %之間。4輛試驗(yàn)車(chē)的DS₁段下的放出電能比車(chē)輛在DS₂段下的放出電能都要高不到4%的電能。這主要是車(chē)輛在試驗(yàn)起始階段時(shí)車(chē)輛處于冷態(tài)，車(chē)輛機(jī)械系統(tǒng)潤(rùn)滑狀態(tài)不良造成車(chē)輛在該階段的阻力較大，以及車(chē)輛在該階段各個(gè)控制部件對(duì)車(chē)輛正常運(yùn)行進(jìn)行自檢和部件狀態(tài)的調(diào)整，因此需要?jiǎng)恿﹄姵胤懦霾糠蛛娏客瓿绍?chē)輛準(zhǔn)備階段所需工作。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行一段時(shí)間后，車(chē)輛潤(rùn)滑狀態(tài)處于車(chē)輛運(yùn)行最佳狀態(tài)從而導(dǎo)致阻力減小，且車(chē)輛各系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不需要?jiǎng)恿﹄姵仡~外放出電能完成起始階段的車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整工作。因此，DS₁和DS₂兩段的放出電量有一定的差異，但是差異不明顯，車(chē)輛工況運(yùn)行是動(dòng)力電池放出電量的決定性因素。

6.結(jié)論

（1） 動(dòng)力電池的電流大小和方向與車(chē)輛運(yùn)行速度變化有關(guān)。加速工況時(shí)，車(chē)輛動(dòng)力電池電流為正向;減速工況時(shí)，電流為負(fù)向;勻速工況時(shí)，電流為正向。同時(shí)，動(dòng)力電池電流值大小與加速度有關(guān)，正向和負(fù)向電流極值點(diǎn)都出現(xiàn)在加速度較大且持續(xù)穩(wěn)定的工況段。

（2） 加速工況時(shí)，電池電壓加速降低;減速工況時(shí)，電池電壓呈現(xiàn)階段性升高趨勢(shì)。隨著車(chē)輛電池SOC不斷降低，車(chē)輛動(dòng)力電池電壓呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)。

（3） 車(chē)輛在DS₁段+DS₂段放出電能E（+）_{_DS}占整個(gè)組工況下的放出電能E（+）_組合比例在23 %左右。對(duì)于進(jìn)行組合工況下的續(xù)駛里程測(cè)試準(zhǔn)備階段時(shí)確定整個(gè)測(cè)試工況具有非常重要的參考意義。

（4） 加速工況，動(dòng)力電池電壓隨之加速降低;減速工況，電池電壓呈現(xiàn)階段性升高趨勢(shì)。但是隨車(chē)輛電池SOC不斷降低，車(chē)輛動(dòng)力電池電壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（5） DS₁段下的放出電能比車(chē)輛在DS₂段下的放出電能都要高不到4 %的電能。車(chē)輛工況運(yùn)行是動(dòng)力電池放出電量的決定性因素。

（6） 車(chē)輛在DS段（即DS₁段+DS₂段）放出電能E（+）_{_DS}占整個(gè)組合工況下的放出電能E（+）_{_組合}比例在23 %左右。

（7） 四輛車(chē)的電能變化量DS₁段比DS₂段的電能變化量平均高出9.29 %，R_DS__變化最低為3.77 %，車(chē)輛制動(dòng)能量回收模式對(duì)其影響較大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋軍，靳浩，張戎斌. 電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)， 2020（15）：10-12.

[2] 全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法： GB/T 18386-2017[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[3] SAE International. Battery Electric Vehicle Energy Consumption and Range Test Procedures ： J1634TM-2017[S]， 2017.

[4] European Parliament and of the Council. Commission Regultion （EU） [S]， 2017.

[5] 鄒夢(mèng)杰. 動(dòng)力鋰離子電池充放電特性與熱行為研究[D].重慶大學(xué)， 2018.

[6] 黃澤波.動(dòng)力鋰電池放電特性實(shí)驗(yàn)研究與分析[J].電源世界， 2016（10）：30-32.

[7] 雷利剛，孫龍，郭成勝，等. NEDC工況下純電動(dòng)汽車(chē)充電和放電特征分析[J]. 時(shí)代汽車(chē)，2018， 302（11）：91-92.