電動汽車不同測試工況下的經(jīng)濟性差異分析

孫 龍 李 濤 杜 憲

（1-中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300 2-合眾新能源汽車股份有限公司 3-吉林大學汽車底盤集成與仿生全國重點實驗室）

引言

目前，電動汽車的能量存儲密度還達不到燃油汽車水平，降低能量消耗率、提高經(jīng)濟性對于電動汽車的發(fā)展至關重要[1-2]。對于電動汽車能量消耗量測試，我國相繼發(fā)布了GB/T 18386.1-2021《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法 第1 部分：輕型汽車》[3]和GB/T 18386.2-2022《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法第2 部分：重型商用車輛》[4]。本文對電動汽車在不同測試工況下的能量消耗量、制動回收能量、瞬時制動能量回收功率、DCDC 能量消耗量、車輛座艙溫度、充電效率進行測試，目的是分析不同測試工況對電動汽車經(jīng)濟性產(chǎn)生的影響。

1 測試工況設計

為了探討不同測試工況對電動汽車能量消耗量測試結果產(chǎn)生的影響，本文根據(jù)歐洲工況WLTP、通用阿特拉斯循環(huán)CADC、德國高速工況BAB 3 種測試循環(huán)以及不同空調(diào)溫度、擋位、駕駛模式、環(huán)境溫度設計了15 個不同的測試工況，共進行12 次常溫試驗和3 次非常溫試驗。具體的測試工況及其設計參數(shù)設置見表1。

表1 測試工況及其參數(shù)設置

試驗過程中，空調(diào)設置為自動、風速自動、空氣流通模式自動。如無特殊要求，充電放電的測量均按照WLTC 循環(huán)的測試標準進行。

試驗開始前，記錄車輛的胎壓、銘牌、VIN（車輛識別碼）、開始里程、車輛荷電狀態(tài)；需要使用空調(diào)系統(tǒng)的試驗記錄空調(diào)設置；進行耐久試驗用底盤測功機、輪胎氣壓表、Precision Power 軟件、HC 400 型環(huán)境艙的校準。

試驗結束后，記錄本次試驗的轉(zhuǎn)鼓里程、結束里程和電量。除BAB 130 外，其他測試均采用縮短法流程進行?？s短法的速度片段由2 個試驗循環(huán)段和2個恒速段組成，其中DS1 和DS2 為試驗循環(huán)段；CSSM 和CSSE 為恒速段，由較高的恒定車速構成，用以盡快放電，減少測試時間。

2 測試

被測試的車輛應處于良好的技術狀態(tài)，在安裝REESS 的條件下，磨合里程應大于300 km。試驗過程中，測定REESS 的電流和電壓，然后根據(jù)測定的電流和電壓來確定電動汽車的能量消耗量。

2.1 測試方法

1）計算電動汽車能量消耗量。

式中：ECDC，j為基于REESS 電能變化量的第j 個速度區(qū)間的能量消耗量，（W·h）/km；ΔEREESS，j為第j 個速度區(qū)間所有REESS 的電能變化量，W·h；dj為車輛在第j 個速度區(qū)間的行駛里程，km。

2）電網(wǎng)至REESS 的輸出效率計算。

式中：ηgrid-to-output為電網(wǎng)至REESS 的輸出效率，%，用于描述電源總REESS 充電能量與總REESS 輸出能量之間的關系；EDC-discharge為在REESS 放電程序的整個階段從電池中提取的電能，W·h；EAC為REESS 完全充電時從干線輸送的電能，W·h。

3）電動汽車續(xù)駛里程計算（GREEN NCAP 規(guī)定）。根據(jù)標準化的REESS 放電和充電測試程序，以確定純電動汽車（PEV）從電網(wǎng)獲取的能量，并確定電池容量。根據(jù)測試程序測得的車輛能量消耗量結果，加上REESS，可計算出車輛的行駛里程。

