基于CLTC下电动汽车电池带电量的评估分析

林 华，唐 伟，詹 迅

基于CLTC下电动汽车电池带电量的评估分析

林 华，唐 伟，詹 迅

（宜宾凯翼汽车有限公司，四川 宜宾 644100）

针对国家市场监督管理总局联合中国国家标准化管理委员会联合发布了满足中国特殊要求的《中国汽车行驶工况第一部分：轻型车》（GB/T 38146.1－2019）并将中国轻型汽车行驶工况（CLTC）作为《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》（GB/T 18386.1－2021）标准测试续航里程和能量消耗率的唯一试验循环。因CLTC循环测试工况，其实际工况测试值同用户实际使用值更为贴近。为有效匹配并满足CLTC循环工况，在纯电动续航里程开发初期文章阐述了如何通过定量定性准确的去评估，车型开发时所需要动力电池带电量时，从而提前锁定三电选型工作同时节约开发周期降低成本。

电动汽车；CLTC；电池电量；评估分析

前期国内纯电动汽车通过使用新欧洲驾驶周期（New European Driving Cycle, NEDC）循环测试工况进行续航里程测试，由于NEDC测试工况为稳态循环，与我国复杂多样的实际道路相差甚远，其实际工况测试值同用户实际使用值相差较大。对此，国家市场监督管理总局联合中国国家标准化管理委员会发布了满足中国特殊要求的《中国汽车行驶工况第一部分：轻型车》（GB/T 38146.1－2019）[1]，并将中国汽车行驶工况（China Light-duty Vehicle Test Cycle, CLTC）作为《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》（GB/T 18386.1－2021）[2]标准测试续航里程和能量消耗率的唯一试验循环。

目前，纯电动汽车续航里程及能量消耗率的测试及评估方法包括连续法、等速法（NEDC工况）和常规法、缩短法（CLTC工况）[3-5]。我国推出的CLTC工况更符合中国的实际情况，并于2021年10月1日起作为纯电动汽车进行续航里程及能量消耗率试验的唯一工况。本研究将具体介绍在车型开发前期如何通过定量的方式通过CLTC工况的具体参数进行所需电池带电量的评估分析，为前期的动力电池带电量选型提供初步参考，再通过仿真模型AVL Cruise校核，证明该研究的可信度较高。

1 循环工况简介

1.1 NEDC循环工况

NEDC工况[3]包含Ⅰ部和Ⅱ部共计时长1 180 s，其中，Ⅰ部包含四个相同的市区工况，Ⅱ部为市郊及高速工况，如图1所示，具体工况特征如表1所示。

1.2 CLTC循环工况

中国轻型汽车行驶工况（China Light-dutyVehicle Test Cycle-passenger, CLTC-P）包括低速（Ⅰ部）、中速（Ⅱ部）和高速（Ⅲ部）3个速度区间，工况时长共计1 800 s，工况曲线如图2所示，工况特征如表2所示。

图1 NEDC循环工况

注：理论里程为11 022 m；平均车速为33.6 km/h。

表1 NEDC工况特征

特征总体Ⅰ部Ⅱ部 运行时间/s1 180780400 里程/km11.24.0526.955 最大速度/(km/h)12050120 平均速度/(km/h) 19.062.6

图2 CLTC工况

表2 CLTC工况特征

特征总体低速Ⅰ部中速Ⅱ部高速Ⅲ部 运行时间/s1 800674693433 里程/km14.482.455.916.12 最大速度/(km/h)11448.171.2114 最大加速度/(m/s2)1.471.471.441.06 最大减速度/(m/s2)-1.47-1.42-1.47-1.46 平均速度/(km/h)28.9613.0930.6850.9 运行平均速度/(km/h)37.1820.238.2453.89 加速段平均加速度/(m/s2)0.450.420.460.46 减速段平均减速度/(m/s2)-0.49-0.45-0.5-0.54 相对正加速度/(m/s2)0.170.140.160.18 加速比例/%28.7822.5530.4535.8 减速比例/%26.4421.5128.4330.95 匀速比例/%22.6720.7721.3627.71 怠速比例/%22.1135.1619.775.54

