车用动力电池循环寿命测试工况的研究与展望

郝维健，郑天雷*，支云峰，柳邵辉，马天翼，牛萍健

车用动力电池循环寿命测试工况的研究与展望

郝维健1，郑天雷*1，支云峰2，柳邵辉1，马天翼1，牛萍健1

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.清华大学 车辆与运载学院，北京 100084）

循环寿命是动力电池的核心技术参数，循环测试工况是动力电池寿命测试的核心内容。为进一步完善动力电池循环测试工况，文章首先分析了中国乘用车行驶工况（CLTC-P）、新欧洲驾驶循环（NEDC）等国内、海外标准及学术界车辆行驶工况，介绍了理论计算和实车测试两种车辆行驶工况向动力电池工况转化的方法，梳理了国内外动力电池循环工况情况，并展望了未来动力电池循环工况完善方向。文章将对动力电池循环工况的完善提供参考。

动力电池；循环寿命；测试工况

电动化已成为国内外汽车产业发展趋势共识。作为目前电动汽车主要能量来源之一的动力电池，其循环寿命的长短显著影响着新能源汽车长期使用后的续航里程。循环寿命较短、容量衰减较快的动力蓄电池显著影响消费者使用体验。因此，科学有效的动力电池循环寿命测试方法对于表征动力电池循环寿命意义重大。

目前，我国已发布《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》（GB/T 31484－2015）[1]，规定了电动汽车用锂离子动力电池和镍氢动力电池的循环寿命要求和试验方法，给出标准循环寿命测试方法，并按照车型（乘用车和商用车）、动力系统（纯电动和混合动力）规定了不同的工况循环寿命测试方法。该标准的发布实施有力规范了动力电池循环寿命水平，引导制造商提升产品质量，促进产业健康可持续发展。

然而，该标准发布时间已超过8年，宜根据新能源汽车和动力电池使用工况进一步完善测试方法，更加准确地表征动力电池循环寿命。本文首先分析了国内外车辆行驶工况，总结了车辆行驶工况向动力电池工况转化的方法，梳理了国内外动力电池循环工况情况，并展望了未来动力电池循环工况完善方向。

1 国内外车辆行驶工况

1.1 中国国家标准工况

国家标准《中国汽车行驶工况》（GB/T 38146－2019）[2]中规定了轻型汽车、重型商用车辆与发动机的行驶工况。在该标准中，针对乘用车设计了中国乘用车行驶工况（China Light-duty vehicle Test Cycle-passenger car, CLTC-P），此工况包含了低速、中速和高速三个速度区间，工况总时长共计1 800 s。

1.2 海外标准工况

美国环保局于1972年制定了一组用作认证车辆排放的行驶工况，该工况简称为FTP72（Federal Test Procedure 72）[3]，由冷态过渡工况和稳态工况构成。1975年美国环保局在FTP72的基础上添加了热条件下的重复工况，修改后的工况命名为FTP75（Federal Test Procedure 75）。对于2000年之后生产的车辆，额外添加了高速行驶阶段模拟工况（Highway Fuel Economy Driving Schedule, HFEDS）[4]，来模拟热启动情况下的高速巡航行驶情况。

美国汽车工程师学会对各个单独的工况进行了组合，并给出了实车环境下行驶工况与测试标准SAE J1634－202104[5]。在该测试标准中，提出了多种工况融合下的综合测试模式，以便于模拟更加真实的道路行驶状况。企业与测试单位在测试过程中也可以自行组合排列相关工况。

欧盟于1970年在联合国欧洲经济委员会（Eco- nomic Commission of Ewope, ECE）R15法规中提出了一组比较基本的驾驶循环工况，该工况被称为ECE R15工况，为城市环境下的驾驶循环工况，随后于1980年提出了城市郊区的驾驶循环工况。在1997年，上述两个工况被组合到一起，形成了新欧洲驾驶循环（New European Driving Cycle, NEDC）[6]。新欧洲驾驶循环工况在很长一段时间内被全世界广泛使用，该工况的行驶曲线得到了联合国的认可，并在全球范围内广泛推广。

ECE于2015年制定并通过了全球统一轻型车辆测试循环（Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure, WLTP）[7]，该工况替代了新欧洲驾驶循环，作为新的欧洲车辆认证程序，该标准也被中国、日本、美国等国家接受。

