試驗(yàn)工況切換對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響及優(yōu)化

肖舒穎，楊 博，宋桂曉，蔡正雷，管 煒，姚炎炎

試驗(yàn)工況切換對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響及優(yōu)化

肖舒穎，楊 博，宋桂曉，蔡正雷，管 煒，姚炎炎

（武漢菱電汽車(chē)電控系統(tǒng)股份有限公司，湖北 武漢 430048）

過(guò)去國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)使用的新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試（NEDC）循環(huán)工況存在與實(shí)際行駛條件不符、測(cè)試周期長(zhǎng)、計(jì)算方式單一等問(wèn)題?！峨妱?dòng)汽車(chē)能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車(chē)》（GB/T 18386.1—2021）中的工況切換（NEDC至中國(guó)輕型車(chē)測(cè)試周期（CLTC））和測(cè)試方法的更新大大推進(jìn)了我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法。文章基于縮短法，結(jié)合新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策，以純電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究NEDC和CLTC工況下純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的差異，并分析其影響因素，提出優(yōu)化策略。結(jié)果表明：在對(duì)20款純電動(dòng)車(chē)型的測(cè)試中，中國(guó)輕型車(chē)乘用車(chē)試驗(yàn)周期（CLTC-P）循環(huán)下測(cè)得的續(xù)駛里程平均略高于NEDC續(xù)駛里程，工況變更導(dǎo)致續(xù)駛里程平均增加2.2%。影響續(xù)駛里程的因素主要有滾動(dòng)阻力、空氣阻力和電機(jī)消耗。

純電動(dòng)汽車(chē)；補(bǔ)貼政策；續(xù)駛里程；行駛工況；縮短法

隨著新能源汽車(chē)的不斷發(fā)展，純電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)保有率日益提升。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2021年純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量分別達(dá)到291.4萬(wàn)輛和288.2萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)約179%和170%[1]。新能源汽車(chē)具有低能耗、零污染、低噪音、維護(hù)方便的特點(diǎn)，在緩解能源短缺壓力、減少空氣污染、促進(jìn)替代能源快速進(jìn)入交通系統(tǒng)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[2]。在諸多優(yōu)點(diǎn)之下，純電動(dòng)汽車(chē)也面臨著續(xù)航焦慮。新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試（New European Driving Cycle, NEDC）作為90年代歐洲用理論炮制出來(lái)的數(shù)據(jù)，與事實(shí)相差甚遠(yuǎn)，在NEDC工況下測(cè)得的虛高的續(xù)航里程也一直被大眾所詬病。在眾多呼聲下，2015年工信部下達(dá)更換續(xù)航工況的要求，2019年中國(guó)輕型車(chē)測(cè)試周期（China Light Vehicle Test Cycle, CLTC）正式發(fā)布，2021年10月1日替換NEDC，且到2025年前，新能源汽車(chē)測(cè)定續(xù)駛里程都將采用中國(guó)行駛工況。續(xù)駛里程作為純電動(dòng)車(chē)最為關(guān)鍵的指標(biāo)，工況切換后測(cè)試方法的研究和優(yōu)化尤為重要。本文對(duì)縮短法進(jìn)行了循環(huán)分析，并研究了縮短法下續(xù)駛里程的計(jì)算方法，對(duì)工況切換后續(xù)駛里程的變化進(jìn)行了對(duì)比，并提出了優(yōu)化方案。

1 國(guó)內(nèi)政策與法規(guī)現(xiàn)狀

1.1 新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》[3]提出，2030年新能源汽車(chē)的銷(xiāo)售量占比要達(dá)到汽車(chē)總銷(xiāo)量的20%；到2035年，純電動(dòng)汽車(chē)成為主流銷(xiāo)售車(chē)輛，并且公共領(lǐng)域用車(chē)全面電動(dòng)化。

1.2 雙積分政策

2021年雙積分政策基于標(biāo)準(zhǔn)《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》（GB 27999—2019）[4]，要求進(jìn)行工況切換，即純電動(dòng)乘用車(chē)從NEDC工況切換到中國(guó)工況。

