電動(dòng)汽車能耗預(yù)測(cè)與續(xù)駛里程研究

楊文華，馬歡歡，李 岳

電動(dòng)汽車能耗預(yù)測(cè)與續(xù)駛里程研究

楊文華，馬歡歡，李 岳

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

純電動(dòng)汽車的續(xù)航能力與電驅(qū)系統(tǒng)的能耗水平有直接關(guān)系，開展整車能量流分析是提升純電動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必要手段。文章提出依據(jù)整車道路載荷系數(shù)推導(dǎo)出電驅(qū)系統(tǒng)的百公里理論能耗，并測(cè)試對(duì)比不同車型在常溫、高溫、低溫環(huán)境中國(guó)乘用車工況（CLTC-P）下的能耗表現(xiàn)，再根據(jù)理論與實(shí)際的偏差值，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車電驅(qū)系統(tǒng)的能耗水平預(yù)測(cè)；同時(shí)分析了各車型在不同測(cè)試工況下的續(xù)航表現(xiàn)、真實(shí)電量與表顯電量、表顯剩余續(xù)航里程與表顯電量（SOC）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為整車顯示控制策略的優(yōu)化與開發(fā)提供參考。

道路載荷；能耗表現(xiàn)；續(xù)航里程；電動(dòng)汽車；能耗預(yù)測(cè)

隨著能源危機(jī)與燃油車碳排放要求的嚴(yán)格，涌現(xiàn)了越來越多的新能源造車新勢(shì)力，純電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展迎來了新的挑戰(zhàn)。能量流分析研究是了解純電動(dòng)車輛能量利用情況和優(yōu)化車輛經(jīng)濟(jì)性的有效方式[1-3]。目前關(guān)于純電動(dòng)汽車在不同工況下的百公里電耗、續(xù)航剩余里程、電池包剩余電量的表顯值與真實(shí)值等[4-5]方面的研究與實(shí)際測(cè)試較少。

本文根據(jù)《純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程及經(jīng)濟(jì)性測(cè)試規(guī)范》《CCRT—2020管理規(guī)則》測(cè)試了在不同環(huán)境下3款純電動(dòng)車輛的中國(guó)乘用車工況（China Light-duty Vehicle Test Cycle-Passenger, CLTC-P）的續(xù)航表現(xiàn)，根據(jù)各車型實(shí)際百公里電耗測(cè)試結(jié)果，提出了依據(jù)整車道路載荷系數(shù)預(yù)測(cè)車輛電驅(qū)系統(tǒng)百公里能耗方案，并分析了純電動(dòng)車輛電池包在不同工況測(cè)試條件下，表顯續(xù)航里程與電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 整車信息

選取市場(chǎng)上銷量較好、續(xù)航里程較多、具有代表性的純電動(dòng)車型，依據(jù)工信部公布的各車輛信息，收集并統(tǒng)計(jì)如表1所示，其中車型A與車型B的驅(qū)動(dòng)方式為四驅(qū)，車型C的驅(qū)動(dòng)方式為兩驅(qū)；車型A的電池包容量為100 kWh，車型B與車型C的電池包容量為81 kWh；車型A與車型C為國(guó)產(chǎn)車型，車型B為進(jìn)口車型。

表1 車型統(tǒng)計(jì)信息

參數(shù)車型A車型B車型C 整車參數(shù)整備質(zhì)量/kg2 2901 8741 935 最大允許總質(zhì)量/kg2 7802 3002 310 長(zhǎng)×寬×高/mm4 850×1 965×1 7584 694×1 850×1 4434 880×1 896×1 450 最高車速/(km/h)200233170 電機(jī)最大功率/kW320325196 最大扭矩/Nm610527390 驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)/個(gè)221 變速器類型一擋一擋一擋 電池類型三元鋰三元鋰三元鋰 容量/Ah280225228 額定電壓/V358360352

2 測(cè)試方案

本次試驗(yàn)的車型均滿足《中國(guó)汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》相關(guān)規(guī)定，測(cè)試工況為中國(guó)乘用車行駛工況CLTC-P連續(xù)法。按照《純電動(dòng)汽車能耗和續(xù)駛里程測(cè)試規(guī)范》開展電動(dòng)汽車能量管理測(cè)試，車輛測(cè)試環(huán)境分別為常溫、高溫、低溫，分析各車型在不同測(cè)試工況下的能量消耗情況，實(shí)時(shí)記錄每個(gè)工況后的表顯電量、續(xù)駛里程情況，其中試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)志為車輛車速跟不上工況曲線。試驗(yàn)步驟如下：

（1）實(shí)車梳理各車型的整車高低壓架構(gòu)特點(diǎn)，為傳感器測(cè)點(diǎn)布置提供依據(jù)；

（2）依據(jù)車輛各高、低壓部件的能耗特性布置合適的測(cè)試設(shè)備，如電流傳感器精度、量程等；

（3）結(jié)合整車狀態(tài)信號(hào)與功率分析設(shè)備采集的電信號(hào)進(jìn)行能量分析，如圖1與圖2所示。

圖1 功率分析儀DEME2-M7S

圖2 總線信號(hào)與數(shù)采數(shù)據(jù)融合

2.1 設(shè)備信息

純電動(dòng)車型工況測(cè)試過程中，能耗測(cè)試相關(guān)設(shè)備如表2所示，所列的信息包含設(shè)備名稱、型號(hào)、數(shù)據(jù)采集精度及用途。

