劉志超，鄭天雷，龔慧明，保 翔，紀(jì)夢雪

（1.中國汽車技術(shù)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(yè)在持續(xù)快速發(fā)展的同時，也帶來能源緊張和環(huán)境污染問題。加快培育和發(fā)展節(jié)能與新能源汽車是推動汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的緊迫任務(wù)［1-2］。國家層面工信部、發(fā)改委及科技部三部委聯(lián)合發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，對2020年之后我國節(jié)能與新能源汽車的發(fā)展目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)［3］進(jìn)一步鼓勵和推動了新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2019年，我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到了124.2萬輛和120.6萬輛，其中純電動汽車產(chǎn)銷量分別為102萬輛和97.2萬輛（乘用車占比近86%），占據(jù)了絕對的主導(dǎo)地位。在國家產(chǎn)業(yè)政策及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的引導(dǎo)下，純電動汽車市場將會進(jìn)一步發(fā)展壯大［4-5］，而續(xù)駛里程作為純電動汽車最為關(guān)鍵的指標(biāo)，如何科學(xué)評價顯得尤為重要。

與傳統(tǒng)燃油車不同，受限于充電時間長和充電設(shè)施不完善等因素，存在特有的里程焦慮問題［6-9］，續(xù)駛里程是消費者進(jìn)行車型選購時最關(guān)注的指標(biāo)之一［10-11］。目前純電動汽車?yán)m(xù)駛里程指標(biāo)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB∕T 18386—2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》測試得到。該標(biāo)準(zhǔn)實施至今滿足了純電動汽車?yán)m(xù)駛里程的評價需求，但隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試流程、評價方法等已不能完全適用，須進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)GB∕T 18386—2017的分析，明確標(biāo)準(zhǔn)中存在的核心問題并研究相應(yīng)的解決方案，針對方案中關(guān)鍵參數(shù)的確定開展試驗驗證，確定優(yōu)化后的試驗流程能否在提升試驗效率的基礎(chǔ)上，客觀、全面地評價車輛的綜合續(xù)航能力。

1 國家標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及問題分析

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

GB∕T 18386—2017參 考 國 際 標(biāo) 準(zhǔn)ISO 8714：2002［14］和聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會法規(guī)ECE R101—03：2013［15］的相關(guān)內(nèi)容制定完成，對我國純電動汽車?yán)m(xù)駛里程的評價起到了非常重要的支撐作用。但隨著技術(shù)的發(fā)展和測試水平的不斷進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)存在的問題也愈加凸顯，主要體現(xiàn)在以下3個方面。

圖1 NEDC試驗循環(huán)曲線

圖2 續(xù)駛里程試驗流程示意圖

（1）NEDC不適用試驗循環(huán)：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(jù)該循環(huán)測試得到的續(xù)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(huán)平均車速較低，按照試驗循環(huán)連續(xù)進(jìn)行試驗，試驗時間過長。經(jīng)調(diào)研國內(nèi)相關(guān)檢驗機(jī)構(gòu)了解到，目前完成一款車型的續(xù)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(xiàn)試驗無效的可能。

（3）續(xù)駛里程計算方法不完善：試驗循環(huán)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(guī)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(huán)的順序進(jìn)行調(diào)整，則續(xù)駛里程試驗的結(jié)束點將會不一樣，續(xù)駛里程也將發(fā)生變化。

2 評價方法的優(yōu)化方案

2.1 試驗循環(huán)

2015年“中國工況”項目啟動，歷經(jīng)3年完成研究工作。依據(jù)該項目成果制定形成國家標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)為中國乘用車行駛工況（China light?duty vehicle test cycle for passenger car，CLTC?P）［16］，循環(huán)曲線如圖3所示。

