車用動力電池循環壽命測試工況的研究與展望

郝維健，鄭天雷*，支云峰，柳邵輝，馬天翼，牛萍健

車用動力電池循環壽命測試工況的研究與展望

郝維健1，鄭天雷*1，支云峰2，柳邵輝1，馬天翼1，牛萍健1

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.清華大學 車輛與運載學院，北京 100084）

循環壽命是動力電池的核心技術參數，循環測試工況是動力電池壽命測試的核心內容。為進一步完善動力電池循環測試工況，文章首先分析了中國乘用車行駛工況（CLTC-P）、新歐洲駕駛循環（NEDC）等國內、海外標準及學術界車輛行駛工況，介紹了理論計算和實車測試兩種車輛行駛工況向動力電池工況轉化的方法，梳理了國內外動力電池循環工況情況，并展望了未來動力電池循環工況完善方向。文章將對動力電池循環工況的完善提供參考。

動力電池；循環壽命；測試工況

電動化已成為國內外汽車產業發展趨勢共識。作為目前電動汽車主要能量來源之一的動力電池，其循環壽命的長短顯著影響著新能源汽車長期使用后的續航里程。循環壽命較短、容量衰減較快的動力蓄電池顯著影響消費者使用體驗。因此，科學有效的動力電池循環壽命測試方法對于表征動力電池循環壽命意義重大。

目前，我國已發布《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》（GB/T 31484－2015）[1]，規定了電動汽車用鋰離子動力電池和鎳氫動力電池的循環壽命要求和試驗方法，給出標準循環壽命測試方法，并按照車型（乘用車和商用車）、動力系統（純電動和混合動力）規定了不同的工況循環壽命測試方法。該標準的發布實施有力規范了動力電池循環壽命水平，引導制造商提升產品質量，促進產業健康可持續發展。

然而，該標準發布時間已超過8年，宜根據新能源汽車和動力電池使用工況進一步完善測試方法，更加準確地表征動力電池循環壽命。本文首先分析了國內外車輛行駛工況，總結了車輛行駛工況向動力電池工況轉化的方法，梳理了國內外動力電池循環工況情況，并展望了未來動力電池循環工況完善方向。

1 國內外車輛行駛工況

1.1 中國國家標準工況

國家標準《中國汽車行駛工況》（GB/T 38146－2019）[2]中規定了輕型汽車、重型商用車輛與發動機的行駛工況。在該標準中，針對乘用車設計了中國乘用車行駛工況（China Light-duty vehicle Test Cycle-passenger car, CLTC-P），此工況包含了低速、中速和高速三個速度區間，工況總時長共計1 800 s。

1.2 海外標準工況

美國環保局于1972年制定了一組用作認證車輛排放的行駛工況，該工況簡稱為FTP72（Federal Test Procedure 72）[3]，由冷態過渡工況和穩態工況構成。1975年美國環保局在FTP72的基礎上添加了熱條件下的重復工況，修改后的工況命名為FTP75（Federal Test Procedure 75）。對于2000年之后生產的車輛，額外添加了高速行駛階段模擬工況（Highway Fuel Economy Driving Schedule, HFEDS）[4]，來模擬熱啟動情況下的高速巡航行駛情況。

美國汽車工程師學會對各個單獨的工況進行了組合，并給出了實車環境下行駛工況與測試標準SAE J1634－202104[5]。在該測試標準中，提出了多種工況融合下的綜合測試模式，以便于模擬更加真實的道路行駛狀況。企業與測試單位在測試過程中也可以自行組合排列相關工況。

歐盟于1970年在聯合國歐洲經濟委員會（Eco- nomic Commission of Ewope, ECE）R15法規中提出了一組比較基本的駕駛循環工況，該工況被稱為ECE R15工況，為城市環境下的駕駛循環工況，隨后于1980年提出了城市郊區的駕駛循環工況。在1997年，上述兩個工況被組合到一起，形成了新歐洲駕駛循環（New European Driving Cycle, NEDC）[6]。新歐洲駕駛循環工況在很長一段時間內被全世界廣泛使用，該工況的行駛曲線得到了聯合國的認可，并在全球范圍內廣泛推廣。

