WLTC组合工况下电动汽车放电特征分析

孙颖　孙龙　王子晔

摘要：选择了4辆不同配置的电动汽车，按照欧洲EU 2018-1832法规要求运行WLTC组合工况，采集动力电池母线电参量和车辆速度，分析组合工况下不同速度段直流放电特征。研究表明：动力电池的电流大小和方向与车辆运行速度变化相关，车辆加速或匀速时，电流方向为正向;减速时，为负向。加减速工况交替变化时，电压对应升降交替，但随电池荷电状态降低，电压整体呈下降趋势;DS段放出电能占组合工况比例为23 %左右，电能变化量DS₁段比DS₂段平均高出9.29 %，受制动能量回收策略影响。

主题词：WLTC;电动汽车;放电特性;缩短法

中图分类号：U469.72

1.前言

电动汽车续驶里程是评价车辆重要技术参数之一，同时也是消费者关注的重要指标。世界各国和地区对电动汽车进行续驶里程测试的法规和标准不尽相同^[1]。当前，电动汽车续驶里程主流测试法规和程序主要有中国法规、欧盟法规和美国法规^[2-4]。其中欧盟法规和美国法规采用组合工况的方式进行电动汽车续驶里程测试，在保证测试结果可靠的同时，大大缩短测试时间，提高了测试效率，减轻了检测机构、整车和零部件企业的测试研发负担。利用组合工况进行电动车续驶里程测试逐渐成为测试技术的首选方案。我国正在制定的纯电动汽车续驶里程测试标准也基于中国工况下的组合工况进行测试，组合工况能够解决现行测试方法需反复运行同一工况所带来的测试时间长和一致性较差等弊端，同时其与国际主流电动车测试方法保持较好的同步性，并具有一定的先进性。

欧盟电动车续驶里程测试工况，EU 2018-1832电动车（PEV）部分规定了电动汽车预估续驶里程超过4个WLTC里程的车辆采用缩短法进行续驶里程测试和计算。

2.测试方案

通过对4辆不同配置电动车按照WLTC组合工况在底盘测功机上运行，利用功率分析仪设备实时测量、计算和记录车辆的电流、电压和电能数据，并通过扩展模块测量车辆行驶速度。试验要求采集数据频率20 Hz。

2.1测试方法

试验车辆分别按照WLTC组合工况在底盘测功机上运行。车辆经过预处理和初次充放电后，开始正式试验，从车辆动力电池的满电状态运行至无法维持工况曲线跟踪后结束。在整个测试过程中，通过底盘测功机和功率分析仪对车辆瞬时放电电流、放电电压以及行驶速度进行连续的测量，试验测试流程如图2所示。

2.2 测试车辆

根据车辆的整备质量，电池容量大小和最高车速以及品牌等选择了4辆不同配置的电动车。其中车辆1 、车辆2和车辆3是三个不同的电动车整车品牌，车辆3和车辆4是同一品牌不同配置的电动车，具体技术参数如表1所示。

2.3 测试设备

文中电动汽车按照WLTC组合运行，主要测试设备有底盘测功机系统和功率分析仪系统以及附属设备。

2.3.1 底盘测功机系统

底盘测功机设备用于可以使试验车辆按照指定测试工况运行，同时可以模拟试验车辆实际道路上的行驶阻力。设备测试系统的示意图如图3所示。

2.3.2功率分析仪系统

功率分析仪测试系统的扩展模块可以实现脉冲信号输入，通过技术改造，本文实验技术人员将底盘测功机系统中用于测量车速的速度编码器脉冲信号接入到功率分析仪脉冲扩展模块中，同时配置底盘测功机编码器模块，能够实时的记录车辆行驶过程中的电参量数据，并保证所有记录数据时钟是一致的，最后将测试数据输出到同一个文件中，如图5所示为功率分析仪上的速度扩展模块实物连接图。

2.3.3测试工况确定

通过试验车辆的预估续驶里程以及车辆的技术参数，确定4辆车的恒速段CSS_M段时长如下表2所示。

2.4测试数据处理分析

利用底盘测功机和功率分析仪设备测量和记录得到4辆车在各自运行WLTC组合工况下的电参量和车辆运行速度数值。采集车辆工况运行过程中不同测试阶段的电能变化以及对应阶段的能量消耗，可以对车辆的放电特性进行分析，车辆在运行过程中的电能可以通过如下公式结算得到：

（1）

其中：△E为工况运行时间段内动力电池的电量变化，单位Wh，U为通过功率分析仪设备测得的母线电压等效值，单位V，I为通过功率分析仪设备测得的母线电流值，单位A，测试时间单位为秒（s）。

车辆在运行工况阶段下的实际里程的计算可以通过如下公式计算得到：

（2）

其中：v为通过功率分析仪设备记录的车辆实际运行速度，单位km/h，R为工况运行时间内车辆实际运行里程，单位km。

3.车辆电流变化特征

车辆在运行组合工况过程中，车辆动力电池母线上的电流变化与车辆实际运行速度变化具有相同的变化趋势，动力电池的电流大小和方向与车辆运行速度的大小相关^[5]。如图和图所示为车辆在运行整个组合工况下的动力电池电流时间曲线和车辆运行的整个组合工况曲线。