車輛的標稱行駛里程由實驗室測量的能量消耗量推導出結果。

式中：Rnominal為標稱行駛里程，km；EDC-discharge為車輛吸收的電能，W·h；ECWLTC_cold_def為WLTC 默認循環(huán)下的能量消耗量，（W·h）/km；ECWLTC_warm為WLTC 暖循環(huán)下的能量消耗量，（W·h）/km；BAB 為BAB 循環(huán)下的能量消耗量，（W·h）/km。

4）測定PEV 的REESS 電流與電壓。REESS 電流和REESS 電壓的測量應在測試開始的同時進行，并在車輛完成測試后立即結束。

5）預處理。啟動REESS 預處理的測試程序，以準備測試電動汽車的電能消耗測量。REESS 的初始充電包括放電和正常充電。放電程序應按照制造商的建議進行，制造商應保證通過放電程序盡可能充分地耗盡REESS。REESS 須在規(guī)定的環(huán)境溫度下充電，或在以下條件下充電：

條件1：車載充電器（如已安裝）；

條件2：制造商推薦的外接充電器，使用規(guī)定的正常充電模式。

當車載或外部儀器顯示REESS 充滿電時，達到充電結束標準。

2.2 測試情況

根據(jù)表1 的測試工況進行測試，測試情況為：

1）測試0（滑行+放電），通過測試得到的滑行阻力系數(shù)與廠商提供的數(shù)值基本一致。

2）測試1～測試15，工況跟蹤滿足標準技術要求。

3 測試結果分析

3.1 電機能量消耗量分析

圖1 為各次試驗電機的能量消耗量。橫坐標中，WLTC 代表WLTC 常溫試驗，HAT 代表WLTC 高溫試驗，CAT 代表WLTC 低溫試驗。

圖1 所有測試工況的電機能量消耗量

從圖1 可以看出，在WLTC、CADC 和BAB 130的常溫試驗中，6 次WLTC 常溫試驗的電機能量消耗量相差不大，5 次CADC 常溫試驗的電機能量消耗量相差不大，2 次BAB 130 常溫試驗的電機能量消耗量相差不大。證明常溫下，不同擋位、駕駛模式、空調(diào)設置、試驗順序?qū)﹄姍C能量消耗量的影響不是很大。相對于WLTC 常溫試驗，在WLTC 高溫試驗中，電機能量消耗量稍有減少。相對于5℃的WLTC低溫試驗，在-7 ℃的WLTC 低溫試驗中，電機能量消耗量明顯增大。

3.2 制動回收能量分析

圖2 分別為WLTC 測試循環(huán)低電量下（簡稱WLTC-2）和CADC 測試循環(huán)低電量下（簡稱CADC-2）的制動能量回收情況。

圖2 低電量下制動回收的能量

在WLTC-2 循環(huán)中，測試5 為B 擋，測試6 為運動模式。從圖2a 可以看出，車輛在B 擋下的回收能量比WLTC 標準測試（測試1）增加了34 W·h，即增加了4.1%，回收能量的增長幅度較小。在運動模式下，為了更舒適的車輛駕駛體驗，回收能量比WLTC標準測試（測試1）減少了32.9 W·h，即減少了4%。在-7℃低溫測試（測試15）下，車輛的制動能量回收相較于WLTC 標準測試（測試1）減少了11.5%。

在CADC-2 循環(huán)中，測試8 和測試14 為B 擋，測試7、測試10 和測試13 為D 擋。從圖2b 可以看出，CADC-2 循環(huán)回收的能量多于WLTC-2 循環(huán)。B擋回收的能量多于D 擋，說明B 擋制動能量回收比D 擋更積極?；厥漳芰孔疃嗍菧y試14，回收能量最少的是測試13，測試14 回收的能量比測試13 多8.7%。可知，B 擋回收的能量比D 擋回收的能量最多多8.7%，不到10%。因此可以認為，D 擋只有在回收功率較大時才會啟動制動能量回收，避免了電池頻繁充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換帶來的危險，而B 擋則相反。