ECE于2015年制定并通過了全球統一輕型車輛測試循環（Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure, WLTP）[7]，該工況替代了新歐洲駕駛循環，作為新的歐洲車輛認證程序，該標準也被中國、日本、美國等國家接受。

WLTP相較于舊的NEDC，具有更高的平均速度、最大速度，包括了更廣泛的駕駛條件，覆蓋了城市、郊區、主要道路、高速公路等場景，模擬了更長的行駛距離，對車輛的驅動功率、加速度等要求也更高。

WLTP針對不同的功率比的車輛，給出了不同的行駛曲線。以面向高功率比車輛的3b工況為例，這部分工況被分為四個不同的子部分，每個子部分分別模擬了城市、郊區、農村、高速公路的行駛場景，且四個子部分間的平均速度與最大速度有所不同。

1.3 學術界較有代表性的工況

在國內、國際標準循環工況之外，學術界基于研究成果提出了一系列循環工況。由于城市公交車行駛路徑較固定，行駛車速較為穩定，續航里程與實際行駛里程便于測量，大部分學者都針對城市環境下客車或公交車展開了相應的研究。

趙淑紅等[8]通過分析北京市公交車環線市區行駛情況，給出了北京市公交車環線市區工況模型，模擬了公交車在北京市二環、三環、四環等道路上行駛的情況；鎖國濤[9]針對公交車在武漢市區行駛的實測數據，給出了武漢市區環境下公交車行駛工況；方華等[10]針對上海城市循環工況的特點，選取了一系列的典型的上海市區和上海郊區公交車路線進行實車數據采集，并利用統計學原理分析得到了上海市郊區和上海市區道路循環工況圖；曹建華等[11]針對混合動力城市客車在北京公交線路運行的實測數據，給出了面向公交車的車用電池試驗循環工況。

上述研究表明，通過大量的實車試驗測量數據，結合合適的數據后處理方法來定義特定環境下的行駛工況的方法是行之有效的。

構建車輛的運行工況，需要基于大量實測的車速變化數據，并按一定的標準，用數學方法從原始數據中提煉出具有代表性的運行工況。有部分學者通過對現有的行駛數據進行數據整理，建立起了特定環境下車輛的理論行駛工況。

鎖國濤[9]對采集到的車輛行駛速度數據進行數學分析，利用高斯法對車速進行擬合，結合車輛行駛過程中其他參數，匯總得到了特定環境下的行駛工況；潘登[12]提出了循環工況構建過程中速度閾值、加速度閾值等參數的篩選與評價機制，結合車輛行駛過程中其他參數，基于馬爾可夫隨機過程相關理論，提出了單尺度多次預測和多尺度單次預測兩種工況預測方法，能夠在實時仿真過程中預測接下來的行駛工況；余曼等[13]對現實的路網結構與分布進行了分析計算，基于層次分析法確定了不同層次的路網比例，設定了工況循環的行駛路線，依托小波分析和數據重構法對得到的原始數據進行降噪處理，采用模糊C均值聚類（Fuzzy C-means, FCM）分析的方式建立起了一系列的城市循環工況；吳迪等[14]通過將采集到的車速曲線分為相同長度的車速單元，并得到每個車速單元下的速度-加速度數據點，經過加權分析，重組得到了在特定環境下的行駛工況。

上述研究表明，可以通過數據整理與理論計算的方式，匯總、生成并預測車輛在特定環境下的行駛工況。

2 車輛行駛工況與充放電參數映射方法

考慮到不同車輛的蓄電池包和動力系統架構存在差異，很難以一個簡單模型概括所有車輛在行駛過程中電池包充放電工況。因此，有必要建立一套從車輛行駛工況到車輛行駛環境下動力電池系統充放電參數的映射方法，并通過恰當的方法計算或實際測量蓄電池包的實際充放電參數。

