增程式电动汽车能耗测试仿真试验研究

摘    要：增程式电动汽车采用与传统混合动力电动汽车同样的能耗测试标准，但二者在工作原理和系统构架等方面存在显著差异。通过搭建增程式电动汽车仿真模型，采用全球统一的轻型车测试循环（WLTC）工况进行电量消耗模式（CD）和电量保持模式（CS）的能耗仿真试验，再基于实车试验室数据对仿真模型进行对比验证。最后，开展采用中国轻型汽车行驶工况（CLTC）的能耗仿真试验，分析增程式电动汽车在两种不同工况下的能耗表现。结果表明：采用仿真手段能较好地实现对增程式电动汽车的能耗测试，且综合结果与试验室数据较为相符，采用CLTC工况的能耗测试表现要显著优于WLTC工况的能耗测试表现。

关键词：增程式电动汽车;能耗测试;仿真试验;循环工况;纯电利用系数;

引言

随着能源和环境问题的日趋严峻，新能源汽车成为国家政策和汽车行业关注的重点[1,2]。作为传统燃油车型和纯电动汽车的过渡车型，混合动力电动汽车兼具长续航和低能耗等特点，并衍生出各种构架方案[3,4,5]。其中，增程式电动汽车将发动机和发电机结合为增程器，再匹配动力电池、驱动电机以及控制系统，具备短距离纯电行驶模式和长距离增程行驶模式，保证发动机在工作时始终位于最高效率点，燃油经济性达到最高，对整车的能耗和排放水平的降低尤为明显[6,7]。同时，由于发动机不直接参与驱动系统，省去了变速箱等机械结构，由驱动电机直接驱动，整体结构更加简单，故障率低，还具备了纯电动汽车的高加速性能，成为现阶段新能源汽车的重要发展方向之一[8]。

目前，针对增程式电动汽车的能耗研究，主要集中在增程器的匹配设计和优化、整车能量管理策略和智能算法，以及新型储能系统的研究等方面，尝试从不同的角度来降低增程式电动汽车的能耗水平[9,10,11]。但目前的这些研究内容，对能耗水平的评价方法不一，且多以单一的仿真手段开展。因此，基于能耗标准，利用仿真手段构建一个统一的增程式电动汽车能耗测试评价方法，并基于实车试验数据对仿真结果进行验证非常必要。最后，基于此评价方法，实现对增程式电动汽车在不同工况下的能耗表现进行评估分析。

1 增程式电动汽车模型

1.1 研究对象

选取某台增程式电动汽车为研究对象，其主要由增程器、动力电池、驱动电机、能量管理及控制系统，以及车身和传动等部件组成，如图1所示。当车辆动力电池的荷电状态（SOC）较高时，增程器不启动，由动力电池直接向驱动电机供电，即以纯电模式运行；当车辆动力电池的荷电状态较低时，增程器启动，并保证发动机在最高效率点工作，此时由增程器发出的电能为驱动电机供电，并将多出的电能为动力电池充电，即增程模式；当驱动电机功率需求较大，单一能源无法满足时，则由增程器和动力电池同时供电，提供最大功率输出。该车的主要技术参数如表1所示：

图1 某增程式电动汽车实车模型 

表1 某增程式电动汽车主要参数

1.2 建立模型

在仿真平台的选择上，AVL Cruise软件包含试验所需的整车、发动机、电机、电池、主减速器、差速器以及轮胎等多种模块，可进行多工况、多模式的仿真，在整车性能仿真（如动力性、经济学、排放性等）具备专业性强、精度高、运算速度快等突出优势，满足增程式电动汽车能耗测试仿真的需求。

根据实车模型参数对车辆各个部件依次进行建模，设定monitor模块监控参数，根据整车控制策略搭建增程器和电机控制模块，最后再进行各模块间的机械连接、电气连接和信号连接，所搭建的整车模型如图2所示：

图2 某增程式电动汽车仿真模型 

2 能耗测试仿真试验及比对验证

2.1 能耗测试评价方法

当前增程式电动汽车在能耗标准上属于混合动力电动汽车，适用的最新能耗标准为GB/T19753-2021《轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》[12]。本文所选取的增程式电动汽车为可外接充电式混合动力汽车（OVC-HEV），为综合评价汽车行驶过程中的电量消耗水平和燃料消耗水平，需要完成电量消耗模式试验（CD模式，如图3）和电量保持模式试验（CS模式，如图4），分别对车辆在满电和亏电状态下的油耗和电耗表现进行评估。