3.3 瞬時制動能量回收功率分析

選擇WLTC 高速段的瞬時制動能量回收功率進行分析，是因為WLTC 高速段的制動次數(shù)較多，制動強度較大，更容易看出不同回收策略下制動能量回收功率的差異。圖3 分別為常溫和低溫下，WLTC 高速段加速度與瞬時制動能量回收功率的曲線。圖中，紅點代表加速度小于0 但沒有制動能量回收的部分。

圖3 常溫與低溫下WLTC 高速段加速度和瞬時制動能量回收功率曲線

從圖3 可以看出，在高SOC 狀態(tài)，低溫下，制動能量回收功率被限制在5 kW 以內(nèi)；常溫下，制動能量回收功率最多為17.5 kW。

3.4 DCDC 能量消耗量分析

從上述電機的分析可以得出，常溫下能量消耗量差異主要來自于DCDC。不同測試工況下車輛DCDC 的功率曲線如圖4 所示。圖中，藍色曲線為WLTC 標準測試（測試1）中DCDC 的功率曲線。

圖4 不同測試工況下的DCDC 功率

從圖4 可以看出，在沒有接入高壓電的情況下，車輛的DCDC 功率需求在300 W 上下浮動。從圖4 中的紅色曲線可看出，在室溫下開啟HVAC（暖通空調(diào)）系統(tǒng)，風速為極弱時，HVAC 的工作狀態(tài)呈現(xiàn)方波狀，且DCDC 最低功率比基礎功率高了約100 W。因此認為車輛的壓縮機在風速極弱的條件下呈開、關交替狀態(tài)，鼓風機在持續(xù)運轉(zhuǎn)。從圖4 中的綠色曲線可看出，風速變?yōu)橹械?，壓縮機全程持續(xù)工作；從圖4中的橙色曲線可看出，在環(huán)境溫度升高之后，DCDC功率有所提高，說明HVAC 可根據(jù)車內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)制冷功率；從圖4 中的紫色曲線可以看出，在低溫環(huán)境下，車輛加熱增大了功率需求，DCDC 功率最高。

3.5 車輛座艙溫度分析

統(tǒng)計車輛在開啟HVAC 系統(tǒng)的12 次試驗的座艙內(nèi)溫度分布，如圖5 所示。圖5 中，分別展示了常溫低風速、常溫中等風速、高溫中等風速、低溫中等風速下，車輛在行程的后50%內(nèi)，也就是在空調(diào)工作狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，車輛座艙內(nèi)的溫度分布情況。圖中的橙色點劃線為設定的空調(diào)溫度。

圖5 車輛座艙內(nèi)的溫度分布

從圖5 可以看出，大部分測試工況，車輛座艙內(nèi)溫度與HVAC 的設定溫度都存在一定程度的偏離。在常溫低風速測試中，座艙內(nèi)溫度變化比較穩(wěn)定，均比HVAC 的設定溫度高，平均溫度比HVAC 的設定溫度高出2 ℃。在常溫中等風速測試中，座艙內(nèi)溫度變化不穩(wěn)定，測試13、測試14 為CADC 測試，座艙內(nèi)溫度基本達標；測試5 和測試9 分別為WLTC 和BAB 130 測試，座艙內(nèi)溫度均較高；在測試10 中，車輛駕駛模式為運動模式，座艙內(nèi)溫度比HVAC 的設定溫度約高2.5 ℃。高溫測試（測試11）中，座艙內(nèi)溫度比HVAC 的設定溫度高3.7 ℃。低溫測試中，座艙內(nèi)溫度分布不穩(wěn)定，測試12 和測試15，座艙內(nèi)溫度分別比HVAC 的設定溫度高3.5 ℃和6 ℃。

在高溫環(huán)境下，車輛會犧牲車內(nèi)溫度以保證續(xù)駛里程，導致空調(diào)功率不足以達到所需溫度，使得座艙內(nèi)溫度將不符合試驗程序的溫度范圍要求（為設定溫度±3 ℃）。由于座艙內(nèi)溫度和空調(diào)功率相關，制冷時，座艙內(nèi)溫度越高，HVAC 消耗的能量越少。這時，空調(diào)制冷的控制策略看起來像開關控制，而不是常見的變頻控制，這可能會對乘客的舒適度產(chǎn)生一定影響。