1.3 新能源汽車(chē)財(cái)政補(bǔ)貼政策

新能源補(bǔ)貼政策呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢(shì)，根據(jù)財(cái)政部等四部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于2022年新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》[5]，2023年開(kāi)始將不再進(jìn)行補(bǔ)貼。這意味著到2022年年底，正式完成將新能源汽車(chē)引入市場(chǎng)的工作。相較于2021年，公務(wù)車(chē)領(lǐng)域補(bǔ)貼額度下降20%，其他非公領(lǐng)域下降30%。

2022年購(gòu)置補(bǔ)貼政策維持技術(shù)指標(biāo)門(mén)檻不變，企業(yè)不需要做出相應(yīng)調(diào)整。純電乘用車(chē)具體技術(shù)要求為：30 min最高車(chē)速不低于100 km/h；工況法續(xù)駛里程不低于300 km；電池系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度不低于125 Wh/kg，如表1所示。

表1 里程補(bǔ)貼倍數(shù)

續(xù)駛里程/(R/km)300≤R＜400R≥400 補(bǔ)貼倍數(shù)0.911.26

1.4 政策分析

《乘用車(chē)燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》（GB 27999）中燃料限值雖然沒(méi)變，但工況切換后，同類(lèi)車(chē)型續(xù)駛里程約增加5%，能量消耗量約減少5%，對(duì)于續(xù)駛里程在300 km左右的交叉型乘用車(chē)來(lái)說(shuō)，工況切換和試驗(yàn)方法對(duì)續(xù)駛里程的影響直接決定著是否能拿到補(bǔ)貼。因此，對(duì)CLTC和縮短法進(jìn)行分析并針對(duì)其特點(diǎn)做出優(yōu)化，對(duì)交叉型乘用車(chē)來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。

2 試驗(yàn)工況及方法

2.1 試驗(yàn)循環(huán)分析

NEDC主要模擬工況為市區(qū)和郊區(qū)，包括四個(gè)市區(qū)循環(huán)和一個(gè)郊區(qū)循環(huán)，共1 180 s。NEDC循環(huán)總里程11.03 km，平均速度33.6 km/s，勻速占比高達(dá)37.5%。

CLTC為中國(guó)輕型汽車(chē)行駛工況，主要模擬市區(qū)和市郊工況，對(duì)于純電乘用車(chē)，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是中國(guó)輕型車(chē)乘用車(chē)試驗(yàn)周期（China Light-duty Vehicle Test Cycle-Passenger, CLTC-P），其循環(huán)工況包括低速、中速、高速3個(gè)部分，總里程14.48 km，最大速度114 km/h，平均車(chē)速28.96 km/h，勻速占比只有22.83%。具體參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 工況特征參數(shù)對(duì)比

工況NEDCCLTC-P 工況時(shí)長(zhǎng)/s1 1801 800 工況里程/km11.0314.48 平均速度/(km/h)33.628.96 平均運(yùn)行速度/(km/h)43.5037.18 最高車(chē)速/(km/h)120114.00 平均減速度/(m/s2)-0.75-0.49 減速比例/%16.6026.44 平均加速度/(m/s2)0.530.45 加速比例/%23.2028.61 勻速比例/%37.5022.83 怠速比例/%22.622.11

由表2可以看出，NEDC是穩(wěn)態(tài)工況，怠速比例較高，不適合我國(guó)市區(qū)行駛頻繁加減速的情況；中國(guó)工況是瞬態(tài)工況，且具有平均速度低、怠速比例高、頻繁加減速的特點(diǎn)，更能適應(yīng)我國(guó)道路特征。隨著測(cè)試?yán)碚摰陌l(fā)展和測(cè)試技術(shù)的提升，在不斷的探索與實(shí)踐過(guò)程中，NEDC穩(wěn)態(tài)工況逐漸被取代，CLTC更能支撐未來(lái)車(chē)型的開(kāi)發(fā)以及更貼近實(shí)際駕駛的車(chē)型信息。NEDC與CLTC的循環(huán)速度曲線(xiàn)依次如圖1、圖2所示。

