電動汽車能耗預測與續駛里程研究

楊文華，馬歡歡，李 岳

電動汽車能耗預測與續駛里程研究

楊文華，馬歡歡，李 岳

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

純電動汽車的續航能力與電驅系統的能耗水平有直接關系，開展整車能量流分析是提升純電動技術發展的必要手段。文章提出依據整車道路載荷系數推導出電驅系統的百公里理論能耗，并測試對比不同車型在常溫、高溫、低溫環境中國乘用車工況（CLTC-P）下的能耗表現，再根據理論與實際的偏差值，實現對整車電驅系統的能耗水平預測；同時分析了各車型在不同測試工況下的續航表現、真實電量與表顯電量、表顯剩余續航里程與表顯電量（SOC）的對應關系，為整車顯示控制策略的優化與開發提供參考。

道路載荷；能耗表現；續航里程；電動汽車；能耗預測

隨著能源危機與燃油車碳排放要求的嚴格，涌現了越來越多的新能源造車新勢力，純電動汽車技術的發展迎來了新的挑戰。能量流分析研究是了解純電動車輛能量利用情況和優化車輛經濟性的有效方式[1-3]。目前關于純電動汽車在不同工況下的百公里電耗、續航剩余里程、電池包剩余電量的表顯值與真實值等[4-5]方面的研究與實際測試較少。

本文根據《純電動汽車續駛里程及經濟性測試規范》《CCRT—2020管理規則》測試了在不同環境下3款純電動車輛的中國乘用車工況（China Light-duty Vehicle Test Cycle-Passenger, CLTC-P）的續航表現，根據各車型實際百公里電耗測試結果，提出了依據整車道路載荷系數預測車輛電驅系統百公里能耗方案，并分析了純電動車輛電池包在不同工況測試條件下，表顯續航里程與電量的對應關系。

1 整車信息

選取市場上銷量較好、續航里程較多、具有代表性的純電動車型，依據工信部公布的各車輛信息，收集并統計如表1所示，其中車型A與車型B的驅動方式為四驅，車型C的驅動方式為兩驅；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為國產車型，車型B為進口車型。

表1 車型統計信息

參數車型A車型B車型C 整車參數整備質量/kg2 2901 8741 935 最大允許總質量/kg2 7802 3002 310 長×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 電機最大功率/kW320325196 最大扭矩/Nm610527390 驅動電機數/個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 測試方案

本次試驗的車型均滿足《中國汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》相關規定，測試工況為中國乘用車行駛工況CLTC-P連續法。按照《純電動汽車能耗和續駛里程測試規范》開展電動汽車能量管理測試，車輛測試環境分別為常溫、高溫、低溫，分析各車型在不同測試工況下的能量消耗情況，實時記錄每個工況后的表顯電量、續駛里程情況，其中試驗結束的標志為車輛車速跟不上工況曲線。試驗步驟如下：

（1）實車梳理各車型的整車高低壓架構特點，為傳感器測點布置提供依據；

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

（3）結合整車狀態信號與功率分析設備采集的電信號進行能量分析，如圖1與圖2所示。

圖1 功率分析儀DEME2-M7S

圖2 總線信號與數采數據融合

2.1 設備信息

純電動車型工況測試過程中，能耗測試相關設備如表2所示，所列的信息包含設備名稱、型號、數據采集精度及用途。

表2 測試設備信息

設備名稱型號精度用途 底盤測功機RoadSim4S-Compact 4WD扭矩測量精度：0.11%fs轉速測量精度：<0.1%（<2km/h）<0.01%（>2km/h）監測車輛速度、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；計算功率、能量 CANoeVN7640 采集整車狀態信號 電流鉗CT6844±0.3%rdg. ±0.05% f.s.監測電流（500 A） 電流鉗CT6843±0.3%rdg. ±0.05% f.s.監測電流（200 A） 電流鉗CT6841±0.3%rdg. ±0.05% f.s.監測電流（20 A）

2.2 測試工況

各車型在不同溫度環境下進行CLTC-P工況連續測試。在工況測試過程中，車輛在底盤測功機上運行，通過設定環境倉參數模擬測試環境；車輛狀態設置均為能量回饋的最強模式，儀表亮度調整到最暗，測試工況與車輛狀態設置如表3所示。

表3 測試工況與車輛狀態設置

測試環境環境倉參數設置測試工況車輛狀態設置 駕駛模式儀表亮度空調狀態 常溫溫度（25±3）℃；鼓風機風速隨車速CLTC-P連續法經濟最暗關閉 高溫溫度（35±3）℃；陽光模擬器光照強度為850±45 W/m2；鼓風機風速隨車速經濟最暗空調制冷，吹面內循環，車內平均溫度保持在23℃～25℃之間 低溫溫度（-7±3）℃；鼓風機風速隨車速經濟最暗空調制暖，車內平均溫度保持在20℃～22℃之間，吹腳外循環

3 結果分析

3.1 道路載荷系數與電驅系統百公里能耗分析

3.1.1道路載荷理論百公里耗能

依據《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 18352.6—2016）的規定對車輛進行道路載荷測定。道路載荷阻與速度關系如式（1）所示：