WLTP相较于旧的NEDC，具有更高的平均速度、最大速度，包括了更广泛的驾驶条件，覆盖了城市、郊区、主要道路、高速公路等场景，模拟了更长的行驶距离，对车辆的驱动功率、加速度等要求也更高。

WLTP针对不同的功率比的车辆，给出了不同的行驶曲线。以面向高功率比车辆的3b工况为例，这部分工况被分为四个不同的子部分，每个子部分分别模拟了城市、郊区、农村、高速公路的行驶场景，且四个子部分间的平均速度与最大速度有所不同。

1.3 学术界较有代表性的工况

在国内、国际标准循环工况之外，学术界基于研究成果提出了一系列循环工况。由于城市公交车行驶路径较固定，行驶车速较为稳定，续航里程与实际行驶里程便于测量，大部分学者都针对城市环境下客车或公交车展开了相应的研究。

赵淑红等[8]通过分析北京市公交车环线市区行驶情况，给出了北京市公交车环线市区工况模型，模拟了公交车在北京市二环、三环、四环等道路上行驶的情况；锁国涛[9]针对公交车在武汉市区行驶的实测数据，给出了武汉市区环境下公交车行驶工况；方华等[10]针对上海城市循环工况的特点，选取了一系列的典型的上海市区和上海郊区公交车路线进行实车数据采集，并利用统计学原理分析得到了上海市郊区和上海市区道路循环工况图；曹建华等[11]针对混合动力城市客车在北京公交线路运行的实测数据，给出了面向公交车的车用电池试验循环工况。

上述研究表明，通过大量的实车试验测量数据，结合合适的数据后处理方法来定义特定环境下的行驶工况的方法是行之有效的。

构建车辆的运行工况，需要基于大量实测的车速变化数据，并按一定的标准，用数学方法从原始数据中提炼出具有代表性的运行工况。有部分学者通过对现有的行驶数据进行数据整理，建立起了特定环境下车辆的理论行驶工况。

锁国涛[9]对采集到的车辆行驶速度数据进行数学分析，利用高斯法对车速进行拟合，结合车辆行驶过程中其他参数，汇总得到了特定环境下的行驶工况；潘登[12]提出了循环工况构建过程中速度阈值、加速度阈值等参数的筛选与评价机制，结合车辆行驶过程中其他参数，基于马尔可夫随机过程相关理论，提出了单尺度多次预测和多尺度单次预测两种工况预测方法，能够在实时仿真过程中预测接下来的行驶工况；余曼等[13]对现实的路网结构与分布进行了分析计算，基于层次分析法确定了不同层次的路网比例，设定了工况循环的行驶路线，依托小波分析和数据重构法对得到的原始数据进行降噪处理，采用模糊C均值聚类（Fuzzy C-means, FCM）分析的方式建立起了一系列的城市循环工况；吴迪等[14]通过将采集到的车速曲线分为相同长度的车速单元，并得到每个车速单元下的速度-加速度数据点，经过加权分析，重组得到了在特定环境下的行驶工况。

上述研究表明，可以通过数据整理与理论计算的方式，汇总、生成并预测车辆在特定环境下的行驶工况。

2 车辆行驶工况与充放电参数映射方法

考虑到不同车辆的蓄电池包和动力系统架构存在差异，很难以一个简单模型概括所有车辆在行驶过程中电池包充放电工况。因此，有必要建立一套从车辆行驶工况到车辆行驶环境下动力电池系统充放电参数的映射方法，并通过恰当的方法计算或实际测量蓄电池包的实际充放电参数。

目前常见的映射方法主要分为两类，一类是以建模与仿真为主的理论计算与仿真方法，一类是以实车测量为主的实车试验方法。

2.1 理论计算与仿真方法

对于车辆而言，续航里程的影响因素包括滚动阻力、空气阻力、机械传动系统内阻、整车质量、行驶工况等；对于纯电动车辆而言，续航里程还与动力系统、电池相关参数有关。在进行理论计算与仿真时，需通过实验、计算等方式得到整车动力系统相关参数，并将上述参数导入仿真计算模型进行计算。

目前，通过理论计算与仿真的方法建立起车辆行驶工况与充放电参数的映射方法已较为成熟。马家明[15]从能源供给端、能源传递路径、能源消耗端展开进行计算与分解，给出了整车计算模型与所需的基本参数列表；李日业[16]通过分析不同构型下的纯电动汽车结构原理图，给出了对应参数下的纯电动汽车动力总成相关参数计算公式。

