基于CLTC下電動(dòng)汽車電池帶電量的評(píng)估分析

林 華，唐 偉，詹 迅

基于CLTC下電動(dòng)汽車電池帶電量的評(píng)估分析

林 華，唐 偉，詹 迅

（宜賓凱翼汽車有限公司，四川 宜賓 644100）

針對(duì)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布了滿足中國(guó)特殊要求的《中國(guó)汽車行駛工況第一部分：輕型車》（GB/T 38146.1－2019）并將中國(guó)輕型汽車行駛工況（CLTC）作為《電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車》（GB/T 18386.1－2021）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?yán)m(xù)航里程和能量消耗率的唯一試驗(yàn)循環(huán)。因CLTC循環(huán)測(cè)試工況，其實(shí)際工況測(cè)試值同用戶實(shí)際使用值更為貼近。為有效匹配并滿足CLTC循環(huán)工況，在純電動(dòng)續(xù)航里程開發(fā)初期文章闡述了如何通過定量定性準(zhǔn)確的去評(píng)估，車型開發(fā)時(shí)所需要?jiǎng)恿﹄姵貛щ娏繒r(shí)，從而提前鎖定三電選型工作同時(shí)節(jié)約開發(fā)周期降低成本。

電動(dòng)汽車；CLTC；電池電量；評(píng)估分析

前期國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車通過使用新歐洲駕駛周期（New European Driving Cycle, NEDC）循環(huán)測(cè)試工況進(jìn)行續(xù)航里程測(cè)試，由于NEDC測(cè)試工況為穩(wěn)態(tài)循環(huán)，與我國(guó)復(fù)雜多樣的實(shí)際道路相差甚遠(yuǎn)，其實(shí)際工況測(cè)試值同用戶實(shí)際使用值相差較大。對(duì)此，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了滿足中國(guó)特殊要求的《中國(guó)汽車行駛工況第一部分：輕型車》（GB/T 38146.1－2019）[1]，并將中國(guó)汽車行駛工況（China Light-duty Vehicle Test Cycle, CLTC）作為《電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車》（GB/T 18386.1－2021）[2]標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?yán)m(xù)航里程和能量消耗率的唯一試驗(yàn)循環(huán)。

目前，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程及能量消耗率的測(cè)試及評(píng)估方法包括連續(xù)法、等速法（NEDC工況）和常規(guī)法、縮短法（CLTC工況）[3-5]。我國(guó)推出的CLTC工況更符合中國(guó)的實(shí)際情況，并于2021年10月1日起作為純電動(dòng)汽車進(jìn)行續(xù)航里程及能量消耗率試驗(yàn)的唯一工況。本研究將具體介紹在車型開發(fā)前期如何通過定量的方式通過CLTC工況的具體參數(shù)進(jìn)行所需電池帶電量的評(píng)估分析，為前期的動(dòng)力電池帶電量選型提供初步參考，再通過仿真模型AVL Cruise校核，證明該研究的可信度較高。

1 循環(huán)工況簡(jiǎn)介

1.1 NEDC循環(huán)工況

NEDC工況[3]包含Ⅰ部和Ⅱ部共計(jì)時(shí)長(zhǎng)1 180 s，其中，Ⅰ部包含四個(gè)相同的市區(qū)工況，Ⅱ部為市郊及高速工況，如圖1所示，具體工況特征如表1所示。

1.2 CLTC循環(huán)工況

中國(guó)輕型汽車行駛工況（China Light-dutyVehicle Test Cycle-passenger, CLTC-P）包括低速（Ⅰ部）、中速（Ⅱ部）和高速（Ⅲ部）3個(gè)速度區(qū)間，工況時(shí)長(zhǎng)共計(jì)1 800 s，工況曲線如圖2所示，工況特征如表2所示。

圖1 NEDC循環(huán)工況

注：理論里程為11 022 m；平均車速為33.6 km/h。

表1 NEDC工況特征

特征總體Ⅰ部Ⅱ部 運(yùn)行時(shí)間/s1 180780400 里程/km11.24.0526.955 最大速度/(km/h)12050120 平均速度/(km/h) 19.062.6

圖2 CLTC工況

表2 CLTC工況特征

特征總體低速Ⅰ部中速Ⅱ部高速Ⅲ部 運(yùn)行時(shí)間/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 最大減速度/(m/s2)-1.47-1.42-1.47-1.46 平均速度/(km/h)28.9613.0930.6850.9 運(yùn)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 減速段平均減速度/(m/s2)-0.49-0.45-0.5-0.54 相對(duì)正加速度/(m/s2)0.170.140.160.18 加速比例/%28.7822.5530.4535.8 減速比例/%26.4421.5128.4330.95 勻速比例/%22.6720.7721.3627.71 怠速比例/%22.1135.1619.775.54