目前常見的映射方法主要分為兩類，一類是以建模與仿真為主的理論計算與仿真方法，一類是以實車測量為主的實車試驗方法。

2.1 理論計算與仿真方法

對于車輛而言，續航里程的影響因素包括滾動阻力、空氣阻力、機械傳動系統內阻、整車質量、行駛工況等；對于純電動車輛而言，續航里程還與動力系統、電池相關參數有關。在進行理論計算與仿真時，需通過實驗、計算等方式得到整車動力系統相關參數，并將上述參數導入仿真計算模型進行計算。

目前，通過理論計算與仿真的方法建立起車輛行駛工況與充放電參數的映射方法已較為成熟。馬家明[15]從能源供給端、能源傳遞路徑、能源消耗端展開進行計算與分解，給出了整車計算模型與所需的基本參數列表；李日業[16]通過分析不同構型下的純電動汽車結構原理圖，給出了對應參數下的純電動汽車動力總成相關參數計算公式。

此外，也有部分學者通過軟件仿真的方式，建立起了車輛行駛工況與動力電池系統充放電參數的對應方法。適用于電動汽車開發與參數確定的仿真軟件較多，且大部分軟件都是基于MATLAB/ Simulink二次開發的仿真軟件，模型較為完善，功能較多。其中常見的軟件有：ADVISOR、PSAT、CRUISE、EVISM等。

萬昭元[17]采用ADVISOR軟件，建立了基于永磁同步電機的電動汽車模型，并通過二次開發的方式建立起了特定工況下的車輛模型，得到了在特定工況下行駛時的相關參數；文亦驍[18]采用ADVISOR軟件，針對國際上的常用工況建立了相應的車輛模型，得到了在對應工況下行駛時的相關參數；張勇等[19]采用ADVISOR軟件，針對多種不同循環工況進行了動力性仿真分析，并得到了在對應工況下行駛時的相關參數；樂智等[20]采用CRUISE軟件，針對純電動汽車在制動過程中的能量回收過程進行了仿真，得到了在特定工況下車輛制動過程中回收的總能量。

綜上，在完全獲取某一車型的整車相關參數和動力系統相關參數的情況下，可以通過理論計算與仿真的方法，建立起相關計算模型，實現車輛行駛工況與電池包充放電參數之間的映射關系。

2.2 實車試驗方法

目前，通過實驗的方法建立起車輛行駛工況與車輛相關參數的方法也已較為成熟。

在現行的國家標準中，《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（GB 18352.6－2016）[21]《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》（GB/T 19233－2020）[22]中均有相關內容。在現行的測量汽車油耗、排放等測試中，多采用將車輛固定于地面測功機、轉鼓試驗臺的方式，按照測試內容要求的車速駕駛汽車，采集相應的實驗數據。

對于純電動汽車，也有部分學者通過實車試驗的方式，建立起了車輛行駛工況與車載電池包充放電相關參數之間的關系。王龍等[23]通過自主搭建測試平臺的方式，利用樹莓派讀取電子控制單元相關數據，得到了實驗室環境下的，車輛行駛工況與動力電池溫度、電壓的關系；任立向[24]通過動壓變溫實驗艙與熱電偶傳感器，得到了特定工況下電池表面溫度變化相關數據；李日業[16]通過轉鼓試驗臺，得到了車輛在特定工況下行駛時整體續航里程與實際消耗電量；夏順禮等[25]通過實車耐久性試驗，得到了車輛在特定工況下長期行駛時電池容量衰減數據；葉磊等[26]通過采集電機與動力電池高壓線束上的電壓與電流，計算得到了車輛行駛過程中電機電壓、電池電壓變化情況，并計算得出了車輛行駛過程中制動能量回收的總量。

