基于WLTC工况的电动汽车能量流测试与分析

张微 徐金波 王旭 杨天

（1.工业和信息化部装备工业发展中心，北京 100846；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；3.长安大学，西安 710064）

1 前言

纯电动汽车续驶里程是制约其发展的重要因素之一，动力电池是纯电动汽车唯一的动力源，其能量利用效率直接影响整车的续驶里程。对电动汽车行驶工况下的能量流动情况进行测试，可以准确地掌握整车的能耗特性，以提升纯电动汽车能量利用效率。

本文以某纯电动SUV 为研究对象，在AVL 转毂上利用全球轻型汽车测试循环（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）进行测试，利用能量流数学模型和外加测试设备，考虑车辆行驶过程中机械能、电能的流动方向和大小，以及各系统输入与输出的瞬时值与累计值，在整车级、系统级、零部件级全面评价测试车辆的能耗特性，以期提高整车的能量利用效率，从而增加纯电动汽车的续驶里程。

2 WLTC工况与NEDC工况比较

NEDC 工况构成较为单一，多为稳态工况，由市区运转循环和市郊运转循环组成[1]，便于开展试验和进行重复试验，但不能代表实际交通状况下车辆的行驶状况[2]；WLTC 工况涵盖各种发动机排量、功率质量比、生产厂商及道路类型、行驶时段[3]，且低速、中速、高速3个速度段均较为贴近中国实际行驶工况。WLTC 工况曲线与NEDC工况曲线如图1所示。

图1 WLTC工况曲线与NEDC工况曲线

NEDC工况由280 s怠速工况、277 s加速工况、445 s匀速工况、178 s 减速工况组成；WLTC 工况大体分为223 s 怠速工况、557 s 加速工况、501 s 匀速工况、519 s减速工况[4]。具体对比情况如图2所示。

图2 WLTC工况与NEDC工况构成特点

通过对比可知，WLTC工况具备以下特征：

a.加速和减速过程频繁，匀速段与怠速段比例大幅降低，工况动态波动性更大，拥有更多的瞬态工况；

b.速度与加速度覆盖范围更广，最大减速度达到-1.49 m/s2，最大加速度达到1.58 m/s2，最高车速为131.3 km/h，超过国内高速公路限速值9%；

c.平均速度与平均加速度乘积较大，说明WLTC工况在高速下仍有较大的加速度，特别是超高速阶段工况，车速与加速度的乘积平均值高达6.21 m2/s3；

d.不含停车的平均速度较NEDC 工况更接近经济行驶速度；

e.运行时间更长。

3 测试方案

本文测试车辆为某纯电动SUV，其具体参数如表1所示。

表1 测试车辆具体参数

测试设备主要包括2个4通道Hioki功率分析仪、多个钳式电流传感器、CANoe等。

根据测试车辆的高、低压电气原理，确定各安装节点，并根据各节点电流选取适当量程的电流传感器。其中，钳式电流传感器无需对高压线进行破坏，电压采集需要直采，将电压传感器连接到高压配电盒内部正、负极接线柱上，并短接高压互锁回路，使得高压系统回路完整性得到保证。在WLTC 工况下对其进行能量流测试，获取测试车辆内部各系统或零部件之间工作时的输入或输出功率（能量流）。

基于WLTC工况，功率分析仪监测的系统或零部件包括动力电池、电机控制器母线端、电机三相端、DC/DC高压端、DC/DC 低压端、12 V 蓄电池。各监测点布置位置如图3所示。

图3 电能部分能量流测试方案

在确定部分能量流测试方案的基础上，同时使用CANoe监测总线信号，作为后期优化制动控制策略或能量管理策略的重要依据[5]。

测试前需要在底盘测功机上模拟车辆在道路上的行驶阻力。首先，通过道路滑行试验获取道路滑行阻力系数，据此进行转毂滑行，得到转毂滑行阻力系数，将该系数设置在底盘测功机上即可模拟出车辆在道路上的行驶阻力。测试车辆在实际道路上的滑行阻力系数曲线如图4所示。

图4 道路滑行阻力曲线

在WLTC 工况中，除了采集上述电能部分数据，还要对从车轮边缘输出能量到车轮边缘克服动能回收能量这一过程的机械能流动情况进行计算，机械能计算主要通过转毂数据获得。

车辆状态、环境温度以及其他测试需求参考GB/T 18386—2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》。

4 能量流模型的构建

在上述测试方案的基础上，根据整车的受力情况、机械结构、电气原理建立能量流数学模型。能量流模型主要由通过底盘测功机计算的机械能和功率分析仪等设备计算的电能组成。

4.1 机械能部分模型构建

车辆在实际的道路行驶过程中，受到空气阻力、滚动阻力、坡度阻力和加速阻力的影响，根据车辆平衡方程得到行驶需求驱动力Ft[6]：

式中，Ff为滚动阻力；Fw为迎风阻力；Fi为坡度阻力，在转毂循环工况测试中，取为0；Fj为加速阻力。

在能量流测试中，将得到的转毂阻力系数设置到性能转毂中，在性能转毂上测试车辆的质量主要分为旋转质量与平移质量，即受到的行驶阻力主要分为惯性力矩和道路阻力，为了后续分析方便，循环工况下车轮边缘受到的行驶阻力为：