图3 CD模式测试流程 

图4 CS模式测试流程 

基于CD模式测试流程，应从满电状态连续进行多个WLTC工况循环，并对每个试验循环进行终止判定，当相对电能变化量REECc小于0.04时，CD模式试验达到终止判定条件，REECc计算公式为：

式中：REECc为CD模式第c个试验循环的相对电能变化量；c为试验循环序号；Ecycle为循环能量需求，Ws；∆EREESS,c为CD模式第c个试验循环所有REESS的电能变化量，Wh。

基于C S模式测试流程，试验前车辆应预处理至终止判定条件，浸车后进行1个完整的WLTC工况循环，试验结果基于REESS电能变化量进行修正。当∆EREESS,CS为负REESS放电，且修正标准c大于0.005时，应进行修正。修正标准c的计算公式为：

式中：∆EREESS,CS为CS模式下REESS的电能变化量，Wh;Efuel,CS为CS模式下所消耗燃料的能量当量，Wh;HV为燃料热值，汽油为8.92k Wh/L;FCCS,nb为未经修正的燃料消耗量，L/100km;dcs为循环行驶距离，km

2.2 仿真试验

根据测试流程分别建立CD模式和CS模式的测试循环，基于WLTC工况进行仿真。试验模式为底盘测功机模式，车辆加载质量为测试质量，阻力加载曲线如图5所示：

图5 车辆阻力曲线 

进行CD模式试验，设置车辆初始SOC值为100%，并经预处理后的冷起动状态，环境温度23℃，相对湿度46%。为减少计算时间，将目标SOC值设置为20%（低于车辆的SOC值平衡点）。运行仿真程序，共进行5个WLTC循环，得到的车辆SOC值、耗油量及电能变化曲线如图6所示。由图可知，车辆从满电状态运行至第3个WLTC循环中速段时SOC值达到25%附近，此时发动机启动，并产生油耗。随后的第4个和第5个循环，SOC值趋于稳定。

图6 WLTC工况下CD模式SOC值、耗油量及电能变化曲线 

根据仿真数据及公式（1），得出CD模式下各循环的电能变化量及REECc值见表1。其中，第4个循环的相对电能变化量REECc为0.034<0.04，达到终止判定条件，则第4个循环车辆达到电量平衡状态，第3个循环为过渡循环，需要前3个循环的试验数据参与到CD模式的能耗计算。

进行CS模式试验，设置车辆初始状态为电量平衡状态，SOC值为25%，同样为冷起动状态，其他环境条件与CD模式相同。运行仿真程序，得到的车辆SOC值、耗油量及电能变化曲线变化曲线如图7所示。由图可知，车辆的SOC值最终基本稳定在25%附近。在WLTC工况超高速段最后的两个加速阶段，动力电池为了补充功率输出，表现为显著地放电状态，此时电能变化量转为负值；在最后一个减速阶段，因制动能量回收作用，给电池充电，电能变化量重新转为正值，与实际情况基本相符。车辆的电能变化量∆EREESS,CS为正值246.97Wh，整体表现为充电，根据修正标准不需进行修正，油耗值FCCS为6.49 L/100km。

图7 WLTC工况下CS模式SOC值、耗油量及电能变化曲线 

2.3 试验验证

对仿真试验进行验证，验证试验所用到的设备主要有：排放分析仪、底盘测功机、功率分析仪、电流和电压传感器。试验设备及车辆安装如图8所示。试验前采用滑行法完成对车辆在底盘测功机上的阻力设定，进行电流、电压传感器的布置，并将车辆充至满电状态。正式试验过程中，记录每个试验循环的所有REESS的电流、电压、电能变化量、各个速度段和试验循环的行驶里程、污染物排放结果、油耗结果以及从外部充入的电量EAC和充电时间。

图8 试验设备及车辆安装 

表1 WLTC工况下CD模式各循环电能变化量仿真结果

表2 WLTC工况下CD模式各循环电能变化量实测结果

验证试验共进行了4个循环，得出的CD模式各循环电能变化量及REECc值见表2。其中，第4个循环的相对电能变化量REECc为0.0004<0.04，达到终止判定条件。发动机在第3个循环启动，并在第4个循环车辆达到电量平衡，与仿真试验基本一致。