因此，可以通過實車試驗的方法，得到車輛在特定工況下行駛過程中，電池包充放電參數的變化情況。

3 動力電池充放電循環工況調研

3.1 中國國家標準工況

國家標準《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求與實驗方法》（GB/T 31484－2015）[27]中規定了標準循環壽命與工況循環壽命測試方法。在該實驗方法中，針對混合動力汽車所使用的功率型蓄電池與純電動汽車所使用的能量型蓄電池給出了不同的測試工況；針對乘用車與商用車的行駛環境、車速差異，也給出了不同的工況。

對于功率型蓄電池，循環測試由兩部分組成，一部分是主放電工況，在該工況下放電量略多于充電量；另一部分是主充電工況，在該工況下充電量略多于放電量。以混合動力乘用車為例，其對應的主放電工況與主充電工況如圖1和圖2所示。

對于能量型蓄電池，循環測試主要由主放電工況組成，在該工況下放電為主，但也存在著部分回充，主放電工況如圖3所示。

圖1 混合動力乘用車功率型蓄電池主放電工況

圖2 混合動力乘用車用功率型蓄電池主充電工況

圖3 純電動乘用車用能量型蓄電池主放電工況

與功率型蓄電池不同，能量型蓄電池不存在主充電工況，而是以恒流恒壓充電的方式進行充電即可。主要原因是能量型蓄電池與功率型蓄電池對應的車輛構型與動力系統存在差異，能量型蓄電池多用于純電動車輛，通過外接電源形式補能；功率型蓄電池多用于非插電式混合動力車輛，在混合動力車輛行駛的過程中，通過車內發電機為蓄電池充電。

3.2 國際標準工況

國際電工委員會給出的測試標準IEC 62660- 1:2018[28]中規定了動力電池單體工況循環壽命測試方法。在該測試方法中，針對混合動力車輛與純電動車輛提出了不同的測試方法；針對純電動車輛不同的行駛環境，給出了不同的測試工況。

對于混合動力車輛，循環測試由兩部分組成，一部分是“主放電工況”，在該工況下放電量略多于充電量；另一部分是“主充電工況”，在該工況下充電量略多于放電量。

對于純電動車輛，循環測試主要由“動態放電工況”組成，在該工況下放電為主，但也存在著部分回充。考慮到不同的行駛環境下電池實際輸出功率存在差異，在主測試工況之外額外設計了一組測試工況，用于模擬爬坡行駛的場景。

在該測試方法中，實際充放電參數通過輸出功率而非電流確定。這一點也更符合實際車輛上的表現，即在不同的電壓水平下都應當能夠提供穩定的功率輸出。

ISO 12405-4:2018[29]中規定了動力電池包或系統工況循環壽命測試方法。在該測試方法中，針對混合動力車輛與純電動車輛提出了不同的測試方法；針對純電動車輛不同的行駛環境，給出了不同的測試工況。在該測試方法中，針對混合動力車輛與純電動車輛提出的測試方法與國際電工委員會提出的方法完全一致。

3.3 其他動力電池工況

有部分學者在進行電池充放電循環實驗的過程中，采用理論計算或實驗的方式得到的工況。王芳等[30]結合電池制造商提供的行駛工況、Freedom Car測試方法與我國電池實際使用工況特征，針對特定的功率型電池給出了特定的測試循環規程；趙淑紅等[8]通過自行計算得出的工況，結合整車其他參數擬定了行駛過程中的功率輸入/輸出曲線；祝慶偉[31]在進行工況實驗的過程中，結合前期調研結果與實驗目標，調整了正常充放電循環工況的電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）上下限；黃順[32]根據NEDC工況與實車采集到的數據，給出了基于功率標定的鋰電池系統動態測試工況；塔拉[33]根據美國聯邦城市運行（Federal Urban Driving Schedule, FUDS）工況與中國典型城市公交循環工況，自行定義了實驗過程中的電流工作工況。

