电动汽车能耗预测与续驶里程研究

杨文华，马欢欢，李 岳

电动汽车能耗预测与续驶里程研究

杨文华，马欢欢，李 岳

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

纯电动汽车的续航能力与电驱系统的能耗水平有直接关系，开展整车能量流分析是提升纯电动技术发展的必要手段。文章提出依据整车道路载荷系数推导出电驱系统的百公里理论能耗，并测试对比不同车型在常温、高温、低温环境中国乘用车工况（CLTC-P）下的能耗表现，再根据理论与实际的偏差值，实现对整车电驱系统的能耗水平预测；同时分析了各车型在不同测试工况下的续航表现、真实电量与表显电量、表显剩余续航里程与表显电量（SOC）的对应关系，为整车显示控制策略的优化与开发提供参考。

道路载荷；能耗表现；续航里程；电动汽车；能耗预测

随着能源危机与燃油车碳排放要求的严格，涌现了越来越多的新能源造车新势力，纯电动汽车技术的发展迎来了新的挑战。能量流分析研究是了解纯电动车辆能量利用情况和优化车辆经济性的有效方式[1-3]。目前关于纯电动汽车在不同工况下的百公里电耗、续航剩余里程、电池包剩余电量的表显值与真实值等[4-5]方面的研究与实际测试较少。

本文根据《纯电动汽车续驶里程及经济性测试规范》《CCRT—2020管理规则》测试了在不同环境下3款纯电动车辆的中国乘用车工况（China Light-duty Vehicle Test Cycle-Passenger, CLTC-P）的续航表现，根据各车型实际百公里电耗测试结果，提出了依据整车道路载荷系数预测车辆电驱系统百公里能耗方案，并分析了纯电动车辆电池包在不同工况测试条件下，表显续航里程与电量的对应关系。

1 整车信息

选取市场上销量较好、续航里程较多、具有代表性的纯电动车型，依据工信部公布的各车辆信息，收集并统计如表1所示，其中车型A与车型B的驱动方式为四驱，车型C的驱动方式为两驱；车型A的电池包容量为100 kWh，车型B与车型C的电池包容量为81 kWh；车型A与车型C为国产车型，车型B为进口车型。

表1 车型统计信息

参数车型A车型B车型C 整车参数整备质量/kg2 2901 8741 935 最大允许总质量/kg2 7802 3002 310 长×宽×高/mm4 850×1 965×1 7584 694×1 850×1 4434 880×1 896×1 450 最高车速/(km/h)200233170 电机最大功率/kW320325196 最大扭矩/Nm610527390 驱动电机数/个221 变速器类型一挡一挡一挡 电池类型三元锂三元锂三元锂 容量/Ah280225228 额定电压/V358360352

2 测试方案

本次试验的车型均满足《中国汽车行驶工况第1部分：轻型汽车》相关规定，测试工况为中国乘用车行驶工况CLTC-P连续法。按照《纯电动汽车能耗和续驶里程测试规范》开展电动汽车能量管理测试，车辆测试环境分别为常温、高温、低温，分析各车型在不同测试工况下的能量消耗情况，实时记录每个工况后的表显电量、续驶里程情况，其中试验结束的标志为车辆车速跟不上工况曲线。试验步骤如下：

（1）实车梳理各车型的整车高低压架构特点，为传感器测点布置提供依据；

（2）依据车辆各高、低压部件的能耗特性布置合适的测试设备，如电流传感器精度、量程等；

（3）结合整车状态信号与功率分析设备采集的电信号进行能量分析，如图1与图2所示。

图1 功率分析仪DEME2-M7S

图2 总线信号与数采数据融合

2.1 设备信息

纯电动车型工况测试过程中，能耗测试相关设备如表2所示，所列的信息包含设备名称、型号、数据采集精度及用途。

表2 测试设备信息

设备名称型号精度用途 底盘测功机RoadSim4S-Compact 4WD扭矩测量精度：0.11%fs转速测量精度：<0.1%（<2km/h）<0.01%（>2km/h）监测车辆速度、加速度等 功率分析仪DEME2-M7S电压直采精度：0.02%电流来自于外部输入采集电流、电压；计算功率、能量 CANoeVN7640 采集整车状态信号 电流钳CT6844±0.3%rdg. ±0.05% f.s.监测电流（500 A） 电流钳CT6843±0.3%rdg. ±0.05% f.s.监测电流（200 A） 电流钳CT6841±0.3%rdg. ±0.05% f.s.监测电流（20 A）