①—市區(qū)循環(huán)；②—市郊循環(huán)；③—基本的市區(qū)循環(huán)。

圖2 CLTC-P循環(huán)速度曲線(xiàn)

2.2 試驗(yàn)方法

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)發(fā)布的《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車(chē)》（GB 18386.1—2021）[6]中，規(guī)定了適用于N1及最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量小于等于3 500 kg的純電動(dòng)汽車(chē)測(cè)能耗參數(shù)的試驗(yàn)方法，有常規(guī)法和縮短法兩種，分別如圖3和圖4所示。

圖3 常規(guī)法續(xù)駛里試流程示意圖

圖4 縮短法續(xù)駛里試流程示意圖

由于常規(guī)法試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，效率過(guò)低，本文中將著重?cái)⑹隹s短法下能耗和續(xù)駛里程的變化?？s短法包含2個(gè)試驗(yàn)循環(huán)段和2個(gè)恒速段，常溫續(xù)駛里程超過(guò)8個(gè)中國(guó)工況里程[7]。如圖5所示，第1個(gè)循環(huán)段（DS1）和第2個(gè)循環(huán)段（DS2）各包含2個(gè) CLTC-P循環(huán)，CSSM和CSSE為恒速段，兩個(gè)恒速段的車(chē)速設(shè)置最低為100 km/h。DS2完成后，REESS的剩余電量應(yīng)不超過(guò)整個(gè)試驗(yàn)的10%?？s短法續(xù)駛里程試驗(yàn)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 縮短法速度片段構(gòu)成（N1類(lèi)車(chē)輛目標(biāo)車(chē)速）

3 續(xù)駛里程的計(jì)算

3.1 續(xù)駛里程計(jì)算公式

根據(jù)《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車(chē)》（GB 18386.1—2021），基于縮短法的續(xù)駛里程計(jì)算公式為

式中，REESS,STP為縮短法試驗(yàn)前后REESS的電能變化量，W·h；DC為循環(huán)能量消耗量，W·h/km；K為第個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的權(quán)重系數(shù)。

REESS電量變化計(jì)算公式為

REESS,STP=?REESS,DS1+?REESS,CSSM+

?REESS,DS2+?REESS,CSSE（4）

式中，?REESS,DS1為試驗(yàn)循環(huán)段DS1段所有REESS的電量變化，W·h；?REESS,CSSM為恒速段CSSM段所有REESS的電量變化；W·h；?REESS,DS2為試驗(yàn)循環(huán)段DS2段所有 REESS 的電量變化，W·h；?REESS,CSSE為恒速段CSSE段所有REESS的電量變化，W·h[8]。

3.2 循環(huán)充放電特征

DS1：第一個(gè)CLTC-P循環(huán)起始電量狀態(tài)為滿(mǎn)電飽和狀態(tài)，減速工況時(shí)產(chǎn)生的正向回收電流沒(méi)有或極少。隨著時(shí)間的推移和行駛距離的增加，電池放出一定的電量后，回收電流強(qiáng)度逐漸達(dá)到正常狀態(tài)并保持穩(wěn)定。因此，在工況相同的情況下，兩個(gè)循環(huán)的輸出電量應(yīng)當(dāng)相近，第二個(gè)CLTC-P循環(huán)回收電能應(yīng)大于第一個(gè)CLTC-P循環(huán)?？偟膩?lái)說(shuō)DS1的REESS電量變化由快到慢，權(quán)重系數(shù)K1>K2。

DS2：第2個(gè)循環(huán)段處于組合工況后期，能量回收系統(tǒng)處于正常平穩(wěn)狀態(tài)。兩個(gè)CLTC-P循環(huán)工況輸出電量相近，回收電量相近，總的來(lái)說(shuō)DS2兩個(gè)循環(huán)工況的REESS電量變化相近，權(quán)重系數(shù)K3>K4。