CS模式车辆的电能变化量∆EREESS,CS为正值1.72Wh，整体表现为充电，根据修正标准不需进行修正，油耗值FCCS为6.18 L/100km。

2.4 结果比对分析

基于仿真试验和验证试验数据，引入基于中国实际道路统计得到的纯电利用系数（UF），根据标准GB/T 19753-2021进行加权计算[12]。纯电利用系数曲线如图9所示。计算得到的车辆CD模式的油耗、电耗结果以及加权后的综合结果见表3。

图9 纯电利用系数曲线 

表3 基于WLTC工况的仿真和验证试验结果

由表3可知，仿真试验和验证试验经过加权后的综合能耗（包括油耗和电耗）结果基本一致，仅相差0.06L/100km和5Wh/km，均在3.5%以内。但在CD模式油耗上，仍有一定误差。结合表1和表2，对CD模式下各循环段的能耗数据展开分析，两者在前两个循环均为纯电模式，电能变化量基本相同；而针对过渡循环（即第3个循环），仿真所得油耗比实测低，电池放电量比实测高，说明仿真过程中，在过渡循环发动机做功要比验证试验少，电池做功更多。考虑到仿真试验条件下，车辆的预置状态（包括充电和浸车等）更为理想，导致实际试验中发动机的启动时间相比仿真试验更早。因此，采用仿真手段对增程式电动汽车进行能耗测试，基本能较好地模拟车辆的综合能耗表现，但受实测试验中车辆状态等因素影响，在发动机的启动时间上，与实际试验过程仍有一定差异。

3 不同工况下的能耗仿真测试分析

因标准GB/T 19753-2021中的试验循环，涵盖有WLTC工况和CLTC工况，为比较增程式电动汽车在不同测试工况下的能耗差异，采用相同的仿真方法，基于中国工况乘用车曲线CLTC-P[13]，开展能耗仿真测试。得到的CD和CS模式下SOC值、耗油量及电能变化曲线如图10、11所示，CD模式下各循环的电能变化量及REECc值见表4。由图10和表4可知，该车进行CD模式试验时，发动机在第5个循环启动，随后SOC值趋于平稳，在第6个循环车辆达到电量平衡状态，取前5个循环数据进行能耗计算。图11的CS模式，车辆在高速段的加减速阶段，由于车辆负荷较大，动力电池也出现了显著地功率跟随和制动能量回收状态。

图1 0 CLTC-P工况下CD模式SOC值、耗油量及电能变化曲线 

图1 1 CLTC-P工况下CS模式SOC值、耗油量及电能变化曲线 

将两种不同工况下的仿真结果进行比较，见表5。在CS模式，即车辆亏电状态下，采用CLTC-P的油耗相比WLTC要低13%；在综合油耗表现上，采用CLTC-P相比WLTC要低34%；在综合电耗表现上，采用CLTC-P相比WLTC低14%。对比两种工况的曲线特征，通过表6可发现，CLTC-P曲线的怠速工况比例相比WLTC增加约10%，车辆的平均车速、最高车速以及最高加速度明显更低，这对于增程式电动汽车而言，发动机的运行效率更加稳定，低速和怠速下发动机熄火，车速更低、更平缓的行驶工况，有利于车辆维持更低的能耗水平。由此可知，增程式电动汽车，对中国工况有更好的适应性，整体能耗表现更优。而目前采用WLTC的法规认证体系，对增程式电动汽车的能耗表现有所低估。

表5 不同工况下的仿真试验结果

4 结论

1）基于能耗标准，利用AVL Cruise的仿真方法，可以较好地实现对增程式电动汽车的能耗测试，且综合能耗（包括油耗和电耗）评价结果和试验室的数据较为一致，误差在3.5%以内。但由于仿真方法对车辆的预置状态更为理想，导致车辆在过渡循环发动机的启动时间上与试验室试验过程存在一定差异，如果在试验室试验中对车辆的预处理状态更加理想，差异可能会进一步缩小。

表4 CLTC-P工况下CD模式各循环电能变化量仿真结果  下载原图

表6 WLTC和CLTC-P曲线特征  下载原图

2）由于CLTC工况相比WLTC工况怠速比例更多，车辆行驶工况更为平缓，平均车速更低，增程式电动汽车对CLTC工况体现出更好的适应性，综合油耗减少34%，综合电耗减少14%，整体能耗表现更优。以此说明，目前基于WLTC工况的能耗评价方法，对增程式电动汽车的能耗表现有所低估。

文章来源：汽车科技