中国工况下纯电动汽车续驶里程特性研究

2022-12-17雷利刚王玉伟耿培林

小型内燃机与车辆技术 2022年5期

关键词：里程电能能量

雷利刚周猛王玉伟耿培林

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司天津 300300）

引言

国内外纯电动汽车续驶里程测试方法可分为缩短法和常规法[1-2]，2021 年国内修订了电动汽车续驶里程和能量消耗量测试方法标准，标准修订做出了如下重大变化：

1）测试工况由NEDC 切换为CLTC 工况；

2）测试方法增加缩短法测试流程；

3）续驶里程由加权计算得出。

本研究利用试验室已有测试设备，选用一台典型常规纯电动汽车，且续航里程大于8 个CLTC-P循环里程，车辆按照标准GB/T 18386.1-2021 规定的缩短法和常规法分别进行试验，分析中国工况下缩短法和常规法各子工况权重分配和计算方法，计算测试车辆续驶里程结果，并将缩短法和常规法测试结果进行了对比分析。

1 试验设计

1.1 方案设计

试验按照标准GB/T 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》规定纯电动汽车续驶里程和能量消耗率的测试方法设计试验。车辆在底盘测功机上运行测试工况，测试样车选用专业司机驾驶[3]，测试过程中功率分析仪采集车辆动力电池电压、电流及电能，车辆电能信号如图1 所示，底盘测功机采集车辆实时运行速度，测试系统如图2 所示。整个测试流程如下。

图1 车辆连接功率分析仪

图2 续驶里程测试系统示意图

对车辆进行初始放电，放电程序按照汽车生产企业的规定进行；进行常规充电直至可充电储能系统（REESS）充满；首先车辆进行缩短法试验，试验包括两个试验循环段和两个恒速段，试验循环段由2个完整的CLTC-P 循环构成，恒速段车速设置最低为100 km/h，最后一个恒速段当车辆不能满足规定的公差要求时试验结束[4-7]。

车辆完成缩短法试验后，将测试车辆充满电后进行常规法试验，车辆连续运行CLTC-P 工况循环，当车辆不能满足规定的公差要求时试验结束，整个试验过程功率分析仪采集车辆动力电池实时放电量。

1.2 测试车辆

本研究选择一辆典型常规的纯电动汽车进行测试，预估续驶里程大于8 个CLTC-P 循环里程，测试中车辆打开制动能量回收功能，测试车辆参数如表1所示。

表1 测试车辆参数

1.3 测试设备及参数设定

1.3.1 测试设备

测试车辆在四驱底盘测功机上进行试验，底盘测功机选择前轮驱动后轮随动模式，通过滑行试验实现道路实际阻力；车辆运行时功率分析仪收集电能数据，电压从整车控制器段采取，环形钳式感应传感器采集电流数据；司机利用司机助手驾驶车辆跟随工况测试曲线。

1.3.2 底盘测功机阻力加载

底盘测功机阻力设定按照GB 18352.6-2016 附件CC 规定的滑行法进行，底盘测功机和车辆进行充分热车，滑行后得出该车在底盘测功机的加载系数，车辆行驶阻力如表2 所示。

表2 车辆阻力系数

1.4 测试工况

1.4.1 CLTC-P 循环工况

标准GB/T 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》规定的测试工况为CLTC-P 循环，该循环工况由低速、中速、高速3 个速度区间组成，共计1 800 s，行驶距离14.48 km，平均车速28.96 km/h，最高车速114 km/h。其中低速区间时间比例为37.4%，中速区间时间比例为38.5%，高速区间时间比例为24.1%。图3 为CLTC-P 循环构成示意图。

图3 CLTC-P 循环工况

1.4.2 缩短法CLTC-P 循环工况

缩短法CLTC-P 循环组合工况包含两个动态循环（DS1和DS2）和两个放电工况（CSSM和CSSE），其中动态段工况是由2 个完整的CLTC-P 循环组成，理论工况行驶距离为28.96 km。两个放电段工况由恒速100 组成，第一个放电段工况位于两个动态段工况之间，第二个放电段位于整个缩短法工况的末端。两个放电段的行驶距离需要通过车辆的预估续驶里程计算得出。图4 为缩短法组合工况运行图。

