可充电重型电动汽车纯电动续驶里程计算方法优化研究

罗明

0 引言

汽车产业是国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。随着我国经济持续发展和城镇化进程的加速推进，由此带来的环境污染和能源紧张问题日益突出，我国已在2006 年超过美国，成为世界最大的温室气体排放国，2015 年石油对外依存度首次超过60%。加快培育和发展节能汽车与新能源汽车，既是有效缓解能源和环境压力、推动汽车产业可持续发展的紧迫任务，也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势的战略举措。

发展新能源汽车已上升为国家战略，密集出台的扶持政策，为新能源汽车的应用推广创造了良好的环境。纯电动汽车（BEV）、燃料电池汽车（FCEV）及插电式混合动力电动汽车（HEV）获得蓬勃发展，各型产品不断涌现。

在动力电池技术短期难以突破能量密度瓶颈，燃料电池电堆及氢气成本居高不下，以及充电、充氢设施有待完善的现实情况下，为满足即将到来的相对现阶段油耗限值降低15%左右的第四阶段《重型商用车辆燃料消耗量限值》要求，运输半径200～500 km 的支线运输和500～1 000 km 的干线运输重型货车采用混动技术，将成为主流选择。

1 现行国标纯电续驶里程计算方法

GB/T 19754-2021《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》是能耗试验现行国标[1]，适用于最大总质量超过3 500 kg的混合动力电动汽车，包括货车、半挂牵引车、客车、自卸汽车和城市客车。标准涵盖的车辆类型多样，按是否可外接充电，可分为不可外接充电式混合动力汽车（NOVE-HEV）和可外接充电式混合动力汽车（OVE-HEV），其中OVE-HEV 车型又可分为不包含纯电工作模式和包含纯电工作模式两大类。本文讨论的对象车型为GB/T 19754-2021 适用的重型HEV 车型中最为复杂的，包含纯电工作模式的OVE-HEV 车型。

对包含纯电工作模式的OVE-HEV 车型的纯电动续驶里程计算方法进行优化，主要目的如下。

（1）能够进一步测验出该车型的纯电动续驶里程，为消费者采购此类产品提供重要的续航参考。

（2）规范行业环境。

（3）为优化国家标准提供一些可能的参考。

国标对包含纯电工作模式的OVE-HEV 车型能耗计算方法为：全流程电耗均通过UF 系数加权计算，并体现到最终的综合电量消耗量中。全流程电耗包含：试验开始前从充电桩移动到试验台之间的电量消耗，试验过程的电量消耗，试验结束后从试验台移动到充电桩的电量消耗，以及试验后车辆的充电电量。

因为UF 系数的计算采用行驶里程数据（GB/T 19754-2021附录C 中的公式C.1），车型纯电动续驶里程的计算结果直接影响UF 系数的取值，进而影响综合电量消耗量计算的结果。针对目前国标采用的计算方法，笔者认为有优化空间。

GB/T 19754-2021 国标纯电动续驶里程阶段的续驶里程计算公式如下：

式中：S为第一阶段的续驶里程数值，单位km；NECm为车辆移动前后可充电的能量储存系统（REESS）的净能量改变量数值，单位kW·h；NECS1为第一阶段试验前后REESS 的净能量改变量数值，单位kW·h；ECDC,S1为基于REESS 电量变化的电量消耗量，单位W·h/km。

其中，ECDC,S1按照公式（2）计算：

式中：ECDC,c为基于REESS 电量变化的第c个试验循环的电量消耗量数值，单位W·h/km。

ECDC,c按照公式（3）计算：

式中：NECc为第c个试验循环REESS 的净能量改变量数值，单位kW·h；dc为车辆在第c个试验循环的行驶里程，单位km。

按GB/T 19754-2021 定义，纯电动续驶里程阶段包含试验循环1～（n1+1）,其中试验循环n1为车辆完成的最后一个完整试验循环，试验循环（n1+1）为车辆未能完成完整循环的试验循环，即NECS1 包含试验循环1～（n1+1）。