表2 測(cè)試設(shè)備信息

設(shè)備名稱型號(hào)精度用途 底盤測(cè)功機(jī)RoadSim4S-Compact 4WD扭矩測(cè)量精度：0.11%fs轉(zhuǎn)速測(cè)量精度：<0.1%（<2km/h）<0.01%（>2km/h）監(jiān)測(cè)車輛速度、加速度等 功率分析儀DEME2-M7S電壓直采精度：0.02%電流來自于外部輸入采集電流、電壓；計(jì)算功率、能量 CANoeVN7640 采集整車狀態(tài)信號(hào) 電流鉗CT6844±0.3%rdg. ±0.05% f.s.監(jiān)測(cè)電流（500 A） 電流鉗CT6843±0.3%rdg. ±0.05% f.s.監(jiān)測(cè)電流（200 A） 電流鉗CT6841±0.3%rdg. ±0.05% f.s.監(jiān)測(cè)電流（20 A）

2.2 測(cè)試工況

各車型在不同溫度環(huán)境下進(jìn)行CLTC-P工況連續(xù)測(cè)試。在工況測(cè)試過程中，車輛在底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行，通過設(shè)定環(huán)境倉(cāng)參數(shù)模擬測(cè)試環(huán)境；車輛狀態(tài)設(shè)置均為能量回饋的最強(qiáng)模式，儀表亮度調(diào)整到最暗，測(cè)試工況與車輛狀態(tài)設(shè)置如表3所示。

表3 測(cè)試工況與車輛狀態(tài)設(shè)置

測(cè)試環(huán)境環(huán)境倉(cāng)參數(shù)設(shè)置測(cè)試工況車輛狀態(tài)設(shè)置 駕駛模式儀表亮度空調(diào)狀態(tài) 常溫溫度（25±3）℃；鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速隨車速CLTC-P連續(xù)法經(jīng)濟(jì)最暗關(guān)閉 高溫溫度（35±3）℃；陽光模擬器光照強(qiáng)度為850±45 W/m2；鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速隨車速經(jīng)濟(jì)最暗空調(diào)制冷，吹面內(nèi)循環(huán)，車內(nèi)平均溫度保持在23℃～25℃之間 低溫溫度（-7±3）℃；鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速隨車速經(jīng)濟(jì)最暗空調(diào)制暖，車內(nèi)平均溫度保持在20℃～22℃之間，吹腳外循環(huán)

3 結(jié)果分析

3.1 道路載荷系數(shù)與電驅(qū)系統(tǒng)百公里能耗分析

3.1.1道路載荷理論百公里耗能

依據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（GB 18352.6—2016）的規(guī)定對(duì)車輛進(jìn)行道路載荷測(cè)定。道路載荷阻與速度關(guān)系如式（1）所示：

阻=A+B+C2（1）

道路載荷消耗的機(jī)械能阻表達(dá)式為

d=d（3）

由式（1）、（2）、（3）進(jìn)而推導(dǎo)出：

式中，阻的單位為J；的單位為km/h。

所以，當(dāng)車輛以速度行駛時(shí)，每百公里的機(jī)械阻力能耗為

式中，的單位為kWh/100 km。

將CLTC-P工況車速曲線帶入公式，可知：

式（6）描述了車輛在CLTC工況下，道路載荷行駛百公里理論消耗能量。

3.1.2車輛百公里凈電耗與電驅(qū)百公里凈電耗計(jì)算

根據(jù)CANoe采集的高壓信號(hào)及功率分析儀實(shí)測(cè)的電流信號(hào)對(duì)高壓系統(tǒng)的各部件進(jìn)行功率，能量的計(jì)算。電池包電流與電驅(qū)系統(tǒng)電流的正負(fù)分為驅(qū)動(dòng)階段和制動(dòng)回收階段，分別計(jì)算為

驅(qū)動(dòng)階段：

電池包放電量為

（7）

電驅(qū)系統(tǒng)耗電量為

（8）

制動(dòng)回收階段：

電池包回收電量為

（9）

電驅(qū)系統(tǒng)回收電量：

（10）

式中，I—與電驅(qū)—為負(fù)值，所以E—與電驅(qū)—計(jì)算結(jié)果也為負(fù)值。

按照《EV-TEST電動(dòng)汽車測(cè)評(píng)管理規(guī)則》的規(guī)定，測(cè)試期間電池包凈放電量與續(xù)航里程的比值計(jì)算出每公里消耗電能，再乘以100得百公里耗電量。