CSSM與CSSE：恒速段速度最低為100 km/h，車(chē)速過(guò)低，一方面不利于消耗電量，另一方面更容易滿(mǎn)足速度公差帶內(nèi)的速度要求，這兩個(gè)方面都會(huì)致使試驗(yàn)截止時(shí)間后移，造成REESS放電量的增加。由公式（1）可以得到，REESS放電量的增加會(huì)導(dǎo)致續(xù)駛里程的上升，降低縮短法的合理性。運(yùn)行恒速工況時(shí)，車(chē)輛電池保持穩(wěn)定放電狀態(tài)，不需要松開(kāi)加速踏板制動(dòng)，基本無(wú)回收電流的產(chǎn)生。

由上述可知，兩個(gè)循環(huán)段中的四個(gè)循環(huán)由于工況相同消耗的電能基本相同，兩個(gè)恒速段的能量消耗維持在穩(wěn)定狀態(tài)。因此，續(xù)駛里程計(jì)算是否準(zhǔn)確，難點(diǎn)在于權(quán)重系數(shù)的估算[9]。

4 試驗(yàn)結(jié)果及優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文選取20個(gè)車(chē)型，續(xù)駛里程范圍在150～410 km，對(duì)其在NEDC循環(huán)下和CLTC-P循環(huán)下測(cè)得的續(xù)駛里程做出對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 NEDC和CLTC-P續(xù)駛里程的對(duì)比

由圖6可知，20款車(chē)型中有15款車(chē)型CLTC-P下測(cè)得的續(xù)駛里程高于NEDC，占比75%。變化范圍在?7.4%～15.4%，續(xù)駛里程平均增加2.2%。續(xù)駛里程在250～350 km的車(chē)輛切換工況對(duì)續(xù)駛里程的影響不大，小續(xù)駛里程（<250 km）和大續(xù)駛里程（>350 km）的車(chē)輛切換工況影響較大，主要體現(xiàn)為小續(xù)駛里程車(chē)輛測(cè)試結(jié)果變高，大續(xù)駛里程變低。綜合來(lái)看，CLTC-P所測(cè)續(xù)駛里程曲線(xiàn)比較平緩，工況組合情況更為合理。

圖7 NEDC能量流分配比例圖

圖8 CLTC能量流分配比例圖

由圖7、圖8所示，NEDC和CLTC循環(huán)下消耗能量前三的都是滾動(dòng)阻力、空氣阻力和電機(jī)消耗。相比于NEDC，CLTC克服空氣阻力的能耗明顯降低，而機(jī)械制動(dòng)產(chǎn)生的能耗大幅增高[10]。

4.2 優(yōu)化方案

續(xù)駛里程在270～300 km附近的車(chē)輛循環(huán)切換的影響總體來(lái)看有所降低，結(jié)合上述1.3純電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)貼政策來(lái)看，針對(duì)CLTC-P循環(huán)曲線(xiàn)特性?xún)?yōu)化整車(chē)?yán)m(xù)駛里程十分有必要。

4.2.1 整車(chē)優(yōu)化

為降低滾動(dòng)阻力和空氣阻力，可使用低滾阻輪胎和實(shí)現(xiàn)整車(chē)輕量化。車(chē)身使用高強(qiáng)度鋼，不僅可以減輕重量，也提高了車(chē)輛的安全性能，具有高強(qiáng)度、工藝成熟及經(jīng)濟(jì)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，目前被市面上廣泛采用；也可使用復(fù)合材料，聚烯烴在車(chē)輛中的應(yīng)用這幾年來(lái)不斷創(chuàng)新，使用率隨之增加，其密度小、性能好且成本低廉，在整車(chē)的應(yīng)用方面未來(lái)前景廣闊。

4.2.2電池管理技術(shù)提升

電池容量無(wú)疑是決定續(xù)駛里程最重要的因素之一。綜合車(chē)輛的成本、市場(chǎng)定位、安全性能等因素，電池容量的增加存在諸多約束。這就需要突破電池管理技術(shù)瓶頸，增強(qiáng)蓄電池充放電能力控制的能力，以及增加對(duì)蓄電池工作溫度、工作過(guò)程的監(jiān)控。

