基于WLTC工況的電動(dòng)汽車能量流測(cè)試與分析

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(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；3.長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064）

1 前言

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

本文以某純電動(dòng)SUV 為研究對(duì)象，在AVL 轉(zhuǎn)轂上利用全球輕型汽車測(cè)試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）進(jìn)行測(cè)試，利用能量流數(shù)學(xué)模型和外加測(cè)試設(shè)備，考慮車輛行駛過程中機(jī)械能、電能的流動(dòng)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(jí)、系統(tǒng)級(jí)、零部件級(jí)全面評(píng)價(jià)測(cè)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(dòng)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(dòng)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(guó)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)波動(dòng)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(guó)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(zhǎng)。

3 測(cè)試方案

本文測(cè)試車輛為某純電動(dòng)SUV，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試車輛具體參數(shù)

測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)其進(jìn)行能量流測(cè)試，獲取測(cè)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(cè)的系統(tǒng)或零部件包括動(dòng)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(cè)點(diǎn)布置位置如圖3所示。

圖3 電能部分能量流測(cè)試方案

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

測(cè)試前需要在底盤測(cè)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(cè)功機(jī)上即可模擬出車輛在道路上的行駛阻力。測(cè)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(duì)從車輪邊緣輸出能量到車輪邊緣克服動(dòng)能回收能量這一過程的機(jī)械能流動(dòng)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(cè)試需求參考GB/T 18386—2017《電動(dòng)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(cè)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(cè)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(dòng)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(dòng)力Ft[6]：

式中，F(xiàn)f為滾動(dòng)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(cè)試中，取為0；Fj為加速阻力。

在能量流測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)車輛行駛。

在行駛工況下，能量從動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)行駛以及高低壓附件的需求。電能流動(dòng)的具體情況如圖5所示。

圖5 電能的流動(dòng)路徑

在電能部分的能量流測(cè)試方案中，可以通過功率分析儀得到動(dòng)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(dòng)，即PTC/AC端輸入的電能為零。

5 能量流動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

WLTC工況下能量流測(cè)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(duì)測(cè)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(duì)轉(zhuǎn)轂采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到電動(dòng)汽車WLTC工況下車輪邊緣能量流動(dòng)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(cè)試車輛在WLTC工況下能量流動(dòng)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(dòng)情況

圖6 測(cè)試車輛在WLTC工況下能量流動(dòng)模型

根據(jù)上述測(cè)試過程中得到的電動(dòng)汽車在WLTC 工況下的能量流動(dòng)情況，可以對(duì)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(dòng)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(dòng)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(cè)得。

對(duì)WLTC工況下能量流測(cè)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(dòng)效率

通過對(duì)WLTC 工況下各系統(tǒng)或零部件能量流動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車能量流測(cè)試與評(píng)價(jià)體系，對(duì)純電動(dòng)汽車行駛工況下整車能量流動(dòng)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(zhǎng)，行駛距離長(zhǎng)，能更好地評(píng)價(jià)在實(shí)際行駛過程中電動(dòng)汽車能耗情況。

b.通過在WLTC 工況下建立的整車能量流動(dòng)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(dòng)過程轉(zhuǎn)化為形象的能量流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，從而使整個(gè)能量流動(dòng)過程得到了量化。

c.能量流動(dòng)數(shù)學(xué)模型可以從整車級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、零部件級(jí)分析出具體的能量流動(dòng)效率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能的測(cè)評(píng)。

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