2 電池電量評(píng)估分析

2.1 電池電量評(píng)估分析基本整車參數(shù)

在評(píng)估電池電量狀態(tài)時(shí)，為提高評(píng)估準(zhǔn)確度，通過編制Excel表格進(jìn)行前期電量選型計(jì)算分析，并確定整車初步模型的參數(shù)，基于電動(dòng)車影響續(xù)航里程的主要參數(shù)如表3所示。

表3 某項(xiàng)目車型整車參數(shù)

項(xiàng)目某車型參數(shù) 整車整備質(zhì)量/kg1 607（預(yù)估） 試驗(yàn)質(zhì)量/kg1 749（預(yù)估） 滿載質(zhì)量/kg1 982（預(yù)估） 長(zhǎng)/mm4 358 寬/mm1 830 高/mm1 670 空氣阻力系數(shù)0.36（預(yù)估） 迎風(fēng)面積/m22.47（預(yù)估） 傳動(dòng)系減速器速比i9.11 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)1.06（經(jīng)驗(yàn)值） 傳動(dòng)系統(tǒng)效率/%90（經(jīng)驗(yàn)值） 輪胎型號(hào)215/60 R17 滾動(dòng)半徑/mm335 滾動(dòng)阻力系數(shù)/‰8(預(yù)估值) 附件附件能耗/行駛能耗/%8（經(jīng)驗(yàn)值） 電池SOC狀態(tài)/%90（經(jīng)驗(yàn)值） 放電效率/%90（經(jīng)驗(yàn)值） 充電機(jī)充電效率/%93（經(jīng)驗(yàn)值） 性能目標(biāo)CLTC續(xù)航里程/km400（暫定）

2.2 數(shù)據(jù)處理方式及定義

加速工況：車輛行駛過程中的加速度大于或等于0.15 m/s2的工況。

減速工況：車輛行駛過程中的加速度小于或等于-0.15 m/s2的工況。

怠速工況：車輛行駛過程中的加速度的絕對(duì)值小于0.15 m/s2，且車輛的行駛速度小于 0.5 km/h的工況。

勻速工況：車輛行駛過程中的加速度的絕對(duì)值小于0.15 m/s2，且車輛的行駛速度大于或等于0.5 km/h的工況。

平均速度：車輛行駛過程中所有工況速度的平均值。

運(yùn)行平均速度：車輛行駛過程中非怠速工況的平均值。

加速段平均加速度：車輛行駛過程中的所有加速工況的平均加速度。

減速段平均減速度：車輛行駛過程中的所有減速工況的平均減速度。

2.3 CLTC工況拆分

CLTC工況曲線加減速為非線性的均勻加減速，故將其數(shù)值以章節(jié)2.2的方式進(jìn)行特殊處理，并將循環(huán)工況拆分為近似的勻速工況和加速工況，用以模擬對(duì)應(yīng)的能量消耗，從而實(shí)現(xiàn)整車的能耗需求以達(dá)到評(píng)估電池帶電量。依據(jù)整車行駛原理，將整個(gè)CLTC循環(huán)中的電池能量用于克服各種阻力做功（勻速工況主要克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力做功；加速工況主要克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力做功）以及附件用電器的耗散。本研究主要用于初步評(píng)估電池帶電量，故只考慮阻力做功帶來的能量耗散方式，評(píng)估后再進(jìn)行電池電量的預(yù)留，根據(jù)各用電器功率（娛樂大屏、電機(jī)水泵、風(fēng)扇等），通過能量守恒原理計(jì)算電池的能量消耗，從而確定電池的初步選型。電池電量初步選型確定后，將電池、電機(jī)及整車參數(shù)通過AVL Cruise軟件進(jìn)行正向模擬仿真，評(píng)估初選電池電量是否滿足車型開發(fā)的需求，做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以滿足目標(biāo)需求。

2.3.1電池能耗評(píng)估分析

在CLTC循環(huán)工況下，勻速工況指車輛行駛過程中的加速度的絕對(duì)值小于0.15 m/s2，車輛的行駛速度大于或等于0.5 km/h的工況。此工況下將整車需要克服的阻力做功近似分為汽車滾動(dòng)阻力做功與空氣阻力做功。

汽車克服滾動(dòng)阻力做功：

式中，′為試驗(yàn)質(zhì)量；為滾動(dòng)阻尼系數(shù)；為勻速行駛車速；為行駛時(shí)間；1為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

汽車克服空氣阻力做功：

式中，d為空氣阻力系數(shù)；為汽車迎風(fēng)面積；為勻速行駛車速；為行駛時(shí)間；1為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

