基于中國工況的純電動乘用車續駛里程評價方法研究*

劉志超，鄭天雷，龔慧明，保 翔，紀夢雪

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.能源基金會，北京 100004）

前言

我國汽車行業在持續快速發展的同時，也帶來能源緊張和環境污染問題。加快培育和發展節能與新能源汽車是推動汽車產業可持續發展的緊迫任務［1-2］。國家層面工信部、發改委及科技部三部委聯合發布的《汽車產業中長期發展規劃》，對2020年之后我國節能與新能源汽車的發展目標提出了明確要求。“雙積分政策”及國家第五階段燃料消耗量標準［3］進一步鼓勵和推動了新能源汽車產業發展。

2019年，我國新能源汽車產銷量分別達到了124.2萬輛和120.6萬輛，其中純電動汽車產銷量分別為102萬輛和97.2萬輛（乘用車占比近86%），占據了絕對的主導地位。在國家產業政策及相關標準法規的引導下，純電動汽車市場將會進一步發展壯大［4-5］，而續駛里程作為純電動汽車最為關鍵的指標，如何科學評價顯得尤為重要。

與傳統燃油車不同，受限于充電時間長和充電設施不完善等因素，存在特有的里程焦慮問題［6-9］，續駛里程是消費者進行車型選購時最關注的指標之一［10-11］。目前純電動汽車續駛里程指標按照國家標準GB∕T 18386—2017《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》測試得到。該標準實施至今滿足了純電動汽車續駛里程的評價需求，但隨著產業發展和技術進步，標準規定的測試流程、評價方法等已不能完全適用，須進行必要的修訂完善。

本文中針對純電動汽車中體量最大的乘用車型開展研究，通過對國家標準GB∕T 18386—2017的分析，明確標準中存在的核心問題并研究相應的解決方案，針對方案中關鍵參數的確定開展試驗驗證，確定優化后的試驗流程能否在提升試驗效率的基礎上，客觀、全面地評價車輛的綜合續航能力。

1 國家標準現狀及問題分析

對于純電動乘用車續駛里程評價方法，國家標準GB∕T 18386—2017中規定［12］：對車輛進行初始等速放電，速度設置為GB∕T 18385—2005［13］中規定的0.5 h最高車速的（70±5）%，當車速不能達到0.5 h最高車速的65%或行駛達到100 km時，停止放電；進行常規充電直至可充電儲能系統（rechargeable energy storage system，REESS）充滿；按照新歐洲駕駛循環（new European driving cycle，NEDC）進行工況試驗（如圖1所示），連續進行試驗，每6個循環可浸車一次，當車輛不能滿足規定的公差要求時，試驗結束；試驗結束后可適當浸車，浸車時間小于2 h；最后對車輛進行充電，充電方法與試驗前一致。試驗流程如圖2所示，續駛里程為試驗開始直至試驗結束車輛在轉鼓上行駛的里程［12］。

GB∕T 18386—2017參 考 國 際 標 準ISO 8714：2002［14］和聯合國歐洲經濟委員會法規ECE R101—03：2013［15］的相關內容制定完成，對我國純電動汽車續駛里程的評價起到了非常重要的支撐作用。但隨著技術的發展和測試水平的不斷進步，標準存在的問題也愈加凸顯，主要體現在以下3個方面。

圖1 NEDC試驗循環曲線

圖2 續駛里程試驗流程示意圖

（1）NEDC不適用試驗循環：NEDC最早由歐洲提出，所表征的道路特征與我國存在顯著差異，依據該循環測試得到的續駛里程與車輛實際里程差別較大。

（2）試驗效率低：由于試驗循環平均車速較低，按照試驗循環連續進行試驗，試驗時間過長。經調研國內相關檢驗機構了解到，目前完成一款車型的續駛里程試驗大致需要兩天時間，過長的試驗時間將增加試驗過程中的不確定性，甚至出現試驗無效的可能。

（3）續駛里程計算方法不完善：試驗循環由低到高的速度片段順序是人為排列的，實際中并沒有這種規律，由于不同車速的功率需求不同，車輛跟蹤各速度片段的難易程度也會不同，若將試驗循環的順序進行調整，則續駛里程試驗的結束點將會不一樣，續駛里程也將發生變化。

2 評價方法的優化方案

2.1 試驗循環

2015年“中國工況”項目啟動，歷經3年完成研究工作。依據該項目成果制定形成國家標準GB∕T 38146.1—2019《中國汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》。其中與本文中分析的乘用車型對應為中國乘用車行駛工況（China light?duty vehicle test cycle for passenger car，CLTC?P）［16］，循環曲線如圖3所示。

