基于中国工况电动车经济性测试的研究

2022-06-02马艳飞杨凡黄勇陈石人王星

汽车文摘 2022年6期

关键词：电量工况里程

马艳飞杨凡黄勇陈石人王星

（威马汽车科技集团有限公司，成都 610000）

主题词：中国工况经济性测试缩短法能耗

CLTC-P China Light-duty vehicle Test Cycle for Passenger car

NEDC New European Driving Cycle

CATC China Automotive Test Cycle

WLTP Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures

UDC Urban Driving Cycle

EUDC Extra Urban Driving Cycle

BER Battery Electric Range

REESS Rechargeable Energy Storage System

GIS Geographic Information System

1 前言

根据中国汽车工业协会统计，2019年我国新能源汽车产销量分别达到了124.2万辆和120.6万辆，其中纯电动汽车产销量分别为102万辆和97.2万辆。2020年中国新能源汽车产量为136.6万辆，销量为136.7万辆。2021年，新能源汽车产销分别完成354.5万辆和352.1万辆，同比均增长1.6倍，其中纯电动汽车产销分别完成294.2万辆和291.6万辆，同比分别增长1.7倍和1.6倍，市场份额分别为83.0%、82.8%，纯电动汽车占据了新能源汽车市场绝对的主导地位。在国家产业政策及相关标准法规的引导下，纯电动汽车市场将会进一步发展壮大。而续驶里程作为纯电动汽车最为关键的指标，如何科学评价显得尤为重要。与传统燃油车不同，受限于充电时间长和充电设施不完善等因素，存在特有的里程焦虑问题，续驶里程是消费者进行车型选购时最关注的指标之一。

本文针对GBT 18386.1—2021《电动汽车能量消耗量和续驶里程试验方法第1部分：轻型汽车》中经济性缩短法的测试进行试验验证，目的在于阐述该方法和常规法的差异，同时以试验数据为例对比经济性结果的偏差，为整车经济性开发目标的设定提供合理的依据。

2 中国工况介绍

中国轻型汽车行驶工况（CLTC-P）是中国汽车测试循环（CATC）中乘用车部分，是基于41座城市、3 832辆车，累积32 780 000 km、20亿条GIS交通低频动态大数据定义的标准工况。CLTC-P更真实反映了具有中国特色的工况要求，包括更为合理的平均车速和最高车速定义、更为宽泛的驾驶工况、更为合理的停车模式比例，以及更为丰富的动态加减速工况。

NEDC工况是研发人员非常熟悉的测试工况，随着新标准的发布，CLTC-P工况很快被测试工程师采用，这里对2个工况的详细参数不一一列举，主要针对2个工况的差异性进行对比，如表1所示。

表1 NEDC和CLTC-P参数对比

通过参数对比，不难发现，其中CLTC-P最大速度只有114 km/h，这与目前高速法规要求和交通GIS收集的大数据较匹配，加减速比例也较NEDC工况明显增多，整体工况更为动态。电动车的续驶里程和工况的平均车速紧密相关，诸多试验验证，120 km/h的等速能耗高于60 km/h等速能耗，高于40 km/h等速能耗。CLTC-P平均车速低于NEDC平均车速，低于WLTP平均车速，因此CLTC-P续驶里程结果最优。

3 CLTC-P工况测试方法及结果对比

CLTC-P的经济性测试方法和以往常用的NEDC工况测试有着很大的区别，在国标中更提倡使用缩短法进行测试，所谓缩短法就是在保证结果可靠性的同时，缩短整个测试时间，提高效率。当然除了缩短法还有常规做法，即逐一进行循环测试。本文以测试结果为基础，对2种经济性测试方法进行计算分析。

3.1 CLTC-P工况常规法测试

常规工况法经济性测试的方法可以参考国标要求，本文不详细论述。但是特别说明，CLTC-P常规工况法和NEDC工况法在续驶里程结果计算上有着明显的不同。NEDC工况以底盘测功机上显示的里程为准，即从开始试验时记录行驶里程，直至达到NEDC工况结束标准时，停止试验，此时底盘测功机上的行驶里程就是NEDC工况的经济性测试结果。而CLTC-P常规工况法需要记录每个循环的车辆能耗，每个循环的行驶里程，然后根据每个循环的权重系数计算得出续驶里程,具体计算公式如式（1）。

式中，为循环续驶里程；E为常规工况法试验前后，的电量变化；EC为基于电量变化的循环能量消耗量。

式（1）中的E按照公式(2)～(3)计算。

式中，为常规工况法试验结束后，车辆所行驶的速度区间数量，包含规定的试验结束的标准时未运行完成的速度区间。

式中，为常规工况法试验结束后，车辆所行驶的完整试验循环数量，不含达到规定的试验结束标准时未运行完成的试验循环；为试验循环的序号；EC为基于电量变化的第个试验循环的能量消耗量；K为第个试验循环的权重系数，按照公式（4）计算。