式中，m为测试质量；δ为质量换算系数；v为瞬时速度；t为时间；Fr为道路阻力，包括行驶中的风阻、滚动阻力和车辆内部阻力。

道路阻力计算公式为：

式中，A、B、C为滑行阻力系数，由道路滑行试验测得，本文中A=203.99、B=0.365、C=0.045v。

循环工况行驶时车轮边缘瞬时输出的机械功率Pp为：

在整个工况中，存在加速与减速2 种速度变化情况：加速时Pp为瞬时输出功率，为正值；减速时Pp为瞬时回收功率，为负值。车轮边缘输出能量Eex与回收能量Ein计算公式为：

Eex一部分克服道路阻力做功被消耗掉，另一部分转化为动能；Ein一部分克服道路阻力做功被消耗掉，另一部分转化成电能被回收（转毂数据采集频率为50 Hz）。

Pp＞0 时，道路阻力消耗为Eexf，Pp≤0 时，道路阻力消耗为Einf，计算公式为：

由上述表达式可知，Eex=Ein+Eexf。驱动电机回收的机械能EEM为：

4.2 电能部分模型构建

在WLTC工况下，动力电池输出的能量一部分用于为低压附件供电，一部分用于克服各种阻力，驱动车辆行驶。

在行驶工况下，能量从动力电池输出后主要经过高压配电盒（Power Distribution Unit，PDU）、DC/DC 转换器、空调（Air Condition，AC）、加热器（Positive Temperature Coefficient，PTC）、电机控制器（Motor Control Unit，MCU），从而满足人们对驱动行驶以及高低压附件的需求。电能流动的具体情况如图5所示。

图5 电能的流动路径

在电能部分的能量流测试方案中，可以通过功率分析仪得到动力电池输出和回收的能量、DC/DC输入和输出的能量、MCU输入和回收的能量、电机输入和回收的能量。由于WLTC 工况在室温下进行，空调压缩机与PTC不启动，即PTC/AC端输入的电能为零。

5 能量流动测试结果分析

WLTC工况下能量流测试结束时，试验车累计行驶里程为246.3 km，交流百公里电耗为17.821 kW·h。对测试数据进行汇总，得到各系统或零部件能量输入、输出情况如表2所示。

对转毂采集的数据进行分析，得到电动汽车WLTC工况下车轮边缘能量流动情况如表3所示。

根据能量流模型的建立及分析过程，得到测试车辆在WLTC工况下能量流动模型，如图6所示。

表2 各系统或零部件能量输入、输出情况

表3 轮边输出能量流动情况

图6 测试车辆在WLTC工况下能量流动模型

根据上述测试过程中得到的电动汽车在WLTC 工况下的能量流动情况，可以对WLTC 工况中系统或零部件效率进行计算，得到各系统或零部件的能量传递效率。η1～η4分别为DC/DC、驱动系统、能量回收系统和MCU 的传递效率，λ为能量回收贡献率，计算公式分别为：

式中，EDC/DCin、EDC/DCout分别为DC/DC输入、输出的能量；EEMin为驱动电机输入的能量；Eregen为电机控制器回收得到的能量；EMCUin为电机控制器输入的能量；EBat为WLTC 工况结束后充入电能的总量。上述参数均通过功率分析仪测得。

对WLTC工况下能量流测试结果与数据进行分析，得到系统或零部件的效率，如表4所示。

表4 基于WLTC工况下各系统或零部件能量流动效率

通过对WLTC 工况下各系统或零部件能量流动效率进行分析，可以明确能量利用效率的优化方向，为纯电动汽车开发过程提供参考依据，进而增加续驶里程。

6 结束语

本文采用基于WLTC 工况的电动汽车能量流测试与评价体系，对纯电动汽车行驶工况下整车能量流动情况进行分析，得到以下结论：

a.WLTC 工况相比NEDC 工况瞬态工况较多，能耗特性表现得更为明显，单位工况持续时间长，行驶距离长，能更好地评价在实际行驶过程中电动汽车能耗情况。

b.通过在WLTC 工况下建立的整车能量流动模型可以看出更为直观的分析出各个部件所传递的能量，使得整车的能量流动过程转化为形象的能量流动数学模型，从而使整个能量流动过程得到了量化。

c.能量流动数学模型可以从整车级、系统级、零部件级分析出具体的能量流动效率，从而实现对纯电动汽车经济性能的测评。

综上，基于WLTC工况的电动汽车能量流测试与分析方法可以更好在开发过程中提升纯电动汽车的能量利用效率，降低其百公里电耗，从而增加纯电动汽车的续驶里程。