圖3 CLTC?P試驗循環曲線

結合圖1和圖3可知，NEDC是穩態工況，CLTC?P是瞬態工況。穩態工況主要受限于早期數據采集的難度及工況合成方法不成熟。隨著測試技術的發展和理論的完善，穩態工況逐漸被瞬態工況替代，目前包含歐、美、日等在內的國際主流標準法規均已完成瞬態工況導入。CLTC?P與NEDC特征參數對比見表1。

表1 CLTC?P與NEDC特征參數對比

由表1可知，與NEDC相比，CLTC?P的平均速度（含怠速階段）和運行平均速度均有一定降低，平均加速度和平均減速度也有一定下降，體現出我國實際路況更為擁堵；加速和減速比例大幅增加，勻速比例大幅降低，怠速比例相當，反映出車輛的速度變化更為頻繁，路況更加惡劣。

GB∕T 38146.1—2019在制定過程中采集了超過3 000萬km的實際行駛數據。由表1可知，CLTC?P與實際采集數據差異很小，而NEDC與實際采集數據差異顯著，CLTC?P更能表征國內實際道路情況。依據CLTC?P測得的續駛里程結果更能反映車輛的實際情況，因此下一階段純電動車型續駛里程的測試應依據CLTC?P進行。

2.2 試驗流程

2.2.1 試驗流程的簡化

按照試驗循環逐次進行試驗的方式（以下稱為“常規工況法”）試驗時間過長。圖4為某款車型按照CLTC?P進行試驗時各循環的能量消耗量情況。從循環數量上可知，該車型整個試驗過程共運行近27個循環，每個循環的時長為0.5 h；在不考慮其他因素的情況下，整個試驗的凈時長近13.5 h，試驗效率低。

圖4 某車型各試驗循環的能量消耗量

結合圖4可知，該車型第1個循環能量消耗量最高，但從第2個循環開始直至第26個循環，能量消耗量基本穩定在158.7~165.5 W·h∕km之間，平均值為161.3 W·h∕km，變化幅度非常小，因此可以采用減少試驗循環數量的方式進行簡化。由于車輛在滿電條件下制動能量回收未開啟或未完全開啟，致使試驗前幾個循環的能量消耗量偏高（體現為圖4所示車型的第1個循環），之后才逐步趨于穩定，因此需研究車輛的能量消耗量經歷多少個循環后趨于穩定。簡化的總體思路是將穩定后的多個循環以有限的幾個循環為代表，剩余的部分通過高速放電的方式實現快速試驗。

圖5 為8款車型前幾個循環的能量消耗量情況?？梢钥闯觯旱?~6款車型僅第1個循環的能量消耗量較高，第2個循環起便較為穩定；而7、8款車型從第3個循環起能量消耗量才趨于穩定，前2個循環均較高。因此，為兼顧所有車型的實際情況，在進行測試時應首先進行2個試驗循環，從第3個循環開始簡化。

圖5 試驗初期循環能量消耗量變動

試驗流程簡化（以下稱為“縮短法”）應在對試驗結果不產生明顯影響前提下，盡可能快速地完成試驗。基于此，在結合國際主流標準法規的基礎上規定縮短法的試驗流程：按照汽車生產企業的建議對車輛進行初始放電，直到荷電狀態（stage?of?charge，SOC）達到最低值時停止放電；進行常規充電直至REESS充滿；按照CLTC-P進行2個循環的工況試驗，然后以100 km∕h的速度進行等速放電，再按照CLTC?P進行2個循環的工況試驗，最后以100 km∕h的速度進行等速放電直至試驗結束；試驗結束后可適當浸車，浸車時間小于2 h；浸車結束后對車輛進行充電，充電方法與試驗前一致。試驗流程如圖6所示。

結合上述分析及圖6所示內容可知，縮短法試驗前的放電流程更加靈活，試驗構成主要基于以下幾個方面考慮。

圖6 縮短法續駛里程試驗流程示意圖

（1）第1個循環段（DS1）包含2個CLTC?P循環，主要反映車輛在試驗初期，制動能量回收未充分發揮作用的能量消耗量情況。

（2）第1個恒速段（CSSM）和第2個恒速段（CSSE）的車速設置最低為100 km∕h［17］。車速過低一方面不利于試驗的快速完成；另一方面，車速越低，車輛越容易滿足速度要求，試驗截止時間將會越晚，致使放電量增加。由后文中的式（4）和式（7）可知，放電量增加將使續駛里程進一步增加，有可能導致縮短法的續駛里程普遍高于常規工況法，影響縮短法的科學性。

（3）第2個循環段（DS2）主要反映車輛穩定后的能量消耗量水平。由于一個CLTC?P僅為14.48 km，第2個循環段也包含2個CLTC?P循環，以減小循環誤差影響，保障試驗結果精度。同時，第2個循環段結束后，REESS的剩余電量應不超過整個試驗的10%，這樣可大致限定車輛第2個循環段的開始時刻，從而使整個試驗的構成相對固定，避免了不同車型隨意設定4個片段位置的情況。

