摘    要：增程式電動汽車采用與傳統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構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，采用全球統一的輕型車測試循環（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據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。結果表明：采用仿真手段能較好地實現對增程式電動汽車的能耗測試，且綜合結果與試驗室數據較為相符，采用CLTC工況的能耗測試表現要顯著優于WLTC工況的能耗測試表現。

關鍵詞：增程式電動汽車;能耗測試;仿真試驗;循環工況;純電利用系數;

引言

隨著能源和環境問題的日趨嚴峻，新能源汽車成為國家政策和汽車行業關注的重點[1,2]。作為傳統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航和低能耗等特點，并衍生出各種構架方案[3,4,5]。其中，增程式電動汽車將發動機和發電機結合為增程器，再匹配動力電池、驅動電機以及控制系統，具備短距離純電行駛模式和長距離增程行駛模式，保證發動機在工作時始終位于最高效率點，燃油經濟性達到最高，對整車的能耗和排放水平的降低尤為明顯[6,7]。同時，由于發動機不直接參與驅動系統，省去了變速箱等機械結構，由驅動電機直接驅動，整體結構更加簡單，故障率低，還具備了純電動汽車的高加速性能，成為現階段新能源汽車的重要發展方向之一[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化、整車能量管理策略和智能算法，以及新型儲能系統的研究等方面，嘗試從不同的角度來降低增程式電動汽車的能耗水平[9,10,11]。但目前的這些研究內容，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，利用仿真手段構建一個統一的增程式電動汽車能耗測試評價方法，并基于實車試驗數據對仿真結果進行驗證非常必要。最后，基于此評價方法，實現對增程式電動汽車在不同工況下的能耗表現進行評估分析。

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、驅動電機、能量管理及控制系統，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（SOC）較高時，增程器不啟動，由動力電池直接向驅動電機供電，即以純電模式運行；當車輛動力電池的荷電狀態較低時，增程器啟動，并保證發動機在最高效率點工作，此時由增程器發出的電能為驅動電機供電，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如表1所示：

圖1 某增程式電動汽車實車模型 

表1 某增程式電動汽車主要參數

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、經濟學、排放性等）具備專業性強、精度高、運算速度快等突出優勢，滿足增程式電動汽車能耗測試仿真的需求。

根據實車模型參數對車輛各個部件依次進行建模，設定monitor模塊監控參數，根據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：

圖2 某增程式電動汽車仿真模型 

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/T19753-2021《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下的油耗和電耗表現進行評估。

圖3 CD模式測試流程 

圖4 CS模式測試流程 

基于CD模式測試流程，應從滿電狀態連續進行多個WLTC工況循環，并對每個試驗循環進行終止判定，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個試驗循環的相對電能變化量；c為試驗循環序號；Ecycle為循環能量需求，Ws；?EREESS,c為CD模式第c個試驗循環所有REESS的電能變化量，Wh。

基于C S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，試驗結果基于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8.92k Wh/L;FCCS,nb為未經修正的燃料消耗量，L/100km;dcs為循環行駛距離，km

2.2 仿真試驗

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

圖5 車輛阻力曲線 

進行CD模式試驗，設置車輛初始SOC值為100%，并經預處理后的冷起動狀態，環境溫度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，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，車輛從滿電狀態運行至第3個WLTC循環中速段時SOC值達到25%附近，此時發動機啟動，并產生油耗。隨后的第4個和第5個循環，SOC值趨于穩定。

圖6 WLTC工況下CD模式SOC值、耗油量及電能變化曲線 

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

進行CS模式試驗，設置車輛初始狀態為電量平衡狀態，SOC值為25%，同樣為冷起動狀態，其他環境條件與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，表現為顯著地放電狀態，此時電能變化量轉為負值；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246.97Wh，整體表現為充電，根據修正標準不需進行修正，油耗值FCCS為6.49 L/100km。

圖7 WLTC工況下CS模式SOC值、耗油量及電能變化曲線 

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。正式試驗過程中，記錄每個試驗循環的所有REESS的電流、電壓、電能變化量、各個速度段和試驗循環的行駛里程、污染物排放結果、油耗結果以及從外部充入的電量EAC和充電時間。

圖8 試驗設備及車輛安裝 

表1 WLTC工況下CD模式各循環電能變化量仿真結果

表2 WLTC工況下CD模式各循環電能變化量實測結果

驗證試驗共進行了4個循環，得出的CD模式各循環電能變化量及REECc值見表2。其中，第4個循環的相對電能變化量REECc為0.0004<0.04，達到終止判定條件。發動機在第3個循環啟動，并在第4個循環車輛達到電量平衡，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1.72Wh，整體表現為充電，根據修正標準不需進行修正，油耗值FCCS為6.18 L/100km。

2.4 結果比對分析

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

圖9 純電利用系數曲線 

表3 基于WLTC工況的仿真和驗證試驗結果

由表3可知，仿真試驗和驗證試驗經過加權后的綜合能耗（包括油耗和電耗）結果基本一致，僅相差0.06L/100km和5Wh/km，均在3.5%以內。但在CD模式油耗上，仍有一定誤差。結合表1和表2，對CD模式下各循環段的能耗數據展開分析，兩者在前兩個循環均為純電模式，電能變化量基本相同；而針對過渡循環（即第3個循環），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，在過渡循環發動機做功要比驗證試驗少，電池做功更多。考慮到仿真試驗條件下，車輛的預置狀態（包括充電和浸車等）更為理想，導致實際試驗中發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，但受實測試驗中車輛狀態等因素影響，在發動機的啟動時間上，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，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，發動機在第5個循環啟動，隨后SOC值趨于平穩，在第6個循環車輛達到電量平衡狀態，取前5個循環數據進行能耗計算。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，動力電池也出現了顯著地功率跟隨和制動能量回收狀態。

圖1 0 CLTC-P工況下CD模式SOC值、耗油量及電能變化曲線 

圖1 1 CLTC-P工況下CS模式SOC值、耗油量及電能變化曲線 

將兩種不同工況下的仿真結果進行比較，見表5。在CS模式，即車輛虧電狀態下，采用CLTC-P的油耗相比WLTC要低13%；在綜合油耗表現上，采用CLTC-P相比WLTC要低34%；在綜合電耗表現上，采用CLTC-P相比WLTC低14%。對比兩種工況的曲線特征，通過表6可發現，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，發動機的運行效率更加穩定，低速和怠速下發動機熄火，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，整體能耗表現更優。而目前采用WLTC的法規認證體系，對增程式電動汽車的能耗表現有所低估。

表5 不同工況下的仿真試驗結果

4 結論

1）基于能耗標準，利用AVL Cruise的仿真方法，可以較好地實現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）評價結果和試驗室的數據較為一致，誤差在3.5%以內。但由于仿真方法對車輛的預置狀態更為理想，導致車輛在過渡循環發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更加理想，差異可能會進一步縮小。

表4 CLTC-P工況下CD模式各循環電能變化量仿真結果  下載原圖

表6 WLTC和CLTC-P曲線特征  下載原圖

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%，整體能耗表現更優。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有所低估。

文章來源：汽車科技