从公式（4）可以看出，每个循环都需要计算相应的权重系数。以实车数据进行计算，分别统计、计算每个循环的能耗，根据公式计算对应的比例因子，计算加权能耗,最终计算得到常规法续驶里程结果为609.5 km，详细数据见表2。

表2 CLTC-P工况常规法实测结果

36 37 38 39 40 41 CLTCP42 ERESS S;CCP循环CLTCP1 CLTCP2 CLTCP3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 D/km 14.49 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 1.955 0 1.945 6 1.943 6 1.941 2 1.938 3 1.933 5 1.927 4 84.071 1 kW·h c个循环的能量消耗量kW·h/km ECDC,1 ECDC,2 ECDC,3 ECDC,4 ECDC,5 ECDC,6 ECDC,7 ECDC,8 ECDC,9 ECDC,10 ECDC,11 ECDC,12 ECDC,13 ECDC,14 ECDC,15 ECDC,16 ECDC,17 ECDC,17 ECDC,19 ECDC,20 ECDC,21 ECDC,22 ECDC,23 ECDC,24 ECDC,25 ECDC,26 ECDC,27 ECDC,28 K36 K37 K38 K39 K40 K41 K42 0.023 622 892 0.023 622 892 0.023 622 892 0.023 622 892 0.023 622 892 0.023 622 892 0.023 622 892加权能耗ECDC 0.005 434 138 0.003 491 563 0.003 329 469 0.003 313 262 0.003 299 511 0.003 286 250 0.003 280 684 0.003 274 300 0.003 265 132 0.003 258 584 0.003 256 128 0.003 247 616 0.003 238 121 0.003 237 466 0.003 229 608 0.003 223 060 0.003 232 391 0.003 228 134 0.003 226 170 0.003 226 825 0.003 220 768 0.003 218 967 0.003 216 184 0.003 220 440 0.003 218 639 0.003 213 892 0.003 218 148 0.003 214 711同上同上同上同上同上同上K42=(1-k1-k2)/n-2 0.138 037 00 ECDC,1=K1·E_CLTC-P1/D_CLTC-P1 ECDC,2=K2·E_CLTC-P2/D_CLTC-P2 ECDC,3=K3·E_CLTC-P3/D_CLTC-P3以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 CLTCP42 BER 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 14.43 BER=EREESS;CCP/ECDC ECDC,29 ECDC,30 ECDC,31 ECDC,32 ECDC,33 ECDC,34 ECDC,35 ECDC,36 ECDC,37 ECDC,38 ECDC,39 ECDC,40 ECDC,41 ECDC,42 0.003 216 020 0.003 214 711 0.003 213 237 0.003 214 547 0.003 210 945 0.003 204 724 0.003 203 742 0.003 200 468 0.003 185 080 0.003 181 805 0.003 177 876 0.003 173 129 0.003 165 271 0.003 155 285以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推以此类推ECDC,42=K42·E_CLTC-P42/D_CLTC-P42 609.5 km

3.2 CLTC-P工况缩短法测试

缩短法测试根本目的是短时间内有效且高效地完成车辆经济性测试，因此测试工况和常规法截然不同（缩短法测试工况见图1）。

图1 缩短法速度片段构成

图1中和为试验循环段，由CLTC-P试验循环构成；和为恒速段，由较高的恒定车速构成，用以尽快放电，减少测试时间。2个恒速段的车速应相同，恒速段的车速设置推荐为100 km/h，若选定恒速段车速，中途不得改变。试验循环段结束后，车辆加速至恒速段的过程需平稳，并应在1 min内完成。缩短法的测试结果显而易见是需要计算得出，具体算法见如公式（5）。

式中，为循环续驶里程；E为缩短法试验前后的电量变化；EC为基于电量变化的循环能量消耗量。

式（5）中，E和EC按照公式（6）～（7）计算。

式中ΔE为按照图2的规定计算得到的试验循环段所有的电量变化；ΔE为按照图2的规定计算得到的恒速段所有的电量变化。

ΔE为按照图2的规定计算得到的试验循环段所有REESS的电量变化。

图2 CLTC-P工况常规法循环能耗统计

式中，为试验循环的序号，2个试验循环段和共计4个试验循环；EC为基于REESS电量变化的第个试验循环的能量消耗量；K为试验循环段的权重系数，按照公式(8)计算。

在缩短法计算中，只需要计算4个试验循环和2个恒速段的能耗，与常规法测试同一台车，使用缩短法测试计算结果如表3。

在测试中特别需要注意的是，恒速段的里程应依据车辆规定的能量E的百分比进行确定。试验循环段之后的剩余能量应不超过能量E的10%，即试验循环段之后，车辆还能放出来的能量不能超过总放电能量的10%。以实测数据为例，总放电量为80.242 5 kW·h，那么在试验循环段之后的恒速段放电量不得超过8.024 3 kW·h。并不是直观看到的整车电量的10%。