縮短法續駛里程試驗構成如圖7所示。

圖7 縮短法續駛里程試驗構成

2.2.2 試驗效率的提升

縮短法對試驗效率的提升主要體現在該方法僅進行4個試驗循環，而其余部分以高速形式進行快速放電，減少試驗時間。車輛的放電速率為

式中：ECt為車輛的放電速率，W·h∕h；E C為車輛的能量消耗量，W·h∕km；v為車輛的平均速度，km∕h。

若車輛以100 km∕h的速度放電，能量消耗量相對于循環放電增加水平為η（%），則兩種放電速率的關系為

式中：ECt，cycle為按照試驗循環進行放電時車輛的放電速率，W·h∕h；ECt，100為按照100 km∕h的速度進行放電時車輛的放電速率，W·h∕h；28.96為CLTC?P平均車速，km∕h。

縮短法試驗時長為

式中：tSTP為按照縮短法進行試驗的凈時長，h；2為縮短法4個試驗循環的時長，h；BE R為續駛里程，km。

結合式（3）可得出不同續駛里程和η下試驗時長的降低水平，如圖8所示。

圖8 不同續駛里程和η對試驗時長降低水平的影響

由圖8可知，試驗時長降低水平隨著η增加變化不明顯，而隨著續駛里程增加提升顯著，由此可以得出續駛里程對試驗時長降低水平的影響遠大于η。

以圖4所示車型為例，該車型η為41.86%，帶入式（2）可得其100 km∕h的等速放電速率是循環放電速率的4.90倍。該車型的續駛里程為390.83 km，常規工況法的試驗時長為13.50 h，縮短法的試驗時長按照式（3）計算結果為4.35 h。由此可知，該車型縮短法較常規工況法凈試驗時長減少9.15 h，減少幅度為67.78%，試驗效率顯著提升。由于η對試驗時長降低水平影響較小，取η為圖4所示車型的值，研究不同續駛里程下的試驗時長降低水平，如圖9所示。

圖9 特定η下不同續駛里程車輛縮短法試驗時長

由圖9可知，在圖4所示車型η下，當車輛的續駛里程超過155.78 km時，試驗時長降低水平可達到50%以上；當車輛的續駛里程超過421.78 km時，試驗時長可降低10 h以上。

2.3 計算方法優化

續駛里程的測量按照實驗循環進行，當車輛無法滿足循環速度要求時，測試結束。該方式受試驗循環構成的影響存在一定理論缺陷，需進行優化。優化的整體思路是基于試驗前后REESS的電能變化量和完整試驗循環的能量消耗量，通過計算得出續駛里程。對于常規工況法和縮短法，計算公式不同。

2.3.1 常規工況法

常規工況法的續駛里程為

式中：BER為續駛里程，km；EREESS，CCP為常規工況法試驗前后，REESS的電能變化量，W·h；ECDC為循環能量消耗量，W·h∕km；c為試驗循環序號；n為常規工況法試驗結束后，車輛行駛的完整試驗循環數量，不含試驗結束時未運行完成的試驗循環；ECDC，c為第c個試驗循環的能量消耗量，W·h∕km；Kc為第c個試驗循環的權重系數；ΔEREESS，c為第c個試驗循環REESS的電能變化量，W·h。

式（5）中n不含最后一個未運行完成的試驗循環，保障了能量消耗量是基于完整的試驗循環獲得，從而不受試驗循環結構的影響，試驗結果的客觀性和穩定性更好。式（6）中權重系數的計算考慮了前兩個試驗循環的能量消耗量較大，需要單獨進行計算，兩個循環之后的能量消耗量理應相同，但受試驗操作的影響會在允許誤差范圍內出現小范圍地波動，而從理論上來說各循環的權重系數應相同。

2.3.2 縮短法

縮短法的續駛里程為

式中：EREESS，STP為縮短法試驗前后REESS的電能變化量，W·h；ECDC為循環能量消耗量，W·h∕km；Kc為第c個試驗循環的權重系數。

縮短法的計算與常規工況法大體一致，區別為縮短法僅進行4個試驗循環，同樣對前2個循環的能量消耗量進行區分，后2個循環則代表車輛穩定后的能量消耗量情況，2個循環的權重系數相同。

3 試驗研究

3.1 試驗循環的影響

下一階段，我國純電動乘用車續駛里程的測試將以CLTC?P循環進行，而試驗循環的變化必將影響車輛的能量消耗量和續駛里程結果［18］。圖10為22款車型分別按照NEDC和CLTC?P兩種循環進行試驗的續駛里程結果。