圖3 CLTC?P試驗循環(huán)曲線

結(jié)合圖1和圖3可知，NEDC是穩(wěn)態(tài)工況，CLTC?P是瞬態(tài)工況。穩(wěn)態(tài)工況主要受限于早期數(shù)據(jù)采集的難度及工況合成方法不成熟。隨著測試技術(shù)的發(fā)展和理論的完善，穩(wěn)態(tài)工況逐漸被瞬態(tài)工況替代，目前包含歐、美、日等在內(nèi)的國際主流標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)均已完成瞬態(tài)工況導(dǎo)入。CLTC?P與NEDC特征參數(shù)對比見表1。

表1 CLTC?P與NEDC特征參數(shù)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(yùn)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(xiàn)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(dāng)，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(shù)據(jù)。由表1可知，CLTC?P與實際采集數(shù)據(jù)差異很小，而NEDC與實際采集數(shù)據(jù)差異顯著，CLTC?P更能表征國內(nèi)實際道路情況。依據(jù)CLTC?P測得的續(xù)駛里程結(jié)果更能反映車輛的實際情況，因此下一階段純電動車型續(xù)駛里程的測試應(yīng)依據(jù)CLTC?P進(jìn)行。

2.2 試驗流程

2.2.1 試驗流程的簡化

按照試驗循環(huán)逐次進(jìn)行試驗的方式（以下稱為“常規(guī)工況法”）試驗時間過長。圖4為某款車型按照CLTC?P進(jìn)行試驗時各循環(huán)的能量消耗量情況。從循環(huán)數(shù)量上可知，該車型整個試驗過程共運(yùn)行近27個循環(huán)，每個循環(huán)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(huán)的能量消耗量

結(jié)合圖4可知，該車型第1個循環(huán)能量消耗量最高，但從第2個循環(huán)開始直至第26個循環(huán)，能量消耗量基本穩(wěn)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(huán)數(shù)量的方式進(jìn)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(huán)的能量消耗量偏高（體現(xiàn)為圖4所示車型的第1個循環(huán)），之后才逐步趨于穩(wěn)定，因此需研究車輛的能量消耗量經(jīng)歷多少個循環(huán)后趨于穩(wěn)定。簡化的總體思路是將穩(wěn)定后的多個循環(huán)以有限的幾個循環(huán)為代表，剩余的部分通過高速放電的方式實現(xiàn)快速試驗。

圖5 為8款車型前幾個循環(huán)的能量消耗量情況。可以看出：第1~6款車型僅第1個循環(huán)的能量消耗量較高，第2個循環(huán)起便較為穩(wěn)定；而7、8款車型從第3個循環(huán)起能量消耗量才趨于穩(wěn)定，前2個循環(huán)均較高。因此，為兼顧所有車型的實際情況，在進(jìn)行測試時應(yīng)首先進(jìn)行2個試驗循環(huán)，從第3個循環(huán)開始簡化。

圖5 試驗初期循環(huán)能量消耗量變動

試驗流程簡化（以下稱為“縮短法”）應(yīng)在對試驗結(jié)果不產(chǎn)生明顯影響前提下，盡可能快速地完成試驗。基于此，在結(jié)合國際主流標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的基礎(chǔ)上規(guī)定縮短法的試驗流程：按照汽車生產(chǎn)企業(yè)的建議對車輛進(jìn)行初始放電，直到荷電狀態(tài)（stage?of?charge，SOC）達(dá)到最低值時停止放電；進(jìn)行常規(guī)充電直至REESS充滿；按照CLTC-P進(jìn)行2個循環(huán)的工況試驗，然后以100 km∕h的速度進(jìn)行等速放電，再按照CLTC?P進(jìn)行2個循環(huán)的工況試驗，最后以100 km∕h的速度進(jìn)行等速放電直至試驗結(jié)束；試驗結(jié)束后可適當(dāng)浸車，浸車時間小于2 h；浸車結(jié)束后對車輛進(jìn)行充電，充電方法與試驗前一致。試驗流程如圖6所示。