阻=A+B+C2（1）

道路載荷消耗的機械能阻表達式為

d=d（3）

由式（1）、（2）、（3）進而推導出：

式中，阻的單位為J；的單位為km/h。

所以，當車輛以速度行駛時，每百公里的機械阻力能耗為

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百公里凈電耗計算

根據CANoe采集的高壓信號及功率分析儀實測的電流信號對高壓系統的各部件進行功率，能量的計算。電池包電流與電驅系統電流的正負分為驅動階段和制動回收階段，分別計算為

驅動階段：

電池包放電量為

（7）

電驅系統耗電量為

（8）

制動回收階段：

電池包回收電量為

（9）

電驅系統回收電量：

（10）

式中，I—與電驅—為負值，所以E—與電驅—計算結果也為負值。

按照《EV-TEST電動汽車測評管理規則》的規定，測試期間電池包凈放電量與續航里程的比值計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）

電驅系統百公里凈耗電量為

（12）

式中，C整車與C電驅的單位為kWh/100 km。

3.1.3理論與實際分析

在工況循環中，車輛百公里凈電耗、電驅百公里電耗、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，根據國六排放法規對低溫工況下，底盤測功機加載載荷乘以1.1倍的規定，所以計算低溫工況偏差時，理論值需要乘以1.1倍。

表4 不同環境下電驅系統理論與實際百公里電耗及偏差

常溫工況高溫工況低溫工況電驅百公里電耗理論與實際偏差 車型百公里凈電耗電驅百公里電耗百公里凈電耗電驅百公里電耗百公里凈電耗電驅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

由實測結果可知，高溫工況下電驅系統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；整車凈能耗比電驅系統能耗的差值趨勢：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。

依據表4數據顯示的規律，采用道路載荷系數對純電動汽車在CLTC-P工況下的電驅系統百公里能耗進行預測：

常溫工況電驅能耗=理論值×1.38；

高溫工況電驅能耗=理論值×1.28；

低溫工況電驅能耗=理論值×1.60。

3.2 工況循環中真實SOC與顯示SOC分析

通過實時記錄不同環境下每個CLTC工況結束后的表顯電池包電量（State of Charge, SOC）與CANoe采集的真實SOC值，統計平均單個工況SOC減小平均值的表顯與真實值如表5所示，工況循環結束后剩余SOC如表6所示。

表5 單個工況SOC減少平均值（%）

單個工況SOC減少平均值(%) 車型A車型B車型C 表顯真實表顯真實表顯真實 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 工況循環結束后剩余SOC（%）

工況循環結束后剩余SOC(%) 車型A車型B車型C 表顯真實表顯真實表顯真實 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，各車型在不同環境下的單個工況SOC減小值真實低于表顯；各車型的常溫、高溫工況下，真實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，各車型在不同環境下的工況循環結束后表顯SOC小于真實SOC；各車型的常溫、高溫工況循環結束后，真實值與表顯值的偏差均小于低溫工況；各車型工況循環結束后的剩余電量值低溫工況>高溫工況>常溫工況，同時也說明了電池包放電能力需要合適的環境溫度[6]。

3.3 車輛表顯續航里程與電量分析

各車型在不同環境下工況循環記錄的續航里程實測值，如圖3所示，常溫續航最高，高溫續航次之，低溫續航最小。

純電動汽車的續駛里程與電池包剩余電量SOC存在一定的比例關系[4]，如表達式（13），式中反映了車輛每消耗1%的電能所行駛里程數，與整車續航控制策略相關。

通過計算各車型的表顯續航里程與其對應表顯SOC的比值曲線結果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 車型A表顯續航里程與SOC比值

圖5 車型B表顯續航里程與SOC比值

圖6 車型C表顯續航里程與SOC比值

4 結論

本文基于能量流分析對電動汽車整車能耗、電驅系統能耗進行測試，并依據道路載荷對理論能耗進行了推導，對比實際電驅能耗與理論能耗的偏差，為能耗預測提供理論和數據依據；結合各車型的表顯續航里程與表顯電量的對應關系，為車輛儀表顯示策略提供了參考。

[1] 宋政委.純電動汽車能量流分析研究[D].西安:長安大學,2019.

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[3] ZHU B,ZHANG P,CHANG J J,et al.Electric Veh- icle Energy Flow Analysis and Energy Saving Technology Research[J].Destech Transactions on Environment, Energy and Earth Sciences, 2018 (2):27821.

[4] 李中耀,李達峰.純電動汽車剩余續駛里程計算方法研究[J].研究與開發,2021.4(15):62-64.

[5] 劉志超,龔慧明,保翔,等.基于中國工況的純電動乘用車續駛里程評價方法研究[J].汽車工程,2021.43 (5):705-712.

[6] LEI Z G,ZHANG Y W,LEI X G.Temperature Unifor- mity of a Heated Lithium-ion Battery Cell in Cold Climate[J].Applie Thermal Engineering,2018(129): 148-154.

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

A

1671-7988(2022)21-32-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.006

楊文華（1991—），男，碩士，研究方向為新能源汽車測試標定工作，E-mail:ywh_ciiccatarc@163.com。