此外，也有部分学者通过软件仿真的方式，建立起了车辆行驶工况与动力电池系统充放电参数的对应方法。适用于电动汽车开发与参数确定的仿真软件较多，且大部分软件都是基于MATLAB/ Simulink二次开发的仿真软件，模型较为完善，功能较多。其中常见的软件有：ADVISOR、PSAT、CRUISE、EVISM等。

万昭元[17]采用ADVISOR软件，建立了基于永磁同步电机的电动汽车模型，并通过二次开发的方式建立起了特定工况下的车辆模型，得到了在特定工况下行驶时的相关参数；文亦骁[18]采用ADVISOR软件，针对国际上的常用工况建立了相应的车辆模型，得到了在对应工况下行驶时的相关参数；张勇等[19]采用ADVISOR软件，针对多种不同循环工况进行了动力性仿真分析，并得到了在对应工况下行驶时的相关参数；乐智等[20]采用CRUISE软件，针对纯电动汽车在制动过程中的能量回收过程进行了仿真，得到了在特定工况下车辆制动过程中回收的总能量。

综上，在完全获取某一车型的整车相关参数和动力系统相关参数的情况下，可以通过理论计算与仿真的方法，建立起相关计算模型，实现车辆行驶工况与电池包充放电参数之间的映射关系。

2.2 实车试验方法

目前，通过实验的方法建立起车辆行驶工况与车辆相关参数的方法也已较为成熟。

在现行的国家标准中，《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（GB 18352.6－2016）[21]《轻型汽车燃料消耗量试验方法》（GB/T 19233－2020）[22]中均有相关内容。在现行的测量汽车油耗、排放等测试中，多采用将车辆固定于地面测功机、转鼓试验台的方式，按照测试内容要求的车速驾驶汽车，采集相应的实验数据。

对于纯电动汽车，也有部分学者通过实车试验的方式，建立起了车辆行驶工况与车载电池包充放电相关参数之间的关系。王龙等[23]通过自主搭建测试平台的方式，利用树莓派读取电子控制单元相关数据，得到了实验室环境下的，车辆行驶工况与动力电池温度、电压的关系；任立向[24]通过动压变温实验舱与热电偶传感器，得到了特定工况下电池表面温度变化相关数据；李日业[16]通过转鼓试验台，得到了车辆在特定工况下行驶时整体续航里程与实际消耗电量；夏顺礼等[25]通过实车耐久性试验，得到了车辆在特定工况下长期行驶时电池容量衰减数据；叶磊等[26]通过采集电机与动力电池高压线束上的电压与电流，计算得到了车辆行驶过程中电机电压、电池电压变化情况，并计算得出了车辆行驶过程中制动能量回收的总量。

因此，可以通过实车试验的方法，得到车辆在特定工况下行驶过程中，电池包充放电参数的变化情况。

3 动力电池充放电循环工况调研

3.1 中国国家标准工况

国家标准《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求与实验方法》（GB/T 31484－2015）[27]中规定了标准循环寿命与工况循环寿命测试方法。在该实验方法中，针对混合动力汽车所使用的功率型蓄电池与纯电动汽车所使用的能量型蓄电池给出了不同的测试工况；针对乘用车与商用车的行驶环境、车速差异，也给出了不同的工况。

对于功率型蓄电池，循环测试由两部分组成，一部分是主放电工况，在该工况下放电量略多于充电量；另一部分是主充电工况，在该工况下充电量略多于放电量。以混合动力乘用车为例，其对应的主放电工况与主充电工况如图1和图2所示。

对于能量型蓄电池，循环测试主要由主放电工况组成，在该工况下放电为主，但也存在着部分回充，主放电工况如图3所示。

图1 混合动力乘用车功率型蓄电池主放电工况

图2 混合动力乘用车用功率型蓄电池主充电工况

图3 纯电动乘用车用能量型蓄电池主放电工况

与功率型蓄电池不同，能量型蓄电池不存在主充电工况，而是以恒流恒压充电的方式进行充电即可。主要原因是能量型蓄电池与功率型蓄电池对应的车辆构型与动力系统存在差异，能量型蓄电池多用于纯电动车辆，通过外接电源形式补能；功率型蓄电池多用于非插电式混合动力车辆，在混合动力车辆行驶的过程中，通过车内发电机为蓄电池充电。