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

圖6 縮短法續(xù)駛里程試驗流程示意圖

（1）第1個循環(huán)段（DS1）包含2個CLTC?P循環(huán)，主要反映車輛在試驗初期，制動能量回收未充分發(fā)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(shè)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(xù)駛里程進(jìn)一步增加，有可能導(dǎo)致縮短法的續(xù)駛里程普遍高于常規(guī)工況法，影響縮短法的科學(xué)性。

（3）第2個循環(huán)段（DS2）主要反映車輛穩(wěn)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(huán)段也包含2個CLTC?P循環(huán)，以減小循環(huán)誤差影響，保障試驗結(jié)果精度。同時，第2個循環(huán)段結(jié)束后，REESS的剩余電量應(yīng)不超過整個試驗的10%，這樣可大致限定車輛第2個循環(huán)段的開始時刻，從而使整個試驗的構(gòu)成相對固定，避免了不同車型隨意設(shè)定4個片段位置的情況。

縮短法續(xù)駛里程試驗構(gòu)成如圖7所示。

圖7 縮短法續(xù)駛里程試驗構(gòu)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(xiàn)在該方法僅進(jìn)行4個試驗循環(huán)，而其余部分以高速形式進(jìn)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(huán)放電增加水平為η（%），則兩種放電速率的關(guān)系為

式中：ECt，cycle為按照試驗循環(huán)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行試驗的凈時長，h；2為縮短法4個試驗循環(huán)的時長，h；BE R為續(xù)駛里程，km。

結(jié)合式（3）可得出不同續(xù)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(xù)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(xù)駛里程增加提升顯著，由此可以得出續(xù)駛里程對試驗時長降低水平的影響遠(yuǎn)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(huán)放電速率的4.90倍。該車型的續(xù)駛里程為390.83 km，常規(guī)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(jié)果為4.35 h。由此可知，該車型縮短法較常規(guī)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(xù)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(xù)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(dāng)車輛的續(xù)駛里程超過155.78 km時，試驗時長降低水平可達(dá)到50%以上；當(dāng)車輛的續(xù)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(yōu)化

續(xù)駛里程的測量按照實驗循環(huán)進(jìn)行，當(dāng)車輛無法滿足循環(huán)速度要求時，測試結(jié)束。該方式受試驗循環(huán)構(gòu)成的影響存在一定理論缺陷，需進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)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(huán)的能量消耗量，通過計算得出續(xù)駛里程。對于常規(guī)工況法和縮短法，計算公式不同。

2.3.1 常規(guī)工況法

常規(guī)工況法的續(xù)駛里程為

式中：BER為續(xù)駛里程，km；EREESS，CCP為常規(guī)工況法試驗前后，REESS的電能變化量，W·h；ECDC為循環(huán)能量消耗量，W·h∕km；c為試驗循環(huán)序號；n為常規(guī)工況法試驗結(jié)束后，車輛行駛的完整試驗循環(huán)數(shù)量，不含試驗結(jié)束時未運(yùn)行完成的試驗循環(huán)；ECDC，c為第c個試驗循環(huán)的能量消耗量，W·h∕km；Kc為第c個試驗循環(huán)的權(quán)重系數(shù)；ΔEREESS，c為第c個試驗循環(huán)REESS的電能變化量，W·h。

式（5）中n不含最后一個未運(yùn)行完成的試驗循環(huán)，保障了能量消耗量是基于完整的試驗循環(huán)獲得，從而不受試驗循環(huán)結(jié)構(gòu)的影響，試驗結(jié)果的客觀性和穩(wěn)定性更好。式（6）中權(quán)重系數(shù)的計算考慮了前兩個試驗循環(huán)的能量消耗量較大，需要單獨進(jìn)行計算，兩個循環(huán)之后的能量消耗量理應(yīng)相同，但受試驗操作的影響會在允許誤差范圍內(nèi)出現(xiàn)小范圍地波動，而從理論上來說各循環(huán)的權(quán)重系數(shù)應(yīng)相同。

2.3.2 縮短法

縮短法的續(xù)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(huán)能量消耗量，W·h∕km；Kc為第c個試驗循環(huán)的權(quán)重系數(shù)。

