增程式電動汽車能耗測試仿真試驗研究

摘" 要：增程式電動汽車采用與傳統(tǒng)混合動力電動汽車同樣的能耗測試標準，但二者在工作原理和系統(tǒng)構(gòu)架等方面存在顯著差異。通過搭建增程式電動汽車仿真模型，采用全球統(tǒng)一的輕型車測試循環(huán)（WLTC）工況進行電量消耗模式（CD）和電量保持模式（CS）的能耗仿真試驗，再基于實車試驗室數(shù)據(jù)對仿真模型進行對比驗證。最后，開展采用中國輕型汽車行駛工況（CLTC）的能耗仿真試驗，分析增程式電動汽車在兩種不同工況下的能耗表現(xiàn)。結(jié)果表明：采用仿真手段能較好地實現(xiàn)對增程式電動汽車的能耗測試，且綜合結(jié)果與試驗室數(shù)據(jù)較為相符，采用CLTC工況的能耗測試表現(xiàn)要顯著優(yōu)于WLTC工況的能耗測試表現(xiàn)。

關鍵詞：增程式電動汽車；能耗測試；仿真試驗；循環(huán)工況；純電利用系數(shù)

中圖分類號：U461.8" " " "文獻標識碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2023）01-0044-07

Simulation Study on Energy Consumption Test of

Extended-range Electric Vehicle

LI Feng， DING Ling， SHI Yu-hai， LI Yue-bing， CAI Xin-xin

（ National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang），

Xiangyang 441004， China）

Abstract： Extended-range electric vehicles adopt the same energy consumption test standard as other hybrid electric vehicles， but there are significant differences between them in working principle and system architecture. By building the simulation model， the energy consumption simulation tests of charge-depleting operating condition（CD） and charge-sustaining operating condition（CS） are carried out under the WLTC. Then， the simulation results are verified based on laboratory data. Finally， the simulation tests of energy consumption under the CLTC are carried out to analyze the energy consumption performance of the extended-range electric vehicle under the two different test modes. The results show that the simulation method can be applied to the energy consumption test of the extended-range electric vehicle . And the test results are in good agreement with the actual test results in the laboratory. The performance of the energy consumption of extended-range electric vehicles under the CLTC is significantly better than that under the WLTC.

Key Words： Extended-Range Electric Vehicle; Energy Consumption Test; Simulation Test; Cycle Condition; Pure Electricity Utilization Factor

李" "峰

畢業(yè)于武漢理工大學，碩士研究生學歷，現(xiàn)就職于國家汽車質(zhì)量檢驗檢測中心（襄陽），任責任工程師，主要研究方向：汽車節(jié)能減排技術，已發(fā)表文章2篇。

引" "言

隨著能源和環(huán)境問題的日趨嚴峻，新能源汽車成為國家政策和汽車行業(yè)關注的重點[1-2]。作為傳統(tǒng)燃油車型和純電動汽車的過渡車型，混合動力電動汽車兼具長續(xù)航和低能耗等特點，并衍生出各種構(gòu)架方案[3-5]。其中，增程式電動汽車將發(fā)動機和發(fā)電機結(jié)合為增程器，再匹配動力電池、驅(qū)動電機以及控制系統(tǒng)，具備短距離純電行駛模式和長距離增程行駛模式，保證發(fā)動機在工作時始終位于最高效率點，燃油經(jīng)濟性達到最高，對整車的能耗和排放水平的降低尤為明顯[6-7]。同時，由于發(fā)動機不直接參與驅(qū)動系統(tǒng)，省去了變速箱等機械結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動電機直接驅(qū)動，整體結(jié)構(gòu)更加簡單，故障率低，還具備了純電動汽車的高加速性能，成為現(xiàn)階段新能源汽車的重要發(fā)展方向之一[8]。