2 电池电量评估分析

2.1 电池电量评估分析基本整车参数

在评估电池电量状态时，为提高评估准确度，通过编制Excel表格进行前期电量选型计算分析，并确定整车初步模型的参数，基于电动车影响续航里程的主要参数如表3所示。

表3 某项目车型整车参数

项目某车型参数 整车整备质量/kg1 607（预估） 试验质量/kg1 749（预估） 满载质量/kg1 982（预估） 长/mm4 358 宽/mm1 830 高/mm1 670 空气阻力系数0.36（预估） 迎风面积/m²2.47（预估） 传动系减速器速比i9.11 旋转质量换算系数1.06（经验值） 传动系统效率/%90（经验值） 轮胎型号215/60 R17 滚动半径/mm335 滚动阻力系数/‰8(预估值) 附件附件能耗/行驶能耗/%8（经验值） 电池SOC状态/%90（经验值） 放电效率/%90（经验值） 充电机充电效率/%93（经验值） 性能目标CLTC续航里程/km400（暂定）

2.2 数据处理方式及定义

加速工况：车辆行驶过程中的加速度大于或等于0.15 m/s²的工况。

减速工况：车辆行驶过程中的加速度小于或等于-0.15 m/s²的工况。

怠速工况：车辆行驶过程中的加速度的绝对值小于0.15 m/s²，且车辆的行驶速度小于 0.5 km/h的工况。

匀速工况：车辆行驶过程中的加速度的绝对值小于0.15 m/s²，且车辆的行驶速度大于或等于0.5 km/h的工况。

平均速度：车辆行驶过程中所有工况速度的平均值。

运行平均速度：车辆行驶过程中非怠速工况的平均值。

加速段平均加速度：车辆行驶过程中的所有加速工况的平均加速度。

减速段平均减速度：车辆行驶过程中的所有减速工况的平均减速度。

2.3 CLTC工况拆分

CLTC工况曲线加减速为非线性的均匀加减速，故将其数值以章节2.2的方式进行特殊处理，并将循环工况拆分为近似的匀速工况和加速工况，用以模拟对应的能量消耗，从而实现整车的能耗需求以达到评估电池带电量。依据整车行驶原理，将整个CLTC循环中的电池能量用于克服各种阻力做功（匀速工况主要克服滚动阻力、空气阻力做功；加速工况主要克服滚动阻力、空气阻力、加速阻力做功）以及附件用电器的耗散。本研究主要用于初步评估电池带电量，故只考虑阻力做功带来的能量耗散方式，评估后再进行电池电量的预留，根据各用电器功率（娱乐大屏、电机水泵、风扇等），通过能量守恒原理计算电池的能量消耗，从而确定电池的初步选型。电池电量初步选型确定后，将电池、电机及整车参数通过AVL Cruise软件进行正向模拟仿真，评估初选电池电量是否满足车型开发的需求，做适当的调整以满足目标需求。

2.3.1电池能耗评估分析

在CLTC循环工况下，匀速工况指车辆行驶过程中的加速度的绝对值小于0.15 m/s²，车辆的行驶速度大于或等于0.5 km/h的工况。此工况下将整车需要克服的阻力做功近似分为汽车滚动阻力做功与空气阻力做功。

汽车克服滚动阻力做功：

式中，′为试验质量；为滚动阻尼系数；为匀速行驶车速；为行驶时间；1为传动系统效率。

汽车克服空气阻力做功：

式中，d为空气阻力系数；为汽车迎风面积；为匀速行驶车速；为行驶时间；1为传动系统效率。

综上，可评估出整车基于匀速阶段工况下克服整车阻力做功为

=f+r（3）

匀速工况下的总能耗为

在CLTC循环工况下，加速工况指车辆行驶过程中的加速度大于或等于0.15 m/s²。本研究将加速段工况依据章节2.2的定义近似处理为匀加速工况，故此工况下将整车需要克服的阻力做功近似分为汽车滚动阻力做功、空气阻力做功和加速阻力做功三部分，其近似理论计算如式（5）－式（12）所示。