车辆在运行加速工况时，车辆动力电池电流为正向;车辆在运行减速工况时，车辆动力电池电流为负向;车辆运行在等速匀速工况时，车辆动力电池电流与车辆运行在加速工况时的电流方式一致，同样是正向。

4.车辆电压变化特征

车辆在加速工况时，车辆动力电池电压随之加速降低;车辆运行在减速工况时，车辆动力电池电压呈现阶段性升高趋势。但是随着车辆电池SOC不断降低，车辆动力电池电压呈现下降趋势，这是由车辆动力电池的特性决定的。车辆运行在减速工况时，车辆制动产生能量回收，部分机械能转化成电能充入到电池中，此时电池母线电压升高实现给动力电池充电。如图所示为车輛1运行在DS₁段时动力电池母线电压运行时间曲线和该段速度时间曲线。

组合工况下，动力电池电压下降幅值最多和次多分别出现在CSS_M段和CSS_E段的起始加速工况阶段;动力电池电压上升幅值最多和次多分别出现在CSS_M段和CSS_E段的结束减速工况阶段。下降和上升幅值最多时车辆动力电池SOC较高，下降和上升幅值次多时车辆动力电池SOC较低。

5.车辆电能变化特征

5.1车辆放出电能E（+）变化特征

在组合工况中DS₁段和DS₂段的工况组成完全相同，都是一个完整的WLTC循环加上一个CITY循环。但是车辆在运行两个相同工况段时车辆动力电池的SOC状态有很大差异。将DS₁段和DS₂段下的动力电池放出电量相减并与DS₂段下的放出电量进行比值，用百分比表示，用来比较两个工况段放出电量关系，记为R_{DS_放出}，即：

（3）

将四辆车的R_{DS_放出}值绘制折线图如图所示。

四辆车R_{DS_放出}值都是正值，范围在1.91 %到3.71 %之间。4辆试验车的DS₁段下的放出电能比车辆在DS₂段下的放出电能都要高不到4%的电能。这主要是车辆在试验起始阶段时车辆处于冷态，车辆机械系统润滑状态不良造成车辆在该阶段的阻力较大，以及车辆在该阶段各个控制部件对车辆正常运行进行自检和部件状态的调整，因此需要动力电池放出部分电量完成车辆准备阶段所需工作。当车辆运行一段时间后，车辆润滑状态处于车辆运行最佳状态从而导致阻力减小，且车辆各系统正常运转，不需要动力电池额外放出电能完成起始阶段的车辆状态调整工作。因此，DS₁和DS₂两段的放出电量有一定的差异，但是差异不明显，车辆工况运行是动力电池放出电量的决定性因素。

6.结论

（1） 动力电池的电流大小和方向与车辆运行速度变化有关。加速工况时，车辆动力电池电流为正向;减速工况时，电流为负向;匀速工况时，电流为正向。同时，动力电池电流值大小与加速度有关，正向和负向电流极值点都出现在加速度较大且持续稳定的工况段。

（2） 加速工况时，电池电压加速降低;减速工况时，电池电压呈现阶段性升高趋势。随着车辆电池SOC不断降低，车辆动力电池电压呈现整体下降趋势。

（3） 车辆在DS₁段+DS₂段放出电能E（+）_{_DS}占整个组工况下的放出电能E（+）_组合比例在23 %左右。对于进行组合工况下的续驶里程测试准备阶段时确定整个测试工况具有非常重要的参考意义。

（4） 加速工况，动力电池电压随之加速降低;减速工况，电池电压呈现阶段性升高趋势。但是随车辆电池SOC不断降低，车辆动力电池电压呈现下降趋势。

（5） DS₁段下的放出电能比车辆在DS₂段下的放出电能都要高不到4 %的电能。车辆工况运行是动力电池放出电量的决定性因素。

（6） 车辆在DS段（即DS₁段+DS₂段）放出电能E（+）_{_DS}占整个组合工况下的放出电能E（+）_{_组合}比例在23 %左右。

（7） 四辆车的电能变化量DS₁段比DS₂段的电能变化量平均高出9.29 %，R_DS__变化最低为3.77 %，车辆制动能量回收模式对其影响较大。

参考文献：

[1] 宋军，靳浩，张戎斌. 电动汽车续驶里程分析[J].汽车实用技术， 2020（15）：10-12.

[2] 全国汽车标准化技术委员会. 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法： GB/T 18386-2017[S]. 北京：中国标准出版社，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] 邹梦杰. 动力锂离子电池充放电特性与热行为研究[D].重庆大学， 2018.

[6] 黄泽波.动力锂电池放电特性实验研究与分析[J].电源世界， 2016（10）：30-32.

[7] 雷利刚，孙龙，郭成胜，等. NEDC工况下纯電动汽车充电和放电特征分析[J]. 时代汽车，2018， 302（11）：91-92.