图4 CLTC-P 缩短法工况

1.4.3 缩短法工况行驶距离的确定方法

车辆在进行缩短法测试前，首先要确定被测车辆运行工况各阶段的行驶距离，其中组合工况中两个动态循环DS1和DS2的行驶距离固定不变，两个放电段CSSM和CSSE的距离均是未知，标准规定车辆完成第二个放电段CSSE时所产生的电能可用变化量应小于ΔEREESS，STP的10%，车辆测试前可在底盘测功机上测出该段CSSE的行驶距离。同时在已知车辆预估里程的前提下，可通过下式计算得出CSSM的行驶距离：

式中：BER 为车辆预估里程；DS1为动态1 段；DS2为动态2 段。

根据上述计算公式可确定车辆组合工况各阶段的运行距离，车辆预估里程可由车企宣告或摸底测试中获得。

2 试验运行

试验前底盘测功机按照制造厂规定进行匀速80 km/h 热机，并按照标准要求整个试验过程在20±3 ℃温度下进行，将车辆安装在底盘测功机上进行放电，同时按照提供的道路阻力系数对车辆进行滑行试验获得转鼓阻力加载值，放电完成后对车辆进行初次充电，初次充电结束后2 h 内开始正式试验，正式试验前配置底盘测功机参数同时安装功率分析仪，试验过程中采集车速、电流、电压数据，车辆依次按照缩短法和常规法在底盘测功机进行试验，试验按照标准要求判定结束，工况行驶结束后收集整理试验数据，计算续驶里程结果。

3 续驶里程计算公式

3.1 权重系数计算公式

3.1.1 缩短法权重系数计算

车辆在行驶缩短法工况时，一共运行了4 个完整的CLTC-P 循环，其中DS1和DS2各自包含2 个工况循环，4 个CLTC-P 循环的权重因子K 计算公式如下：

式中：Kc为第c 个CLTC-P 循环权重系数；ΔEREESS，c为车辆运行第c 个CLTC-P 循环电能可用变化量；ΔEREESS，STP为车辆运行整个组合工况的电能可用变化量。

3.1.2 常规法权重系数计算

车辆连续运行CLTC-P 循环工况，试验过程中采集车辆放电量，车辆运行每个CLTC-P 工况的权重因子K 计算公式如下：

式中：Kc为第c 个CLTC-P 循环权重系数；ΔEREESS，c为车辆运行第c 个CLTC-P 循环电能可用变化量；ΔEREESS，CCP为车辆运行整个常规法工况的电能可用变化量；n 为常规法车辆运行完整的CLTC-P 循环数量。

3.2 能耗加权计算公式

3.2.1 缩短法能耗加权计算

车辆在运行缩短法组合工况时，各个工况的运行距离和目标工况存在差异，其相应的直流能量消耗量也存在不同，车辆运行中4 个CLTC-P 循环能量消耗量ECDC，1，2，3，4及加权后的能耗ECDC计算公式如下：

式中：dj为车辆运行CLTC-P 工况循环的实际距离。

式中：Kc为第c 个CLTC-P 循环权重系数；ECDC，c为第1、2、3、4 个CLTC-P 的能量消耗量。

3.2.2 常规法能耗加权计算

车辆在底盘测功机上重复运行CLTC-P 工况，每个工况运行实际距离不同，且各个工况的消耗量也有所不同，各工况的能量消耗量也有所差异，常规法每个工况的能量消耗量ECDC，c及加权后的能耗ECDC计算公式如下：

式中：n 为常规法试验车辆运行完整的CLTC-P 循环数量。

3.3 续驶里程计算公式

3.3.1 缩短法续驶里程计算

缩短法工况下CLTC-P 工况循环续驶里程BER计算公式为：

式中：EREESS，STP为缩短法试验从开始到结束储能装置的电能可用变化量；ECDC为缩短法试验中4 个CLTC-P 工况加权后的能量消耗量。

3.3.2 常规法续驶里程计算

车辆重复运行CLTC-P 常规法工况续驶里程BER 计算公式如下：

式中：EREESS，CCP为常规法试验从开始到结束储能装置的电能可用变化量；ECDC为常规法试验中每个CLTC-P 工况加权后的能量消耗量。

4 工况运行特征

测试过程中，车辆从满电状态在底盘测功机上开始运行缩短法及常规法工况，按照目标工况运行线路停止试验。车辆在运行过程中，记录测量车辆动力瞬时电压、电流并计算出一定时间内的电能。底盘测功机在车辆运行过程中记录瞬时车速，可计算出车辆任意时刻的行驶距离。