目前，針對增程式電動汽車的能耗研究，主要集中在增程器的匹配設計和優(yōu)化、整車能量管理策略和智能算法，以及新型儲能系統(tǒng)的研究等方面，嘗試從不同的角度來降低增程式電動汽車的能耗水平[9-11]。但目前的這些研究內(nèi)容，對能耗水平的評價方法不一，且多以單一的仿真手段開展。因此，基于能耗標準，利用仿真手段構(gòu)建一個統(tǒng)一的增程式電動汽車能耗測試評價方法，并基于實車試驗數(shù)據(jù)對仿真結(jié)果進行驗證非常必要。最后，基于此評價方法，實現(xiàn)對增程式電動汽車在不同工況下的能耗表現(xiàn)進行評估分析。

1" " 增程式電動汽車模型

1.1" "研究對象

選取某臺增程式電動汽車為研究對象，其主要由增程器、動力電池、驅(qū)動電機、能量管理及控制系統(tǒng)，以及車身和傳動等部件組成，如圖1所示。當車輛動力電池的荷電狀態(tài)（SOC）較高時，增程器不啟動，由動力電池直接向驅(qū)動電機供電，即以純電模式運行；當車輛動力電池的荷電狀態(tài)較低時，增程器啟動，并保證發(fā)動機在最高效率點工作，此時由增程器發(fā)出的電能為驅(qū)動電機供電，并將多出的電能為動力電池充電，即增程模式；當驅(qū)動電機功率需求較大，單一能源無法滿足時，則由增程器和動力電池同時供電，提供最大功率輸出。該車的主要技術參數(shù)如表1所示：

1.2" "建立模型

在仿真平臺的選擇上，AVL Cruise軟件包含試驗所需的整車、發(fā)動機、電機、電池、主減速器、差速器以及輪胎等多種模塊，可進行多工況、多模式的仿真，在整車性能仿真（如動力性、經(jīng)濟學、排放性等）具備專業(yè)性強、精度高、運算速度快等突出優(yōu)勢，滿足增程式電動汽車能耗測試仿真的需求。

根據(jù)實車模型參數(shù)對車輛各個部件依次進行建模，設定monitor模塊監(jiān)控參數(shù)，根據(jù)整車控制策略搭建增程器和電機控制模塊，最后再進行各模塊間的機械連接、電氣連接和信號連接，所搭建的整車模型如圖2所示：

2" " 能耗測試仿真試驗及比對驗證

2.1" "能耗測試評價方法

當前增程式電動汽車在能耗標準上屬于混合動力電動汽車，適用的最新能耗標準為GB/T 19753-2021《輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》[12]。本文所選取的增程式電動汽車為可外接充電式混合動力汽車（OVC-HEV），為綜合評價汽車行駛過程中的電量消耗水平和燃料消耗水平，需要完成電量消耗模式試驗（CD模式，如圖3）和電量保持模式試驗（CS模式，如圖4），分別對車輛在滿電和虧電狀態(tài)下的油耗和電耗表現(xiàn)進行評估。

基于CD模式測試流程，應從滿電狀態(tài)連續(xù)進行多個WLTC工況循環(huán)，并對每個試驗循環(huán)進行終止判定，當相對電能變化量REECc小于0.04時，CD模式試驗達到終止判定條件，REECc計算公式為：

式中：REECc為CD模式第c個試驗循環(huán)的相對電能變化量；c為試驗循環(huán)序號；Ecycle為循環(huán)能量需求，Ws；?EREESS，c為CD模式第c個試驗循環(huán)所有REESS的電能變化量，Wh。

基于CS模式測試流程，試驗前車輛應預處理至終止判定條件，浸車后進行1個完整的WLTC工況循環(huán)，試驗結(jié)果基于REESS電能變化量進行修正。當?EREESS，CS為負REESS放電，且修正標準c大于0.005時，應進行修正。修正標準c的計算公式為：

式中：?EREESS，CS為CS模式下REESS的電能變化量，Wh；Efuel，CS為CS模式下所消耗燃料的能量當量，Wh；HV為燃料熱值，汽油為8.92kWh/L；FCCS，nb為未經(jīng)修正的燃料消耗量，L/100km；dcs為循環(huán)行駛距離，km。

2.2" "仿真試驗

根據(jù)測試流程分別建立CD模式和CS模式的測試循環(huán)，基于WLTC工況進行仿真。試驗模式為底盤測功機模式，車輛加載質(zhì)量為測試質(zhì)量，阻力加載曲線如圖5所示：