3.2 国际标准工况

国际电工委员会给出的测试标准IEC 62660- 1:2018[28]中规定了动力电池单体工况循环寿命测试方法。在该测试方法中，针对混合动力车辆与纯电动车辆提出了不同的测试方法；针对纯电动车辆不同的行驶环境，给出了不同的测试工况。

对于混合动力车辆，循环测试由两部分组成，一部分是“主放电工况”，在该工况下放电量略多于充电量；另一部分是“主充电工况”，在该工况下充电量略多于放电量。

对于纯电动车辆，循环测试主要由“动态放电工况”组成，在该工况下放电为主，但也存在着部分回充。考虑到不同的行驶环境下电池实际输出功率存在差异，在主测试工况之外额外设计了一组测试工况，用于模拟爬坡行驶的场景。

在该测试方法中，实际充放电参数通过输出功率而非电流确定。这一点也更符合实际车辆上的表现，即在不同的电压水平下都应当能够提供稳定的功率输出。

ISO 12405-4:2018[29]中规定了动力电池包或系统工况循环寿命测试方法。在该测试方法中，针对混合动力车辆与纯电动车辆提出了不同的测试方法；针对纯电动车辆不同的行驶环境，给出了不同的测试工况。在该测试方法中，针对混合动力车辆与纯电动车辆提出的测试方法与国际电工委员会提出的方法完全一致。

3.3 其他动力电池工况

有部分学者在进行电池充放电循环实验的过程中，采用理论计算或实验的方式得到的工况。王芳等[30]结合电池制造商提供的行驶工况、Freedom Car测试方法与我国电池实际使用工况特征，针对特定的功率型电池给出了特定的测试循环规程；赵淑红等[8]通过自行计算得出的工况，结合整车其他参数拟定了行驶过程中的功率输入/输出曲线；祝庆伟[31]在进行工况实验的过程中，结合前期调研结果与实验目标，调整了正常充放电循环工况的电池荷电状态（State Of Charge, SOC）上下限；黄顺[32]根据NEDC工况与实车采集到的数据，给出了基于功率标定的锂电池系统动态测试工况；塔拉[33]根据美国联邦城市运行（Federal Urban Driving Schedule, FUDS）工况与中国典型城市公交循环工况，自行定义了实验过程中的电流工作工况。

4 分析与讨论

目前，国内外动力电池循环测试标准对规范动力电池产品耐久性、引导动力电池产品技术提升起到了积极作用。然而，目前我国现行标准《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求与实验方法》（GB/T 31484－2015）[27]中工况循环方法来自与新能源汽车实车工况有一定差异性，导致测试结果对于新能源汽车整车和动力电池研发的参考性不强，有必要基于CLTC等车辆行驶工况进行转化和完善，支撑我国新能源汽车和动力电池产品开发和测试。此外，动力电池循环工况研究还应充分考虑到不同动力类型（纯电动/混合动力）、不同动力类型（纯电动/插电式混合动力/非插电式混合动力）、不同使用场景（乘用车/商用车）的适用性。

5 总结

本文总结了中国乘用车行驶工况、新欧洲驾驶循环等道路车辆行驶工况，梳理了理论计算和实车测试等车辆行驶工况到动力电池充放电参数的映射方法以及《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求与实验方法》（GB/T 31484－2015）[27]、ISO 12405-4:2018[29]等动力电池循环工况的主要技术内容，并对后续动力电池循环工况修订提供了意见建议，将对相关动力电池标准化工作起到一定参考作用。

[1] 中国国家标准化管理委员会.电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法:GB/T 31484－2015[S].北京:中国标准出版社,2015.

[2] 中国国家标准化管理委员会.中国汽车行驶工况第1部分:轻型汽车:GB/T 38146.1－2019[S].北京:中国标准出版社, 2019.

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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

郝维健（1992－），男，博士，高级工程师，研究方向为动力电池标准化，E-mail:haoweijian@catarc.ac.cn。

郑天雷（1983－），男，硕士，正高级工程师，研究方向为新能源汽车和汽车节能标准化，E-mail:zhengtian lei@catarc.ac.cn。

中汽中心科技重大专项（ZX23240001）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.037