圖10 CLTC?P和NEDC續駛里程對比

由圖10可知，與NEDC相比，車輛在CLTC-P下續駛里程變化范圍為-12.72%~14.75%，其中14款車型增加，8款車型降低，平均增加2.20%。此結果是在常溫、空調等其他耗電部件不開啟條件下的結果，不能完全代表實際使用情況。以考慮空調因素為例，車輛綜合續駛里程為

式中：B ER綜合為考慮空調開啟因素時，車輛的續駛里程，km；B ER為空調不開啟時，車輛的續駛里程，km；λ1為空調不開啟的使用比例；B ER低溫為開啟空調制熱時，車輛的續駛里程，km；λ2為開啟空調制熱的使用比例；B E R高溫為開啟空調制冷時，車輛的續駛里程，km；λ3為開啟空調制冷的使用比例。

根據目前研究結果，開啟空調制熱時續駛里程平均下降37.00%，開啟空調制冷時續駛里程平均下降18.56%［19］，代入式（10）可得

由式（11）可知，B E R綜合必小于B E R，且隨著開啟空調比例的增加，BER綜合下降越顯著，這也是車輛實際里程與測試里程差異的主要原因。

3.2 兩種試驗方法對比

常規工況法作為評價純電動汽車續駛里程最為傳統的方法，在國際范圍內得到了廣泛應用，車輛標稱的續駛里程為按照該方法試驗得到。因此，縮短法能否實現續駛里程的科學評價，關鍵在于依據該方法試驗得到的結果是否與常規工況法大致相同。為此，本文中分別從仿真和試驗兩個方面對常規工況法和縮短法結果進行對比，結果如圖11和圖12所示。

圖11 常規工況法與縮短法仿真結果對比

圖12 常規工況法與縮短法試驗結果對比

由圖11可知，與常規工況法相比，縮短法的續駛里程變化范圍為-1.50%~1.55%，平均增加0.21%，相差幅度很小，理論上驗證了縮短法的可行性。

由圖12可知，與常規工況法相比，縮短法的續

駛里程變化范圍為-1.59%~3.19%，平均增加0.60%，進一步驗證了縮短法的科學性。

3.3 試驗結果的細化

縮短法在科學評價車輛工況續駛里程基礎上，還可計算獲得車輛單獨進行某一速度區間的續駛里程情況，對于CLTC?P則包含了低速、中速和高速3個速度區間。

縮短法的速度區間續駛里程為

式中：BE Rp為速度區間p的續駛里程，km；p為CLTC?P的低速、中速、高速各個速度區間；ECDC，p為速度區間p內的能量消耗量，W·h∕km；j為速度區間的序號，兩個試驗循環段DS1和DS2的速度區間p共計4個；ECDC，p，j為第j個速度區間p的能量消耗量，W·h∕km；Kp，j為第j個速度區間p的權重系數；Kc=j為按照式（9）計算得到的第c個試驗循環的權重系數。

計算前，首先需要確定速度區間p，然后各個參數分別取該速度區間的值進行計算，得到該速度區間的續駛里程。通過式（12）~式（14）可分別計算出車輛在單獨進行低速、中速或高速時的續駛里程結果，即計算結果包含3個值。按照上述計算方法對某車型的續駛里程進行計算，結果如圖13所示。

圖13 不同速度區間及循環的結果對比

由圖13可知，該車型的循環續駛里程為288 km，而低速、中速、高速3個速度區間的續駛里程為350、345和228 km，較循環續駛里程分別增加21.53%、19.79%和-20.83%。

由此可知車輛的續駛里程情況與實際使用場景密切相關，若車輛僅在市區或市郊等速度較低的場景中行駛，則續駛里程通常會比車輛標稱得高；若車輛的使用場景以高速為主，則續駛里程將會大幅度降低。

4 結論

本文中對純電動乘用車續駛里程評價方法開展了系統研究，通過標準分析和試驗驗證，得到以下結論：

（1）GB∕T 18386-2017存在試驗循環不適用、試驗效率低和續駛里程計算方法不完善三方面關鍵性問題；

（2）試驗循環切換為CLTC?P后，綜合22款車型結果顯示，續駛里程較NEDC的變化范圍為-12.72%~14.75%，平均增加2.20%；但考慮開啟空調等因素，車輛的續駛里程大幅降低；

（3）縮短法能夠實現試驗時長大幅降低，同時又能保障得到與常規工況法基本一致的試驗結果，續駛里程平均增加僅為0.60%；

（4）計算方法優化后，試驗結果不再受循環結構的影響，同時能在循環續駛里程的基礎上，同步得到車輛各速度區間的續駛里程情況；不同速度區間結果與循環續駛里程差異顯著，有助于理解實際使用時續駛里程與標稱里程存在差異的原因。