綜上，可評(píng)估出整車基于勻速階段工況下克服整車阻力做功為

=f+r（3）

勻速工況下的總能耗為

在CLTC循環(huán)工況下，加速工況指車輛行駛過程中的加速度大于或等于0.15 m/s2。本研究將加速段工況依據(jù)章節(jié)2.2的定義近似處理為勻加速工況，故此工況下將整車需要克服的阻力做功近似分為汽車滾動(dòng)阻力做功、空氣阻力做功和加速阻力做功三部分，其近似理論計(jì)算如式（5）－式（12）所示。

克服滾動(dòng)阻力做功：

式中，0為加速階段初速度；為加速時(shí)間；為加速時(shí)間內(nèi)的平均加速度；為滾動(dòng)阻尼系數(shù)；′為試驗(yàn)質(zhì)量；1為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

克服空氣阻力做功：

式中，0為加速階段初速度；為加速時(shí)間；為加速時(shí)間內(nèi)的平均加速度；d為空氣阻力系數(shù)；為汽車迎風(fēng)面積；1為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

克服加速阻力做功：

式中，0為加速階段初速度；為加速時(shí)間；為加速時(shí)間內(nèi)的平均加速度；′為試驗(yàn)質(zhì)量；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；1為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

基于綜上加速階段進(jìn)行的能量理論轉(zhuǎn)化，可以根據(jù)式（5）－式（7）等效計(jì)算出整車克服整車阻力做功：

=f+r+A（8）

加速工況下的總能耗為

因此，在整個(gè)CLTC的進(jìn)程中，將勻速工況和加速工況下對(duì)能量消耗匯總后即可近似地處理為整個(gè)CLTC工況下的能量消耗量，再通過目標(biāo)續(xù)航里程及單工況行駛里程計(jì)算車型開發(fā)動(dòng)力電池的需求電量。

單工況需求電量：

1=總+總（10）

動(dòng)力電池需求電量2為理論最低電量：

式中，為CLTC續(xù)航里程；為單工況行駛里程。

但動(dòng)力電池在實(shí)際放電過程中需要考慮附件能耗、放電深度及放電效率等，在評(píng)估分析時(shí)需要額外增加效率得到電池包需求電量3為

式中，2為電池放電深度；3為電池放電效率；4為附件功耗消耗率[6]。

2.4 動(dòng)力電池電量評(píng)估計(jì)算

為了用CLTC工況簡(jiǎn)化快捷地處理各個(gè)速度段的能量消耗，將整個(gè)CLTC工況耗能部分按照章節(jié)2.3進(jìn)行能耗處理。為快速計(jì)算出各個(gè)工況下的能耗值，利用Excel工具根據(jù)CLTC各時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)編制了一套簡(jiǎn)單可行的能量消耗處理模板。在前期的預(yù)研電動(dòng)車電池電量評(píng)估分析中，可以快速準(zhǔn)確地評(píng)估出根據(jù)產(chǎn)品定義需求得出的車型開發(fā)帶電需求。利用該模板可以在10 min內(nèi)進(jìn)行有效的初步數(shù)據(jù)評(píng)估，并作出分析判定。該模板主要包括的整車基本參數(shù)、勻速階段功耗計(jì)算、加速階段功耗計(jì)算、續(xù)航里程動(dòng)力電池電量需求計(jì)算及電網(wǎng)端能量消耗率計(jì)算[7]，如表4所示。

表4 整車計(jì)算參數(shù)輸入

項(xiàng)目參數(shù) 試驗(yàn)質(zhì)量/kg1 707 滾阻系數(shù)/‰8.0（估算值） 風(fēng)阻系數(shù)0.36（估算值） 迎風(fēng)面積/m22.47（估算值） 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)1.06 傳動(dòng)效率/%90（估算值） 電池放電深度/%90（估算值） 電池放電效率/%98（估算值） 附件能耗/行駛能耗/%8（估算值） 充電機(jī)效率/%93（估算值） 單個(gè)工況里程/km14.48

2.4.1勻速工況耗電量計(jì)算

通過章節(jié)2.3的式（1）－式（4）編制Excel表格快速計(jì)算勻速工況下的能量消耗如表5所示。

表5 勻速功耗計(jì)算表

循環(huán)工況低速（Ⅰ部）中速Ⅱ部高速Ⅲ部 初速度/(km/h)22.06……9.3……113…… 持續(xù)時(shí)間/s3……24……10…… 克服整車阻力的功/J3 453……2 896……3 441.2…… 勻速工況總功耗/J9 654 勻速工況總能耗/kWh0.308