整車百公里凈耗電量為

（11）

電驅(qū)系統(tǒng)百公里凈耗電量為

（12）

式中，C整車與C電驅(qū)的單位為kWh/100 km。

3.1.3理論與實(shí)際分析

在工況循環(huán)中，車輛百公里凈電耗、電驅(qū)百公里電耗、道路載荷理論百公里電耗及偏差值如表4所示，其中百公里電耗單位為kWh/100km。另外，根據(jù)國(guó)六排放法規(guī)對(duì)低溫工況下，底盤測(cè)功機(jī)加載載荷乘以1.1倍的規(guī)定，所以計(jì)算低溫工況偏差時(shí)，理論值需要乘以1.1倍。

表4 不同環(huán)境下電驅(qū)系統(tǒng)理論與實(shí)際百公里電耗及偏差

常溫工況高溫工況低溫工況電驅(qū)百公里電耗理論與實(shí)際偏差 車型百公里凈電耗電驅(qū)百公里電耗百公里凈電耗電驅(qū)百公里電耗百公里凈電耗電驅(qū)百公里電耗載荷百公里理論電耗常溫工況偏差/%高溫工況偏差/%低溫工況偏差/% 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

由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，高溫工況下電驅(qū)系統(tǒng)百公里耗電與道路載荷理論耗電的偏差最小，低溫偏差最大；整車凈能耗比電驅(qū)系統(tǒng)能耗的差值趨勢(shì)：低溫工況>高溫工況>常溫工況，差值大小與整車其他高低部件能耗相關(guān)。

依據(jù)表4數(shù)據(jù)顯示的規(guī)律，采用道路載荷系數(shù)對(duì)純電動(dòng)汽車在CLTC-P工況下的電驅(qū)系統(tǒng)百公里能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)：

常溫工況電驅(qū)能耗=理論值×1.38；

高溫工況電驅(qū)能耗=理論值×1.28；

低溫工況電驅(qū)能耗=理論值×1.60。

3.2 工況循環(huán)中真實(shí)SOC與顯示SOC分析

通過實(shí)時(shí)記錄不同環(huán)境下每個(gè)CLTC工況結(jié)束后的表顯電池包電量（State of Charge, SOC）與CANoe采集的真實(shí)SOC值，統(tǒng)計(jì)平均單個(gè)工況SOC減小平均值的表顯與真實(shí)值如表5所示，工況循環(huán)結(jié)束后剩余SOC如表6所示。

表5 單個(gè)工況SOC減少平均值（%）

單個(gè)工況SOC減少平均值(%) 車型A車型B車型C 表顯真實(shí)表顯真實(shí)表顯真實(shí) 常溫工況2.542.312.762.642.452.24 高溫工況2.872.633.703.523.443.16 低溫工況3.943.545.214.914.603.90

表6 工況循環(huán)結(jié)束后剩余SOC（%）

工況循環(huán)結(jié)束后剩余SOC(%) 車型A車型B車型C 表顯真實(shí)表顯真實(shí)表顯真實(shí) 常溫工況0.003.001.501.704.705.10 高溫工況0.003.502.002.305.305.50 低溫工況5.5010.05.606.304.4010.60

由表5可知，各車型在不同環(huán)境下的單個(gè)工況SOC減小值真實(shí)低于表顯；各車型的常溫、高溫工況下，真實(shí)值與表顯值的偏差均小于低溫工況；各車型的工況SOC變化值低溫工況>高溫工況>常溫工況。

由表6可知，各車型在不同環(huán)境下的工況循環(huán)結(jié)束后表顯SOC小于真實(shí)SOC；各車型的常溫、高溫工況循環(huán)結(jié)束后，真實(shí)值與表顯值的偏差均小于低溫工況；各車型工況循環(huán)結(jié)束后的剩余電量值低溫工況>高溫工況>常溫工況，同時(shí)也說明了電池包放電能力需要合適的環(huán)境溫度[6]。

3.3 車輛表顯續(xù)航里程與電量分析

各車型在不同環(huán)境下工況循環(huán)記錄的續(xù)航里程實(shí)測(cè)值，如圖3所示，常溫續(xù)航最高，高溫續(xù)航次之，低溫續(xù)航最小。

純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程與電池包剩余電量SOC存在一定的比例關(guān)系[4]，如表達(dá)式（13），式中反映了車輛每消耗1%的電能所行駛里程數(shù)，與整車?yán)m(xù)航控制策略相關(guān)。

通過計(jì)算各車型的表顯續(xù)航里程與其對(duì)應(yīng)表顯SOC的比值曲線結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 車型A表顯續(xù)航里程與SOC比值

圖5 車型B表顯續(xù)航里程與SOC比值

圖6 車型C表顯續(xù)航里程與SOC比值

4 結(jié)論

本文基于能量流分析對(duì)電動(dòng)汽車整車能耗、電驅(qū)系統(tǒng)能耗進(jìn)行測(cè)試，并依據(jù)道路載荷對(duì)理論能耗進(jìn)行了推導(dǎo)，對(duì)比實(shí)際電驅(qū)能耗與理論能耗的偏差，為能耗預(yù)測(cè)提供理論和數(shù)據(jù)依據(jù)；結(jié)合各車型的表顯續(xù)航里程與表顯電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為車輛儀表顯示策略提供了參考。

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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

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.006

楊文華（1991—），男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚋y(cè)試標(biāo)定工作，E-mail:ywh_ciiccatarc@163.com。