縮短法的計算與常規(guī)工況法大體一致，區(qū)別為縮短法僅進(jìn)行4個試驗循環(huán)，同樣對前2個循環(huán)的能量消耗量進(jìn)行區(qū)分，后2個循環(huán)則代表車輛穩(wěn)定后的能量消耗量情況，2個循環(huán)的權(quán)重系數(shù)相同。

3 試驗研究

3.1 試驗循環(huán)的影響

下一階段，我國純電動乘用車?yán)m(xù)駛里程的測試將以CLTC?P循環(huán)進(jìn)行，而試驗循環(huán)的變化必將影響車輛的能量消耗量和續(xù)駛里程結(jié)果［18］。圖10為22款車型分別按照NEDC和CLTC?P兩種循環(huán)進(jìn)行試驗的續(xù)駛里程結(jié)果。

圖10 CLTC?P和NEDC續(xù)駛里程對比

由圖10可知，與NEDC相比，車輛在CLTC-P下續(xù)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(jié)果是在常溫、空調(diào)等其他耗電部件不開啟條件下的結(jié)果，不能完全代表實際使用情況。以考慮空調(diào)因素為例，車輛綜合續(xù)駛里程為

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

根據(jù)目前研究結(jié)果，開啟空調(diào)制熱時續(xù)駛里程平均下降37.00%，開啟空調(diào)制冷時續(xù)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(diào)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?yán)锍滩町惖闹饕颉?/p>

3.2 兩種試驗方法對比

常規(guī)工況法作為評價純電動汽車?yán)m(xù)駛里程最為傳統(tǒng)的方法，在國際范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，車輛標(biāo)稱的續(xù)駛里程為按照該方法試驗得到。因此，縮短法能否實現(xiàn)續(xù)駛里程的科學(xué)評價，關(guān)鍵在于依據(jù)該方法試驗得到的結(jié)果是否與常規(guī)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(guī)工況法和縮短法結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 常規(guī)工況法與縮短法仿真結(jié)果對比

圖12 常規(guī)工況法與縮短法試驗結(jié)果對比

由圖11可知，與常規(guī)工況法相比，縮短法的續(xù)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(guī)工況法相比，縮短法的續(xù)

駛里程變化范圍為-1.59%~3.19%，平均增加0.60%，進(jìn)一步驗證了縮短法的科學(xué)性。

3.3 試驗結(jié)果的細(xì)化

縮短法在科學(xué)評價車輛工況續(xù)駛里程基礎(chǔ)上，還可計算獲得車輛單獨進(jìn)行某一速度區(qū)間的續(xù)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(qū)間。

縮短法的速度區(qū)間續(xù)駛里程為

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

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

圖13 不同速度區(qū)間及循環(huán)的結(jié)果對比

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

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

4 結(jié)論

本文中對純電動乘用車?yán)m(xù)駛里程評價方法開展了系統(tǒng)研究，通過標(biāo)準(zhǔn)分析和試驗驗證，得到以下結(jié)論：

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

（2）試驗循環(huán)切換為CLTC?P后，綜合22款車型結(jié)果顯示，續(xù)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(diào)等因素，車輛的續(xù)駛里程大幅降低；

（3）縮短法能夠?qū)崿F(xiàn)試驗時長大幅降低，同時又能保障得到與常規(guī)工況法基本一致的試驗結(jié)果，續(xù)駛里程平均增加僅為0.60%；

（4）計算方法優(yōu)化后，試驗結(jié)果不再受循環(huán)結(jié)構(gòu)的影響，同時能在循環(huán)續(xù)駛里程的基礎(chǔ)上，同步得到車輛各速度區(qū)間的續(xù)駛里程情況；不同速度區(qū)間結(jié)果與循環(huán)續(xù)駛里程差異顯著，有助于理解實際使用時續(xù)駛里程與標(biāo)稱里程存在差異的原因。