3.6 充電效率分析

根據(jù)15 次測試的充放電量，分別進行AC（交流電）充電能量和DC（直流電）充電能量、DC 放電能量的線性擬合，結果如圖6 所示。圖6 中，橫坐標為AC充電能量；圖6a 中，縱坐標為DC 充電能量；圖6b中，縱坐標為DC 放電能量。

圖6 試驗車輛充電效率

圖6 所示的擬合結果顯示，電網(wǎng)到電池的效率ηgrid-to-battery和電網(wǎng)到車輪的效率ηgrid-to-output分別為93.01%和88.42%。

4 結論

為了分析不同測試工況對電動汽車經(jīng)濟性產(chǎn)生的影響，本文根據(jù)歐洲工況WLTP、通用阿特拉斯循環(huán)CADC、德國高速工況BAB 3 種測試循環(huán)以及不同空調(diào)溫度、擋位、駕駛模式、環(huán)境溫度設計了15 個不同的測試工況，共進行了12 次常溫試驗和3 次非常溫試驗，對15 個測試工況下的電機能量消耗量、制動回收能量、瞬時制動能量回收功率、DCDC 能量消耗量、車輛座艙溫度、充電效率進行了測試，并對測試結果進行了分析。得出如下結論：

1）在WLTC、CADC 和BAB 130 的常溫試驗中，不同擋位、駕駛模式、空調(diào)設置、試驗順序?qū)﹄姍C能量消耗量的影響不是很大。相對于WLTC 常溫試驗，在WLTC 高溫試驗中，電機能量消耗量稍有減少。相對于5 ℃的WLTC 低溫試驗，在-7℃的WLTC 低溫試驗中，電機能量消耗量明顯增大。

2）在WLTC-2 循環(huán)中，車輛在B 擋、運動模式、-7 ℃低溫測試下的回收能量分別比WLTC 標準測試多4.1%、少4%、少11.5%。在CADC-2 循環(huán)中，B 擋的回收能量多于D 擋，但B 擋的回收能量比D 擋的回收能量最多多8.7%。可以認為，D 擋只有在回收功率較大時才會啟動制動能量回收，避免了電池頻繁充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換帶來的危險，而B 擋則相反。

3）在高SOC 狀態(tài)，低溫下，制動能量回收功率被限制在5 kW 以內(nèi)；常溫下，制動能量回收功率最多為17.5 kW。

4）車輛的DCDC 基本功率需求在300 W 上下浮動。在室溫下開啟HVAC（暖通空調(diào)）系統(tǒng)，風速為極弱時，DCDC 最低功率比基本功率高了約100 W。在環(huán)境溫度升高之后，DCDC 功率有所提高，說明HVAC 可根據(jù)車內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)制冷功率；在低溫環(huán)境下，車輛加熱增大了功率需求，DCDC 功率最高。

5）大部分測試工況，車輛座艙內(nèi)溫度與HVAC的設定溫度都存在一定程度的偏離。在常溫低風速測試中，座艙內(nèi)的平均溫度比HVAC 的設定溫度高出2 ℃。在常溫中等風速測試中，CADC 測試中，座艙內(nèi)溫度基本達標；WLTC 和BAB 130 測試中，座艙內(nèi)溫度均較高；在車輛駕駛模式為運動模式時，座艙內(nèi)溫度比HVAC 的設定溫度約高2.5 ℃。在高溫測試中，座艙內(nèi)溫度比HVAC 的設定溫度高3.7 ℃。在5 ℃和-7 ℃低溫測試中，座艙內(nèi)溫度分別比HVAC的設定溫度高3.5 ℃和6 ℃。

6）電網(wǎng)到電池的效率和電網(wǎng)到車輪的效率分別為93.01%和88.42%。說明車輛在各種模式下耗電后，充電效率穩(wěn)定。