4 分析與討論

目前，國內外動力電池循環測試標準對規范動力電池產品耐久性、引導動力電池產品技術提升起到了積極作用。然而，目前我國現行標準《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求與實驗方法》（GB/T 31484－2015）[27]中工況循環方法來自與新能源汽車實車工況有一定差異性，導致測試結果對于新能源汽車整車和動力電池研發的參考性不強，有必要基于CLTC等車輛行駛工況進行轉化和完善，支撐我國新能源汽車和動力電池產品開發和測試。此外，動力電池循環工況研究還應充分考慮到不同動力類型（純電動/混合動力）、不同動力類型（純電動/插電式混合動力/非插電式混合動力）、不同使用場景（乘用車/商用車）的適用性。

5 總結

本文總結了中國乘用車行駛工況、新歐洲駕駛循環等道路車輛行駛工況，梳理了理論計算和實車測試等車輛行駛工況到動力電池充放電參數的映射方法以及《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求與實驗方法》（GB/T 31484－2015）[27]、ISO 12405-4:2018[29]等動力電池循環工況的主要技術內容，并對后續動力電池循環工況修訂提供了意見建議，將對相關動力電池標準化工作起到一定參考作用。

[1] 中國國家標準化管理委員會.電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法:GB/T 31484－2015[S].北京:中國標準出版社,2015.

[2] 中國國家標準化管理委員會.中國汽車行駛工況第1部分:輕型汽車:GB/T 38146.1－2019[S].北京:中國標準出版社, 2019.

[3] SAE.Recommended Practice for Measuring Fuel Con- sumption and Range of Fuel Cell and Hybrid Fuel Cell Vehicles Fueled by Compressed Gaseous Hydro- gen:SAE J2572－201410[S].Pennsylvania:SAE Inter- national, 2014.

[4] SAE.Recommended Practice for Measuring the Exh- aust Emissions and Fuel Economy of Hybrid-electric Vehicles,Including Plug-in Hybrid Vehicles:SAE J1711－202302[S].Pennsylvania: SAE International,2023.

[5] SAE.Battery Electric Vehicle Energy Consumption and Range Test Procedure: SAE J1634－202104[S]. Pennsylvania: SAE International, 2021.

[6] EEC.Emission Test Cycles for the Certification of Light Duty Vehicles in Europe:EEC Directive 90/C81/ 01[S].Geneva: European Union,1999.

[7] ECE/TRANS/WP.29.Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedures (WLTP):UN GTR 15[S].Gen- eva:UN,2014.

[8] 趙淑紅,吳鋒,王子冬.磷酸鐵鋰動力電池工況循環性能研究[J].電子元件與材料,2009,28(11):43-47.

[9] 鎖國濤.武漢市公交車行駛工況及發動機循環工況的研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[10] 方華,顧力強.基于城市循環工況的混合動力客車經濟性仿真及試驗研究[J].傳動技術,2010,24(2):16-19, 41.

[11] 曹建華,高大威,宣智淵,等.車用錳酸鋰電池使用壽命的試驗研究[J].汽車工程,2012,34(8):739-744.

[12] 潘登.混合動力汽車城市循環工況構建及運行工況多尺度預測[D].北京:北京理工大學,2015.

[13] 余曼,趙軒,魏朗,等.基于FCM聚類算法的電動車城市循環工況構建[J].公路交通科技,2018,35(10):140- 149,158.

[14] 吳迪,鄧柯軍,黎昶,等.車用鋰離子電池工況循環壽命試驗研究[J].低碳世界,2022,12(11):181-183.

[15] 馬家明.基于新歐洲行駛循環工況的某純電動車型續駛里程仿真優化[J].汽車與新動力,2020,3(2):78-81.

[16] 李日業.基于NEDC循環工況純電動車能量回收的應用研究[J].汽車實用技術,2021,46(24):1-4.

[17] 萬昭元.特定循環工況下的混合動力汽車動力系統設計與仿真[D].西安:長安大學,2015.

[18] 文亦驍.基于ADVISOR的電動汽車驅動系統匹配仿真研究[D].成都:西華大學,2016.