3.3 CLTC-P工况两种测试方法结果对比分析

从2次测试结果分析得到统计表4。

表4中缩短法放电量比常规法多0.171 4 kW·h，续驶里程多16.25 km。基于此结果，对2次试验中的计算循环做统计如图3。

图3 2种工况同步计算循环能耗对比

表3 CLTC-P工况缩短法实测结果计算

图3是根据表2整理为柱状统计表，可以比较直观的看出，循环能耗随着循环数量的累计或者说车辆电量的降低在递减，这里针对缩短法测试结果就有了实质性的差异，在常规法根据公式（3）中，EC由每个循环能耗计算得来，而缩短法根据公式（7），EC由4个循环能耗计算得来。对比缩短法和常规法4个需要计算能耗的循环，得到循环能耗对比图3。

表4 CLTC-P工况2种测试方法结果对比

图3中3、4个循环分别使用常规法第39、40个循环能耗，和缩短法3、4个循环能耗基本一致。而根据图2统计，除了41、42个循环，第39、40个循环的能耗基本是常规法中能耗最低的，也就是说常规法其它参与计算的循环能耗除了41、42循环，其它循环的能耗都要高于当前计算值，那么在3~38个循环的累计中，能量消耗量就会被放大，如表2和表3中的加权能耗EC所示，2者加权能耗EC相差0.003 313 401 kW·h/km，即如果同样为600 km的经济性测试，缩短法所需要的电量将少1.988 0 kW·h。反之，同样的电量，缩短法行驶的里程更多。

导致此结果产生的原因是随着放电进行，循环能耗越来越低，缩短法参与计算的循环能耗低于常规水平，因此续驶里程结果偏高。

对此结果进行测试分析，选择不同品牌的3台车，别在高电压和低电压进行能耗测试，且同时引入常用的另外2种工况NEDC和WLTP。具体测试安排如下：

（1）将车辆安装在转鼓上，以80 km/h的速度行驶20 min。使轮胎预热、使传动系统达到最佳的温度。保证车辆内阻和驾驶过程内阻相似。

（2）拟合曲线滑出Dyno Set，Dyno Set为在底盘测功机上拟合出的和道路滑行曲线等同的曲线设置。

（3）再以80 km/h的车速等速行驶10 min，此时上报低于85%，能量回收不再受限制。

（4）分别按照WLTP、NEDC、CLTC-P各行驶1个工况，并记录整车数据。

（5）循环结束后以等速80 km/h的车速继续放电，放电至30%电量。

（6）分别按照CLTC-P、NEDC、WLTP各行驶1个工况记录整车数据。

这里将85%电量视为高电压平台，30%电量视为低电压平台，根据电机输入端电流电压和电机输出端的转矩、转速，计算得到其中1台车辆效率统计数据，见表5。

表5 高低压平台效率对比

试验结果表明，3种不同的工况，低电压平台的效率均高于高电压平台。且另外2台车的结果也如此一致。这一结果可以解释常规法循环能耗随着循环数的增加而递减的原因，因为随着循环数的增加，整车电压平台在下降，低压平台效率高，因此能耗低。这也就是缩短法续驶里程要高于常规法续驶里程的根本原因。因为不同电压平台效率及能耗不同，而缩短法最重要的2个加权能耗选用的恰恰是低能耗的数值参与计算，所以整体能耗偏低，续驶里程偏多。

缩短法续驶里程偏多，会使整车公告里程偏高，本身底盘测功机的公告里程就不符合用户实际体验，这一偏高结果无疑又增大了理论与实际的差异。因此建议针对电动车公告经济性测试，首先对车辆高低电压对效率的影响进行摸底，根据循环次数和能耗关系，确定车辆缩短法与常规法的计算偏差。

另外即便CLTC-P工况采集了更为宏大的道路数据，但是作为公告工况指标，与实际驾驶差异依然非常之大，其中最为主要的原因有以下4点：

（1）公告试验是根据国Ⅵ标准进行配重加载，这与实际使用中存在差异，车辆加载质量决定了车辆的阻力，以满载为例，车辆加载质量偏大150 kg，通过阻力加速度计算，车辆滑行阻力增加5%，根据功率因数续驶里程结果影响为40~50 km。

（2）CLTC-P工况毕竟是固定工况，与实际使用驾驶习惯有很大差异，该因素虽无法量化，但是不可忽略的因素。

（3）公告里程环境温度为常温，该温度下电池性能尤佳，可以充分保证放电量，实际使用中环温难易保证。以某款三元锂电池为例，25℃环温下，电池理论容量80 kW·h，10℃环温下，保持率只有96%，容量丢失3.2 kW·h；0℃环温下，保持率只有90%，容量丢失8 kW·h。

（4）公告工况未开启空调，在实际使用中，即使温度再合适都会开启空调通风模式，炎热、寒冷时候空调能耗甚高，这也是导致理论与实际差异最大的原因。