電動車輛WLTP 能耗模擬與實測比對分析

摘要：本文闡述有關電動車輛之能耗測試與模擬分析方法，測試規範以當前電動車主流的測試標準WLTP為研究基礎。本文首先針對WLTP適用於電動車之縮短測試程序，簡述其車輛分級、測試型態及計算公式等定義。接續說明本文所建立的數值分析模型之架構與分析流程，可透過模擬計算車輛於各型態階段的能耗值，再帶入規範公式得知續航里程。研究過程中以一台市售電動車的實際測試，進行實測與模擬分析的結果比對。結果顯示兩者之續航里程數值接近，即驗證了本文所建立之模擬分析模型應具可靠性。藉此模擬分析模型可做為車輛實測前的分析初判，對於新車型的開發或測試工作上皆有助益。
Abstract：This article describes the energy consumption testing and simulation analysis methods for electric vehicles, based on the current mainstream testing standard WLTP shortened test procedure for electric vehicles. First of all, the definitions of vehicle classification, testing types, and calculation formulas under WLTP applicable to electric vehicles are explained. Then, the structure and analysis process of the numerical analysis model established in this article are described. Through this model, the energy consumption values of the vehicle in each stage can be obtained by simulation calculation and then by which calculate the range based on the specification formula. In this research process, the results of actual tests and simulation analysis were compared by conducting a test on a commercially available electric vehicle. The results showed that both the range values were close, and verified that the reliability of the simulation analysis model established in this article. This simulation analysis model can be used as an initial analysis before vehicle testing, which is beneficial for the development or testing of new vehicle models.

關鍵詞：WLTP、能耗模擬、電動車
Keywords：WLTP, Energy consumption simulation, Electric vehicle

前言
近年來在環境保護、減少碳排的議題受到重視，各國對於車輛排放的法規與標準皆逐步落實。過去在各國實驗室檢測排放的測試型態主要以該國實際道路的狀況為考量，如美國聯邦測試程序(Federal Test Procedure, FTP)、及新歐盟行車型態(New European Driving Cycle, NEDC)以及日本的JC08等。然而隨著全球化時代的驅策，發展國際通用的測試標準已成為車輛產業的共識，可透過相同的測試型態，在同一級距之車型規範下評判車輛的排放及能耗表現。聯合國UNECE WP.29 於2014 年3月12日，其管理委員會通過GTR.15 法規，提出共同規範之全球輕型汽車測試程序(World-harmonized Light-duty vehicle Test Procedure, WLTP)，該測試型態整合美國、歐洲、日本等主要車業大國之道路行駛路譜，並藉由幾種車輛級距之分類，定義採用的測試型態，基本將完整型態區分為低速(Low)、中速(Medium)、高速(High)及超高速(Extra High)等四種測試型態，更加貼近實際車輛於道路行駛的狀況。有關應用WLTP規範進行實驗室檢測與實測的比較研究，可參考小客車能效於實際道路測試與法規實驗室測試結果之差異比較研析[1]，該研究顯示車輛於實際道路駕駛之能耗與WLTP之測試結果較為近似。
WLTP規範不僅可做為燃油車的排放檢測標準，亦可執行電動車的能耗測試。由於電動車的續航里程一向是消費者最重視的指標之一，在以往各家車廠各以不同的測試方式，呈現車輛的續航里程予消費者，然而，車輛在不同的行駛工況下，表現出的續航里程卻是截然不同。因此，透過WLTP一致性的測試型態及規範，即可有效且客觀的評價各車廠推出的電動車能耗表現。WLTP規範已是國際上多數國家的共識，且已有越來越多電動車業者認同此規範，列為自家車型必須進行的測試項目之一。然而，除實際測試之外，目前仍少有對於電動車WLTP的相關模擬分析研究。若在實測之前可先建立車輛、WLTP型態路譜、動力系統與電池等數值模型，進行模擬初判該車輛的續航力表現，則有助於車廠在開發的過程中進行系統部件的選型及規格的調適，使得新車型的發展或舊有車型的設計變更增添效率。羅馬尼亞大學研究團隊針對一款電動車進行WLTP建模分析[2]，透過已知的車輛參數完成續航力與能耗的計算結果，然而該研究缺乏實際車輛的實測值做比對，較難驗證其模型的正確性及可靠度。
考量電動車於WLTP模擬分析的重要性及可見效益，本文藉以Matlab/Simulink程式工具建立系統模型，並透過實車於實驗室動力計的測試結果進行比對分析。本文首先就WLTP規範概略簡述，並針對適用於電動車的測試方法：縮短測試程序(Shortened test procedure)詳加說明；其次闡述模擬分析之模型架構，以及選用目標車輛之參數設定；最後則是實測與模擬結果比較，評判兩者間對於續航里程的結果差異。
WLTP能耗測試規範
本文探討及採行實測與分析的測試法規參照UNECE WP.29小組於2014年所公布的技術資料：ECE/TRANS/180/Add.15 [3]，以及2015年所公布之UNECE R.83/05 [4]。其中，對於測試過程中底盤動力計的設定、測試車輛分級、測試型態等皆有完整的定義。關於較詳細的設定方法與說明，可參考工研院機械所劉錦源等人所發表之文章內容[5]，而本文僅針對研究中涉及之測試範疇與設定做說明，包含車輛分級與測試型態、電動車測試程序等。
1.車輛分級與測試型態
WLTP測試型態以車輛動力輸出功率及空車重量所計算得之比值作為分類依據，稱之為功率空重比(power to mass ratio, PMR ratio)，共分為三等級：Class 1~3，其中Class 3又根據該車輛之極速是否大於時速120公里分為Class 3a與Class 3b，分級設定以及對應之測試型態參照表1所示。

測試型態中分為四個區段行駛路譜(Low、Medium、High、Extra High)，以時間與車速的關係呈現數據，並依不同車輛等級在各區段路譜設定上也略有差異。而對於新能源車的測試規範則另有定義，除了依循上述的基本測試型態之外，另需增加低速與中速的區段。以純電動車(Pure Electric Vehicle, PEV) Class 3a等級的規範要求為例，在進行表1中的測試型態後，需緊接著額外一次的市區段(Low3+Medium3-1)才算完成一次完整的循環。