克服滚动阻力做功：

式中，0为加速阶段初速度；为加速时间；为加速时间内的平均加速度；为滚动阻尼系数；′为试验质量；1为传动系统效率。

克服空气阻力做功：

式中，0为加速阶段初速度；为加速时间；为加速时间内的平均加速度；d为空气阻力系数；为汽车迎风面积；1为传动系统效率。

克服加速阻力做功：

式中，0为加速阶段初速度；为加速时间；为加速时间内的平均加速度；′为试验质量；为旋转质量换算系数；1为传动系统效率。

基于综上加速阶段进行的能量理论转化，可以根据式（5）－式（7）等效计算出整车克服整车阻力做功：

=f+r+A（8）

加速工况下的总能耗为

因此，在整个CLTC的进程中，将匀速工况和加速工况下对能量消耗汇总后即可近似地处理为整个CLTC工况下的能量消耗量，再通过目标续航里程及单工况行驶里程计算车型开发动力电池的需求电量。

单工况需求电量：

1=总+总（10）

动力电池需求电量2为理论最低电量：

式中，为CLTC续航里程；为单工况行驶里程。

但动力电池在实际放电过程中需要考虑附件能耗、放电深度及放电效率等，在评估分析时需要额外增加效率得到电池包需求电量3为

式中，2为电池放电深度；3为电池放电效率；4为附件功耗消耗率[6]。

2.4 动力电池电量评估计算

为了用CLTC工况简化快捷地处理各个速度段的能量消耗，将整个CLTC工况耗能部分按照章节2.3进行能耗处理。为快速计算出各个工况下的能耗值，利用Excel工具根据CLTC各时间点的数据编制了一套简单可行的能量消耗处理模板。在前期的预研电动车电池电量评估分析中，可以快速准确地评估出根据产品定义需求得出的车型开发带电需求。利用该模板可以在10 min内进行有效的初步数据评估，并作出分析判定。该模板主要包括的整车基本参数、匀速阶段功耗计算、加速阶段功耗计算、续航里程动力电池电量需求计算及电网端能量消耗率计算[7]，如表4所示。

表4 整车计算参数输入

项目参数 试验质量/kg1 707 滚阻系数/‰8.0（估算值） 风阻系数0.36（估算值） 迎风面积/m22.47（估算值） 旋转质量换算系数1.06 传动效率/%90（估算值） 电池放电深度/%90（估算值） 电池放电效率/%98（估算值） 附件能耗/行驶能耗/%8（估算值） 充电机效率/%93（估算值） 单个工况里程/km14.48

2.4.1匀速工况耗电量计算

通过章节2.3的式（1）－式（4）编制Excel表格快速计算匀速工况下的能量消耗如表5所示。

表5 匀速功耗计算表

循环工况低速（Ⅰ部）中速Ⅱ部高速Ⅲ部 初速度/(km/h)22.06……9.3……113…… 持续时间/s3……24……10…… 克服整车阻力的功/J3 453……2 896……3 441.2…… 匀速工况总功耗/J9 654 匀速工况总能耗/kWh0.308

2.4.2加速工况耗电量计算

通过章节2.3的式（5）－式（9）编制Excel表格快速计算加速工况下的能量消耗如表6所示。

表6 加速工况功耗计算表

循环工况低速（Ⅰ部）中速Ⅱ部高速Ⅲ部 初速度/(km/h)0……0……0…… 加速时间/s10……16……14…… 加速度/(m/s2)0.58……0.28……0.45…… 克服滚动阻力的功/J1 197.85……1 480.378……1 821.559…… 克服空气阻力的功/J6.329 48……4.667 003……11.356 22…… 克服加速阻力的功/J9 393.347……5 604.288……11 082.7…… 克服整车阻力的功/J10 597.53……7 089.332……12 915.61…… 加速工况总功耗/J4 656 934 加速工况总能耗/kWh1.293 593