4.2.3制動(dòng)能量回收

可逆電機(jī)在車(chē)輛行駛時(shí)表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)，在減速或剎車(chē)時(shí)則表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)。電動(dòng)汽車(chē)的能量回收系統(tǒng)正是依賴(lài)可逆電機(jī)在駕駛員松開(kāi)加速踏板并踩下制動(dòng)踏板時(shí)利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生正向電流，將車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，實(shí)現(xiàn)能量回收的作用?。市面上大多采用雙踏板并聯(lián)再生制動(dòng)系統(tǒng)，即松開(kāi)加速踏板并踩下制動(dòng)踏板實(shí)現(xiàn)能量回收。使用制動(dòng)踏板會(huì)有相當(dāng)一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，造成能量損失，因此，盡可能只通過(guò)松開(kāi)加速踏板進(jìn)行減速，可以有效提高能量回收效率。

5 結(jié)論

本文基于《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車(chē)》（GB/T 18386.1—2021），對(duì)不同工況下純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程展開(kāi)了系統(tǒng)性的研究，通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的分析以及試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1）NEDC已經(jīng)無(wú)法真實(shí)反映電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程，應(yīng)逐漸發(fā)展CLTC循環(huán)工況，CLTC更能貼切中國(guó)道路路況以及中國(guó)消費(fèi)者駕駛習(xí)慣。新能源補(bǔ)貼政策中，續(xù)駛里程達(dá)到300 km/h是拿到補(bǔ)貼的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，工況的切換使平均測(cè)試?yán)m(xù)駛里程提升，有助于交叉型乘用車(chē)拿到補(bǔ)貼。

2）CLTC相對(duì)于NEDC更多變化工況，試驗(yàn)里20款車(chē)型中使用CLTC-P循環(huán)提升了續(xù)駛里程的達(dá)到75%，平均增加2.2%。小續(xù)駛里程車(chē)輛測(cè)試結(jié)果變高，大續(xù)駛里程變低。

3）續(xù)駛里程測(cè)試方法中縮短法科學(xué)性較好，在大幅提高了試驗(yàn)效率的情況下也體現(xiàn)了CLTC- P循環(huán)初期和循環(huán)末期的特征，初期能量回收較少，循環(huán)能量消耗量DC較大，在第二個(gè)CLTC-P循環(huán)正向回收電流趨于穩(wěn)定正常。

4）CLTC循環(huán)下，能量消耗主要由滾動(dòng)阻力、空氣阻力和電機(jī)消耗為主，車(chē)輛企業(yè)可以通過(guò)整車(chē)輕量化、電池管理技術(shù)提升和能量回收等方案減少能量消耗，以增加續(xù)駛里程。

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Influence and Optimization of Driving Range of Pure Electric Vehicle Based on Different Operating Conditions

XIAO Shuying, YANG Bo, SONG Guixiao, CAI Zhenglei, GUAN Wei, YAO Yanyan

( Wuhan Lincontrol Automotive Electronic Company Limited, Wuhan 430048, China )

The new European driving cycle (NEDC) conditions used in the past national standards are inconsistent with the actual driving conditions, long test cycle, single calculation method and other problems. The update of the test methods for condition switching(NEDC to China light vehicle test cycle (CLTC)) and testing in the:(GB/T 18386.1—2021)have significantly advanced the test and evaluation methods for the range of pure electric vehicles in China.Based on the shortening method and combined with the new energy vehicle subsidy policy, this paper takes pure electric vehicles as the research object, focuses on the difference of the driving range of pure electric vehicles under NEDC and CLTC conditions, analyzes its influencing factors, and proposes the optimization strategy. The results show that, in the test of 20 pure electric models, the average driving range measured under China light-duty vehicle test cycle-passenger(CLTC-P)cycle is slightly higher than that of NEDC, and the average driving range increased by 2.2% due to the change of working condition. The main factors affecting the driving range are rolling resistance, air resistance and motor consumption.

Pure electric vehicle; Subsidy policy; Driving mileage; Driving cycle;Shortening method

U467.1

A

1671-7988(2023)10-12-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.003

肖舒穎（1999—），女，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)節(jié)能減排，E-mail:xiaoshuying@lincontrol.com。