4.1 工况实际运行距离

车辆在按照目标组合工况运行中，由于司机驾驶车辆的实际车速与目标行驶速度存在一定偏差，标准中规定允许速度的偏差范围为±2 km/h，车辆运行中各阶段的行驶距离与理论行驶距离存在一定偏差。试验结束后通过底盘测功机记录的整个测试过程中的瞬时速度，可计算出车辆各阶段的实际行驶距离。表3 和表4 为车辆运行缩短法和常规法各阶段的实际行驶距离。

表3 缩短法实际运行距离

表4 常规法实际运行距离

4.2 车辆放电特征

4.2.1 工况放电特征

测试具有制动能量回收功能且测试中都处于开启状态。将车辆运行缩短法工况时的车速和瞬时电流绘制成曲线，当车辆在加速和匀速行驶过程中电流从动力电池输出，此时动力电池处于放电状态，当车辆在减速踩制动过程中有反向电流流入动力电池，此时动力电池处于充电状态。

图5 为车辆在运行缩短法工况时车速与瞬时电流的变化曲线图，当车辆在运行DS1和DS2两个动态段时，由于CLTC-P 循环为瞬态工况，车速随着时间在不停地变化，对应车辆的放电电流和回收电流曲线也呈现出瞬时变化。在循环工况加速阶段电机驱动车轮行驶，电能转换为机械能，车辆处于放电状态，电流方向为正向数值为正。在工况循环减速阶段，车辆制动时车轮将机械能转化为电能，车辆处于充电状态，电流方向为反向数值为负。

图5 缩短法车速与电流变化曲线

车辆运行缩短法工况中CSSM和CSSE恒速段时，工况曲线速度为100 km/h，此阶段车辆处于放电状态，没有负向电流产生，电能消耗也最大。

车辆在进行常规法试验时，一共运行了36 个CLTC-P 循环，其中最后一个循环为不完整的循环，在运行每一个工况循环时同样电机驱动车辆运转时为放电，电流为正；车辆制动时，电池进行充电，电流为负。图6 为车辆运行常规法时其中一个常规工况下的车速和电流曲线图。

图6 常规法车速与电流变化曲线

4.2.2 首个循环放电特征

测试车辆从满电状态开始运行缩短法和常规法工况，因试验开始前车辆动力电池电能处于饱和状态，车辆在减速踩制动的状态下无反向或极小的电流输入动力电池，当车辆行驶一定时间后，动力电池经过放电，车辆在减速踩制动状态下能量回收功能开启处于正常工作状态，车辆运行工况加速时动力电池放电，电流为正值；车辆减速时动力电池回收电能，电流为负值。图7 和图8 分别为缩短法和常规法第1 个CLTC-P 循环车速和电流的变化曲线，其放电电流特征表现一致。

(二)资本逻辑的二重性与全球化。深入研究“世界历史”以及全球化，必须揭示其形成发展的内在逻辑。马克思通过对“世界历史”形成发展的内在动力即现代生产方式内在矛盾的分析，发现了全球化展开的深层逻辑:资本逻辑。在马克思看来，资本主义大工业首次开创了“世界历史”并推动着它的展开，而资本主义生产方式(以生产力与生产关系两个方面及其相互作用为基本内容)则深藏着“世界历史”形成发展的内在动力机制，即由生产逻辑和资本积累扩张逻辑构成的资本逻辑。简言之，“世界历史”以及全球化是在具有二重性特征的资本逻辑的支配下发展起来的。