2.4.3近似工况耗电量计算

通过章节2.3的式（8）、式（10）－式（12）编制Excel表格快速计算CLTC工况下的能量消耗如表7所示。

表7 工况能耗消耗

项目参数 单个工况的行驶能耗/kWh1.566 437 707 续驶里程/km400 可行驶的工况数量28 动力电池实际使用能量/kWh43.3 动力电池需求能量/kWh53.3

2.4.4电网端耗电量计算

依据充电机的效率机及章节2.4.3中CLTC整体能耗，计算电网端能量输入状态如式（13）所示。

电网端能量需求：

式中，为电网端获取能耗；3为式（12）计算的动力电池电量；5为充电机效率。

3 纯电动模型校核分析计算

通过编制简化的Excel表格，在初步选定动力电池带电量后，将整车基本参数、电机参数及厂家电池包参数（充放电效率等）输入AVL Cruise模型进行里程值能力校核，如图3所示。校核过程通过不断的选型优化整车、电机、电池及控制策略参数分析评估所带电池电量是否满足车型开发需求，仿真模型及参数状态情况如图4所示。

图3 电池参数需求图

图4 仿真分析模型

通过AVL Cruise模型输入表3、表4、图4参数，通过CLTC工况计算百公里电耗，校核电量对应续航里程满足前期选型电池电量需求，如图5计算能量流动图及图6计算结果所示，通过比较计算校核，该方法评估电池电量方法可靠实用，并满足项目整车续航能耗开发。

图5 计算能量流动图

图6 计算结果图

4 结论

本研究通过对CLTC工况数据处理编制Excel表格，极大地简化车型前期开发对动力电池带电量的分析评估，并初步评估分析出车型目标开发所需的动力电池带电量，为项目预研做好充足准备。同时，也为后期通过仿真软件（如AVL Cruise）进一步详细优化做铺垫，进而准确评估开发新能源电动车所需动力电池带电量，对节约开发周期和成本有重要意义。

[1] 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:GB/T 38146.1－2019[S].北京:中国标准出版社,2019.

[2] 全国汽车标准化技术委员会.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:GB/T 18386.1－2021[S].北京:中国标准出版社,2021.

[3] 环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段):GB 18352－2013[S].北京:中国标准出版社,2013.

[4] 环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.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[S].北京:中国标准出版社,2016.

[5] 王永广,付江涛,李鹏飞,等.WLTC和CLTC循环测试工况对比分析[J].中国汽车,2020(11):14-21.

[6] 雷利刚,孙龙,高剑,等.纯电动汽车WLTC循环缩短法续驶里程测试方法[C]//中国汽车工程学会.2020中国汽车工程学会年会论文集(4).北京:中国汽车工程学会,2020:864-870.

[7] 黄国海,吴颂,黄真,等.浅谈新双积分法规下乘用车降油耗方案研究[J].汽车实用技术,2021,46(8):113-115.

Evaluation and Analysis of Electric Vehicle Battery Capacity Based on CLTC

LIN Hua, TANG Wei, ZHAN Xun

( Yibin Kaiyi Automobile Company Limited, Yibin 644100, China )

The state administration of market supervision and administration jointly standardization administration of(GB/T 38146.1－2019) to meet Chinese special requirements and make the China light-duty vehicle test cycle(CLTC) the only test cycle for the(GB/T 18386.1－2021) standard test range and energy consumption rate.Because of the CLTC cycle test condition, the actual test value is closer to the user's actual use value. In order to effectively match and meet the CLTC cycle conditions, at the early stage of pure electric range development, this paper describes how to accurately evaluate the battery capacity required by the model development through quantitative and qualitative evaluation, so as to lock the selection of three electric power in advance and save the development cycle and reduce the cost.

Electric vehicle; CLTC; Battery capacity; Evaluation and analysis

U469.72

A

1671-7988(2023)19-39-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.008

林华（1989－），男，工程师，研究方向为新能源、混合动力汽车能耗仿真分析及优化、智能驾驶功能测试，E-mail:1260515702@qq.com。