進行CD模式試驗，設置車輛初始SOC值為100%，并經(jīng)預處理后的冷起動狀態(tài)，環(huán)境溫度23℃，相對濕度46%。為減少計算時間，將目標SOC值設置為20%（低于車輛的SOC值平衡點）。運行仿真程序，共進行5個WLTC循環(huán)，得到的車輛SOC值、耗油量及電能變化曲線如圖6所示。由圖可知，車輛從滿電狀態(tài)運行至第3個WLTC循環(huán)中速段時SOC值達到25%附近，此時發(fā)動機啟動，并產(chǎn)生油耗。隨后的第4個和第5個循環(huán)，SOC值趨于穩(wěn)定。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)及公式（1），得出CD模式下各循環(huán)的電能變化量及REECc值見表1。其中，第4個循環(huán)的相對電能變化量REECc為0.034lt;0.04，達到終止判定條件，則第4個循環(huán)車輛達到電量平衡狀態(tài)，第3個循環(huán)為過渡循環(huán)，需要前3個循環(huán)的試驗數(shù)據(jù)參與到CD模式的能耗計算。

進行CS模式試驗，設置車輛初始狀態(tài)為電量平衡狀態(tài)，SOC值為25%，同樣為冷起動狀態(tài)，其他環(huán)境條件與CD模式相同。運行仿真程序，得到的車輛SOC值、耗油量及電能變化曲線變化曲線如圖7所示。由圖可知，車輛的SOC值最終基本穩(wěn)定在25%附近。在WLTC工況超高速段最后的兩個加速階段，動力電池為了補充功率輸出，表現(xiàn)為顯著地放電狀態(tài)，此時電能變化量轉(zhuǎn)為負值；在最后一個減速階段，因制動能量回收作用，給電池充電，電能變化量重新轉(zhuǎn)為正值，與實際情況基本相符。車輛的電能變化量?EREESS，CS為正值246.97 Wh，整體表現(xiàn)為充電，根據(jù)修正標準不需進行修正，油耗值FCCS為6.49 L/100km。

2.3" "試驗驗證

對仿真試驗進行驗證，驗證試驗所用到的設備主要有：排放分析儀、底盤測功機、功率分析儀、電流和電壓傳感器。試驗設備及車輛安裝如圖8所示。試驗前采用滑行法完成對車輛在底盤測功機上的阻力設定，進行電流、電壓傳感器的布置，并將車輛充至滿電狀態(tài)。正式試驗過程中，記錄每個試驗循環(huán)的所有REESS的電流、電壓、電能變化量、各個速度段和試驗循環(huán)的行駛里程、污染物排放結(jié)果、油耗結(jié)果以及從外部充入的電量EAC和充電時間。

驗證試驗共進行了4個循環(huán)，得出的CD模式各循環(huán)電能變化量及REECc值見表2。其中，第4個循環(huán)的相對電能變化量REECc為0.0004lt;0.04，達到終止判定條件。發(fā)動機在第3個循環(huán)啟動，并在第4個循環(huán)車輛達到電量平衡，與仿真試驗基本一致。

CS模式車輛的電能變化量?EREESS，CS為正值1.72 Wh，整體表現(xiàn)為充電，根據(jù)修正標準不需進行修正，油耗值FCCS為6.18 L/100km。

2.4" "結(jié)果比對分析

基于仿真試驗和驗證試驗數(shù)據(jù)，引入基于中國實際道路統(tǒng)計得到的純電利用系數(shù)（UF），根據(jù)標準GB/T 19753-2021進行加權(quán)計算[12]。純電利用系數(shù)曲線如圖9所示。計算得到的車輛CD模式的油耗、電耗結(jié)果以及加權(quán)后的綜合結(jié)果見表3。