[19] 張勇,劉偉.不同循環工況下電動汽車的動力性仿真分析[J].機械設計與制造工程,2018,47(7):16-20.

[20] 樂智,周榮,徐梟.基于循環工況的純電動汽車動力系統匹配研究[J].北京汽車,2011(2):27-29.

[21] 中國國家標準化管理委員會.輕型汽車污染物排放限值及測量方法:GB 18352.6－2016[S].北京:中國標準出版社,2016.

[22] 中國國家標準化管理委員會.輕型汽車燃料消耗量試驗方法:GB/T 19233－2020[S].北京:中國標準出版社,2019.

[23] 王龍,孫瑾哲,王鑫,等.基于循環工況的電動汽車動力電池性能模擬測試試驗臺設計[J].汽車工程學報, 2018,8(4):268-274.

[24] 任立向.循環工況對鋰電池在不同壓力下熱失控特性的影響研究[D].廣漢:中國民用航空飛行學院, 2020.

[25] 夏順禮,秦李偉,趙久志,等.EV用三元動力電池使用壽命預測方法研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2016,39(8):1013-1016,1137.

[26] 葉磊,游國平.基于多種循環工況的混合動力客車制動能量回收對燃油經濟貢獻率的研究[J].客車技術與研究,2011,33(2):13-15,25.

[27] 中國國家標準化管理委員會.電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求與實驗方法:GB/T 31484－2015[S].北京:中國標準出版社, 2015.

[28] IEC.Secondary Lithium-ion Cells for the Propulsion of Electric Road Vehicles-part 1:Performance Testing: IEC 62660－1:2018[S]. Geneva: IEC,2018.

[29] ISO.Electrically Propelled Road Vehicles–test Specifi- cation for Lithium-ion Traction Battery Packs and Systems-part 3:Performance Testing:ISO 12405－4: 2018[S].Geneva:ISO,2018.

[30] 王芳,樊彬,劉仕強,等.車用動力電池循環壽命衰減的測試與擬合[J].汽車安全與節能學報,2012,3(1): 71-76.

[31] 祝慶偉.SOC循環區間對鋰離子電池老化性能的影響研究[D].杭州:浙江大學,2023.

[32] 黃順.基于行駛工況的鋰電池系統循環壽命預測研究[D].長沙:湖南大學,2018.

[33] 塔拉.電動汽車用動力電池模型仿真及壽命特性研究[D].北京:清華大學,2011.

Research and Prospect on the Cycle Life Test Profiles of Traction Batteries for Vehicles

HAO Weijian1, ZHENG Tianlei*1, ZHI Yunfeng2, LIU Shaohui1, MA Tianyi1, NIU Pingjian1

( 1.China Automotive Technology & Research Center Company Limited, Tianjin 300300, China;2.School of Vehicle and Mobility, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

Cycle life is the core technical parameter of traction batteries, and cycle testing profiles are the core content of traction battery cycle life test. In order to further improve the cycle testing profiles of traction batteries, this work firstly analyzes domestic and overseas standards such as China light-duty vehicle test cycle for passenger car (CLTC-P) and new European driving cycle (NEDC), as well as academic vehicle driving profiles. Two methods for converting vehicle driving profiles from theoretical calculation or actual vehicle testing to traction battery conditions are introduced. The domestic and overseas cycle profiles of traction batteries are also shown. Finally, the direction of improving the cycling profiles of traction batteries is pointed out. This paper will provide reference for improving the cycling profiles of traction batteries in the future.

Traction battery; Cycle life; Test profiles

TM912.8

A

1671-7988(2023)18-188-06

郝維健（1992－），男，博士，高級工程師，研究方向為動力電池標準化，E-mail:haoweijian@catarc.ac.cn。

鄭天雷（1983－），男，碩士，正高級工程師，研究方向為新能源汽車和汽車節能標準化，E-mail:zhengtian lei@catarc.ac.cn。

中汽中心科技重大專項（ZX23240001）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.037