图7 缩短法首个循环车速电流曲线

图8 常规法首个循环车速电流曲线

5 工况运行电能特征

在缩短法和常规法续驶里程试验计算公式中，可以看出计算循环的权重因子与车辆的放电电能有直接关系，其电能变化量的多少影响权重因子的比重。在车辆运行工况时，完整组合工况对应的电池能量变化（△E）包含电池输出电能（E输出）和制动回收能量（E制动）。电池能量输出是电能从电池输出到用电单元，用于驱动车辆。制动能量回收是车辆制动过程中将机械能转换成电能存储到电池的过程。运行工况时，车辆电池能量输出过程和制动能量回收过程交替进行。因此，工况对应的电池电能变化是电池净输出电能和制动回收能量的差值。

5.1 缩短法电能特征

将车辆运行缩短法组合工况时，车辆的输出电能、变化电能、回收电能绘制成直方图。如图9 所示为车辆在运行缩短法工况时各循环片段的放电电能。

图9 缩短法电能特征

车辆在运行整个缩短法工况时，各自的CSSM放电段行驶距离最长，且车辆以100 km/h 速度匀速行驶，这个阶段动力电池完全处于放电状态，无能量回收，输出电能值最大。快速放电段CSSM与CSSE状态一致，车辆持续保持放电状态。

车辆运行在动态段DS1和DS2阶段电能特征表现不一致，DS1段车辆回收电能较少，当车辆运行完恒速段CSSM之后制动能量回收功能正常，DS2阶段回收电能增加，且第3、4 个CLTC-P 循环回收电能基本一致。

5.2 常规法电能特征

车辆运行常规法工况时，除去最后一个不完整的循环，其它每个工况下的车辆输出电能基本一致，车辆运行前3 个CLTC-P 循环时因制动能量回收功能不完全，前3 个循环的回收电能相对较少，导致其电能变化量较大。当车辆运行完第3 个循环之后能量回收功能正常，每个循环下的车辆输出电能、回收电能、变化电能差异不大。图10 为车辆运行常规法工况时所有完整循环下的电能特证。

图10 车辆常规法电能特征

根据本文公式（4）可计算出车辆在运行常规法工况时每个循环的能量消耗量，如图11 所示为所有完整循环的能量消耗量，前3 个循环的电能变化量较大，其能量消耗量也较高，第3 个循环之后每个循环的能耗差异不大。

图11 车辆常规法能耗特征

6 试验结果计算

6.1 缩短法续驶里程计算结果

表5 为车辆完成缩短法试验结束后，底盘测功机和功率分析仪运行记录的距离和电量的结果，实际运行距离和电能变化量将参与结果计算。

车辆运行整个缩短法工况电能变化量ΔEREESS，STP为57 589.20 W·h，根据表5 中车辆运行的CLTC-P循环实际距离和电能变化的值，通过文中第3 节给出的计算公式（2）、（4）、（5），可计算得出车辆的循环能量消耗量和循环权重因子K1、K2、K3及K4以及加权后的能量消耗量，计算结果如表6 所示。

表5 缩短法CLTC-P 循环运行数据

表6 加权能量消耗量计算结果

通过表6 计算得出车辆加权后能量消耗量为108.39 W·h，车辆运行整个缩短法工况电能变化量ΔEREESS，STP为57 589.20 W·h，根据本文公式（7）可计算得出该车运行缩短法续驶里程结果BER 为531 km。

6.2 常规法续驶里程计算结果

车辆按照常规法进行试验，汇总整理每个循环工况下车辆实际运行距离和电能变化量如表7 所示。

表7 常规法CLTC-P 循环运行数据

车辆运行整个常规法工况电能变化量ΔEREESS，ccp为56 599.59 W·h，加权后的能量消耗量为108.88 W·h，根据公式（8）可计算出车辆运行常规法工况续驶里程BER 为520 km，而车辆在底盘测功机上运行常规法实际距离为519 km，常规法计算结果和实际行驶距离偏差较小。

7 两种测试方法结果差异比较

将测试车辆的缩短法和常规法试验数据经过汇总和整理，依据标准GB/T 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》的计算方法进行计算，结果发现缩短法和车辆实际行驶距离偏差大，偏差12 km；常规法计算结果和车辆实际行驶距离基本一致，偏差1 km。根据数据分析缩短法偏差相对较大的原因是测试车辆在第3 个循环的能量消耗仍然很高，在能耗加权时仅对前2个循环的权重进行了单独分配，以致整理加权值偏小，续驶里程结果计算较大。