由表3可知，仿真試驗和驗證試驗經(jīng)過加權(quán)后的綜合能耗（包括油耗和電耗）結(jié)果基本一致，僅相差0.06L/100km和5Wh/km，均在3.5%以內(nèi)。但在CD模式油耗上，仍有一定誤差。結(jié)合表1和表2，對CD模式下各循環(huán)段的能耗數(shù)據(jù)展開分析，兩者在前兩個循環(huán)均為純電模式，電能變化量基本相同；而針對過渡循環(huán)（即第3個循環(huán)），仿真所得油耗比實測低，電池放電量比實測高，說明仿真過程中，在過渡循環(huán)發(fā)動機做功要比驗證試驗少，電池做功更多?？紤]到仿真試驗條件下，車輛的預置狀態(tài)（包括充電和浸車等）更為理想，導致實際試驗中發(fā)動機的啟動時間相比仿真試驗更早。因此，采用仿真手段對增程式電動汽車進行能耗測試，基本能較好地模擬車輛的綜合能耗表現(xiàn)，但受實測試驗中車輛狀態(tài)等因素影響，在發(fā)動機的啟動時間上，與實際試驗過程仍有一定差異。

3" " 不同工況下的能耗仿真測試分析

因標準GB/T 19753-2021中的試驗循環(huán)，涵蓋有WLTC工況和CLTC工況，為比較增程式電動汽車在不同測試工況下的能耗差異，采用相同的仿真方法，基于中國工況乘用車曲線CLTC-P[13]，開展能耗仿真測試。得到的CD和CS模式下SOC值、耗油量及電能變化曲線如圖10、11所示，CD模式下各循環(huán)的電能變化量及REECc值見表4。由圖10和表4可知，該車進行CD模式試驗時，發(fā)動機在第5個循環(huán)啟動，隨后SOC值趨于平穩(wěn)，在第6個循環(huán)車輛達到電量平衡狀態(tài)，取前5個循環(huán)數(shù)據(jù)進行能耗計算。圖11的CS模式，車輛在高速段的加減速階段，由于車輛負荷較大，動力電池也出現(xiàn)了顯著地功率跟隨和制動能量回收狀態(tài)。

將兩種不同工況下的仿真結(jié)果進行比較，見表5。在CS模式，即車輛虧電狀態(tài)下，采用CLTC-P的油耗相比WLTC要低13%；在綜合油耗表現(xiàn)上，采用CLTC-P相比WLTC要低34%；在綜合電耗表現(xiàn)上，采用CLTC-P相比WLTC低14%。對比兩種工況的曲線特征，通過表6可發(fā)現(xiàn)，CLTC-P曲線的怠速工況比例相比WLTC增加約10%，車輛的平均車速、最高車速以及最高加速度明顯更低，這對于增程式電動汽車而言，發(fā)動機的運行效率更加穩(wěn)定，低速和怠速下發(fā)動機熄火，車速更低、更平緩的行駛工況，有利于車輛維持更低的能耗水平。由此可知，增程式電動汽車，對中國工況有更好的適應性，整體能耗表現(xiàn)更優(yōu)。而目前采用WLTC的法規(guī)認證體系，對增程式電動汽車的能耗表現(xiàn)有所低估。

4" " 結(jié)論

1）基于能耗標準，利用AVL Cruise的仿真方法，可以較好地實現(xiàn)對增程式電動汽車的能耗測試，且綜合能耗（包括油耗和電耗）評價結(jié)果和試驗室的數(shù)據(jù)較為一致，誤差在3.5%以內(nèi)。但由于仿真方法對車輛的預置狀態(tài)更為理想，導致車輛在過渡循環(huán)發(fā)動機的啟動時間上與試驗室試驗過程存在一定差異，如果在試驗室試驗中對車輛的預處理狀態(tài)更加理想，差異可能會進一步縮小。

2）由于CLTC工況相比WLTC工況怠速比例更多，車輛行駛工況更為平緩，平均車速更低，增程式電動汽車對CLTC工況體現(xiàn)出更好的適應性，綜合油耗減少34%，綜合電耗減少14%，整體能耗表現(xiàn)更優(yōu)。以此說明，目前基于WLTC工況的能耗評價方法，對增程式電動汽車的能耗表現(xiàn)有所低估。

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專家推薦語

李" "崢

東風汽車集團有限公司技術中心

整車部總師" 研究員級高級工程師

論文提出了一種針對增程式混合動力汽車的研究思路，從能量管理策略仿真到試驗對標，可以擴充到其它使用工況進行合理預估，該思路具有一定的創(chuàng)新性和實用性。