2.4.2加速工況耗電量計(jì)算

通過章節(jié)2.3的式（5）－式（9）編制Excel表格快速計(jì)算加速工況下的能量消耗如表6所示。

表6 加速工況功耗計(jì)算表

循環(huán)工況低速（Ⅰ部）中速Ⅱ部高速Ⅲ部 初速度/(km/h)0……0……0…… 加速時(shí)間/s10……16……14…… 加速度/(m/s2)0.58……0.28……0.45…… 克服滾動(dòng)阻力的功/J1 197.85……1 480.378……1 821.559…… 克服空氣阻力的功/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…… 克服整車阻力的功/J10 597.53……7 089.332……12 915.61…… 加速工況總功耗/J4 656 934 加速工況總能耗/kWh1.293 593

2.4.3近似工況耗電量計(jì)算

通過章節(jié)2.3的式（8）、式（10）－式（12）編制Excel表格快速計(jì)算CLTC工況下的能量消耗如表7所示。

表7 工況能耗消耗

項(xiàng)目參數(shù) 單個(gè)工況的行駛能耗/kWh1.566 437 707 續(xù)駛里程/km400 可行駛的工況數(shù)量28 動(dòng)力電池實(shí)際使用能量/kWh43.3 動(dòng)力電池需求能量/kWh53.3

2.4.4電網(wǎng)端耗電量計(jì)算

依據(jù)充電機(jī)的效率機(jī)及章節(jié)2.4.3中CLTC整體能耗，計(jì)算電網(wǎng)端能量輸入狀態(tài)如式（13）所示。

電網(wǎng)端能量需求：

式中，為電網(wǎng)端獲取能耗；3為式（12）計(jì)算的動(dòng)力電池電量；5為充電機(jī)效率。

3 純電動(dòng)模型校核分析計(jì)算

通過編制簡(jiǎn)化的Excel表格，在初步選定動(dòng)力電池帶電量后，將整車基本參數(shù)、電機(jī)參數(shù)及廠家電池包參數(shù)（充放電效率等）輸入AVL Cruise模型進(jìn)行里程值能力校核，如圖3所示。校核過程通過不斷的選型優(yōu)化整車、電機(jī)、電池及控制策略參數(shù)分析評(píng)估所帶電池電量是否滿足車型開發(fā)需求，仿真模型及參數(shù)狀態(tài)情況如圖4所示。

圖3 電池參數(shù)需求圖

圖4 仿真分析模型

通過AVL Cruise模型輸入表3、表4、圖4參數(shù)，通過CLTC工況計(jì)算百公里電耗，校核電量對(duì)應(yīng)續(xù)航里程滿足前期選型電池電量需求，如圖5計(jì)算能量流動(dòng)圖及圖6計(jì)算結(jié)果所示，通過比較計(jì)算校核，該方法評(píng)估電池電量方法可靠實(shí)用，并滿足項(xiàng)目整車?yán)m(xù)航能耗開發(fā)。

圖5 計(jì)算能量流動(dòng)圖

圖6 計(jì)算結(jié)果圖

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)CLTC工況數(shù)據(jù)處理編制Excel表格，極大地簡(jiǎn)化車型前期開發(fā)對(duì)動(dòng)力電池帶電量的分析評(píng)估，并初步評(píng)估分析出車型目標(biāo)開發(fā)所需的動(dòng)力電池帶電量，為項(xiàng)目預(yù)研做好充足準(zhǔn)備。同時(shí)，也為后期通過仿真軟件（如AVL Cruise）進(jìn)一步詳細(xì)優(yōu)化做鋪墊，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估開發(fā)新能源電動(dòng)車所需動(dòng)力電池帶電量，對(duì)節(jié)約開發(fā)周期和成本有重要意義。

[1] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).中國(guó)汽車行駛工況第1部分:輕型汽:GB/T 38146.1－2019[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2019.

[2] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分:輕型汽車:GB/T 18386.1－2021[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2021.

[3] 環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段):GB 18352－2013[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[4] 環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.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[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2016.

[5] 王永廣,付江濤,李鵬飛,等.WLTC和CLTC循環(huán)測(cè)試工況對(duì)比分析[J].中國(guó)汽車,2020(11):14-21.

[6] 雷利剛,孫龍,高劍,等.純電動(dòng)汽車WLTC循環(huán)縮短法續(xù)駛里程測(cè)試方法[C]//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).2020中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集(4).北京:中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì),2020:864-870.

[7] 黃國(guó)海,吳頌,黃真,等.淺談新雙積分法規(guī)下乘用車降油耗方案研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),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

林華（1989－），男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉?、混合?dòng)力汽車能耗仿真分析及優(yōu)化、智能駕駛功能測(cè)試，E-mail:1260515702@qq.com。