2.2 测试工况

各车型在不同温度环境下进行CLTC-P工况连续测试。在工况测试过程中，车辆在底盘测功机上运行，通过设定环境仓参数模拟测试环境；车辆状态设置均为能量回馈的最强模式，仪表亮度调整到最暗，测试工况与车辆状态设置如表3所示。

表3 测试工况与车辆状态设置

测试环境环境仓参数设置测试工况车辆状态设置 驾驶模式仪表亮度空调状态 常温温度（25±3）℃；鼓风机风速随车速CLTC-P连续法经济最暗关闭 高温温度（35±3）℃；阳光模拟器光照强度为850±45 W/m2；鼓风机风速随车速经济最暗空调制冷，吹面内循环，车内平均温度保持在23℃～25℃之间 低温温度（-7±3）℃；鼓风机风速随车速经济最暗空调制暖，车内平均温度保持在20℃～22℃之间，吹脚外循环

3 结果分析

3.1 道路载荷系数与电驱系统百公里能耗分析

3.1.1道路载荷理论百公里耗能

依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 18352.6—2016）的规定对车辆进行道路载荷测定。道路载荷阻与速度关系如式（1）所示：

阻=A+B+C2（1）

道路载荷消耗的机械能阻表达式为

d=d（3）

由式（1）、（2）、（3）进而推导出：

式中，阻的单位为J；的单位为km/h。

所以，当车辆以速度行驶时，每百公里的机械阻力能耗为

式中，的单位为kWh/100 km。

将CLTC-P工况车速曲线带入公式，可知：

式（6）描述了车辆在CLTC工况下，道路载荷行驶百公里理论消耗能量。

3.1.2车辆百公里净电耗与电驱百公里净电耗计算

根据CANoe采集的高压信号及功率分析仪实测的电流信号对高压系统的各部件进行功率，能量的计算。电池包电流与电驱系统电流的正负分为驱动阶段和制动回收阶段，分别计算为

驱动阶段：

电池包放电量为

（7）

电驱系统耗电量为

（8）

制动回收阶段：

电池包回收电量为

（9）

电驱系统回收电量：

（10）

式中，I—与电驱—为负值，所以E—与电驱—计算结果也为负值。

按照《EV-TEST电动汽车测评管理规则》的规定，测试期间电池包净放电量与续航里程的比值计算出每公里消耗电能，再乘以100得百公里耗电量。

整车百公里净耗电量为

（11）

电驱系统百公里净耗电量为

（12）

式中，C整车与C电驱的单位为kWh/100 km。

3.1.3理论与实际分析

在工况循环中，车辆百公里净电耗、电驱百公里电耗、道路载荷理论百公里电耗及偏差值如表4所示，其中百公里电耗单位为kWh/100km。另外，根据国六排放法规对低温工况下，底盘测功机加载载荷乘以1.1倍的规定，所以计算低温工况偏差时，理论值需要乘以1.1倍。

表4 不同环境下电驱系统理论与实际百公里电耗及偏差

常温工况高温工况低温工况电驱百公里电耗理论与实际偏差 车型百公里净电耗电驱百公里电耗百公里净电耗电驱百公里电耗百公里净电耗电驱百公里电耗载荷百公里理论电耗常温工况偏差/%高温工况偏差/%低温工况偏差/% A16.0514.9018.5014.2224.0720.0110.5541.2334.7872.24 B13.8212.3118.8210.9125.6915.549.0835.5720.1555.59 C12.4411.6717.7711.0022.1114.168.4837.6229.7251.80

由实测结果可知，高温工况下电驱系统百公里耗电与道路载荷理论耗电的偏差最小，低温偏差最大；整车净能耗比电驱系统能耗的差值趋势：低温工况>高温工况>常温工况，差值大小与整车其他高低部件能耗相关。

依据表4数据显示的规律，采用道路载荷系数对纯电动汽车在CLTC-P工况下的电驱系统百公里能耗进行预测：

常温工况电驱能耗=理论值×1.38；

高温工况电驱能耗=理论值×1.28；

低温工况电驱能耗=理论值×1.60。

3.2 工况循环中真实SOC与显示SOC分析

通过实时记录不同环境下每个CLTC工况结束后的表显电池包电量（State of Charge, SOC）与CANoe采集的真实SOC值，统计平均单个工况SOC减小平均值的表显与真实值如表5所示，工况循环结束后剩余SOC如表6所示。

表5 单个工况SOC减少平均值（%）

单个工况SOC减少平均值(%) 车型A车型B车型C 表显真实表显真实表显真实 常温工况2.542.312.762.642.452.24 高温工况2.872.633.703.523.443.16 低温工况3.943.545.214.914.603.90

表6 工况循环结束后剩余SOC（%）

工况循环结束后剩余SOC(%) 车型A车型B车型C 表显真实表显真实表显真实 常温工况0.003.001.501.704.705.10 高温工况0.003.502.002.305.305.50 低温工况5.5010.05.606.304.4010.60

由表5可知，各车型在不同环境下的单个工况SOC减小值真实低于表显；各车型的常温、高温工况下，真实值与表显值的偏差均小于低温工况；各车型的工况SOC变化值低温工况>高温工况>常温工况。

由表6可知，各车型在不同环境下的工况循环结束后表显SOC小于真实SOC；各车型的常温、高温工况循环结束后，真实值与表显值的偏差均小于低温工况；各车型工况循环结束后的剩余电量值低温工况>高温工况>常温工况，同时也说明了电池包放电能力需要合适的环境温度[6]。

3.3 车辆表显续航里程与电量分析

各车型在不同环境下工况循环记录的续航里程实测值，如图3所示，常温续航最高，高温续航次之，低温续航最小。

纯电动汽车的续驶里程与电池包剩余电量SOC存在一定的比例关系[4]，如表达式（13），式中反映了车辆每消耗1%的电能所行驶里程数，与整车续航控制策略相关。

通过计算各车型的表显续航里程与其对应表显SOC的比值曲线结果如图4、图5、图6所示。

图4 车型A表显续航里程与SOC比值

图5 车型B表显续航里程与SOC比值

图6 车型C表显续航里程与SOC比值

4 结论

本文基于能量流分析对电动汽车整车能耗、电驱系统能耗进行测试，并依据道路载荷对理论能耗进行了推导，对比实际电驱能耗与理论能耗的偏差，为能耗预测提供理论和数据依据；结合各车型的表显续航里程与表显电量的对应关系，为车辆仪表显示策略提供了参考。

[1] 宋政委.纯电动汽车能量流分析研究[D].西安:长安大学,2019.

[2] 程庆湖,肖文龙,黄炯,等.基于能量流分析的纯电动车电耗关键技术研究[J].汽车实用技术, 2019,44(14): 7-9.

[3] ZHU B,ZHANG P,CHANG J J,et al.Electric Veh- icle Energy Flow Analysis and Energy Saving Technology Research[J].Destech Transactions on Environment, Energy and Earth Sciences, 2018 (2):27821.

[4] 李中耀,李达峰.纯电动汽车剩余续驶里程计算方法研究[J].研究与开发,2021.4(15):62-64.

[5] 刘志超,龚慧明,保翔,等.基于中国工况的纯电动乘用车续驶里程评价方法研究[J].汽车工程,2021.43 (5):705-712.

[6] LEI Z G,ZHANG Y W,LEI X G.Temperature Unifor- mity of a Heated Lithium-ion Battery Cell in Cold Climate[J].Applie Thermal Engineering,2018(129): 148-154.

Energy Consumption Prediction and Driving Range Research of Electric Vehicle

YANG Wenhua, MA Huanhuan, LI Yue

( China Automotive Technology and Research Center Company Limited, Tianjin 300300, China )

The endurance of pure electric vehicle is directly related to the energy consumption level of the electric drive system. Energy flow analysis of the vehicle is a necessary means to improve the development of pure electric technology. In this paper, the theoretical energy consumption of the electric drive system was deduced based on the road load coefficient of the vehicle, and the energy consumption performance of different models under china light-duty vehicle test cycle-passenger(CLTC-P) conditions at room temperature, high temperature and low temperature was teted and compared. Then, the energy consumption level of the electric drive system of the vehicle was predicted according to the deviation between the theory and practice. At the same time, the corresponding relationship between the range performance of each vehicle under different test conditions, the real power and the meter display power, the remaining range of the meter display power and the state of charge of the meter display power are analyzed, which provides reference for the optimization and development of the vehicle display control strategy.

Road load; Energy consumption performance; Driving range;Electric vehicle;Energy consumption prediction

U469.7

A

1671-7988(2022)21-32-05

U469.7

A

1671-7988(2022)21-32-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.006

杨文华（1991—），男，硕士，研究方向为新能源汽车测试标定工作，E-mail:ywh_ciiccatarc@163.com。