从公式（1）、公式（2）和公式（3）可知，包含纯电工作模式的OVC-HEV 车型纯电动续驶里程的计算方法，就是将试验开始前车辆自充电桩移动至试验台的REESS 净能量改变量NECm及未能完成完整循环的（n1+1）试验循环REESS 的净能量改变量。以完整试验循环（1～n1）的消耗电量均值ECDC,S1进行折算，最大限度地评估车辆所有满足试验工况公差要求的动力电池电量对纯电动续驶里程的贡献。但基于动力电池的特性分析，个人认为存在改善空间。

2 计算方法优化分析

纯电动车的一大诟病是里程焦虑,主要原因是目前的锂离子电池技术还无法满足在一定空间里面装入足够的电池,来匹配相当于燃油车的续航。另外一个很重要的原因是，纯电动车的剩余续航里程的估算误差比较大，容易让驾驶员误判真实续航，造成半路抛锚。为了准确估算纯电动汽车剩余行驶里程，有专利（专利号：CN201910467476.9）介绍了一种纯电动车续航里程估算方法。该方法包括：计算基于电池状态信息的第一可行驶里程DrvRng1 和基于用户行车历史里程数据的第二可行驶里程DrvRng2；计算仪表显示的可行驶里程DrvRng。

式中：ζ1 和ζ2 为可行驶里程的权重系数。

该专利基于驾驶员长时间的驾驶，里程进行自动更新学习，从而获得基于驾驶员驾驶习惯的精确可行驶里程数据。

上述方法主要根据SOC 区间来计算区间对应的电动车续驶里程。但实际上纯电汽车在日常行驶过程中，电机的功耗在短距行驶和长距行驶是完全不同的。短距行驶通常是在城市内的日常通勤，涉及到很多的停止等待和起动加速过程，是断续不连贯的。而长距行驶更多是高速或者是城市快速道行驶，并没有很多的起停过程，速度能够维持在较高的程度，是连续的。这2 种情况下电机的功耗是完全不同的，如果用一种里程状态去计算另一里程状态的续航里程，显然是不准确的。因此，急需一种能够准确计算纯电动汽车续航里程的方法。

动力电池具有如下特性：随着动力电池SOC 值的降低，其总的输出电压是持续降低的。在动力电池能够输出满足行驶需求的功率条件下，相同功率输出时，因为电压的降低，必然需要加大电流的输出。而这必然带来发热损失的升高，以及放电效率下降。

电池组放电效率曲线很好地体现了这一特性[2]：在相同的电流输出时，随着SOC值的降低，放电效率逐渐降低；在相同的SOC值时，随着电流的增大，放电效率也相应降低。总体上随着动力电池SOC 值的降低，放电效率下降（图1）。

图1 电池组放电效率曲线

根据电池组的放电效率曲线，与（n1+1）试验循环的放电效率最接近的应是n1试验循环的放电效率。笔者认为（n1+1）试验循环的续驶里程应基于n1试验循环消耗电量进行折算更为合理，公式（1）可优化为公式（5）。

这一更改与GB/T 19754-2021 中，对纯电动续驶里程阶段（n1+1）试验循环的油耗计算（GB/T 19754-2021 中公式9）及电耗计算（GB/T 19754-2021 中公式12）处理方式相同：（n1+1）试验循环的油耗计算和电耗计算，均以（n1+1）试验循环的UF系数乘以n1试验循环的油耗和电耗进行折算。

另一方面，试验开始前车辆自充电桩移动至试验台的REESS净能量改变量NECm，也应采用相近的试验循环1 消耗电量进行折算：基于动力电池保护策略，一般车辆在动力电池SOC 值＞90%时（不同车型具体设定值不同），屏蔽能量回收功能。动力电池SOC 值＞90%时，车辆大多处于试验循环1，此试验循环因回收电量少，因此电量消耗量一般大于其他循环。如图2 所示，某车型试验循环1 和试验循环均值的偏差达到6.5%。

图2 某型车试验循环电耗数据

基于以上分析，公式（1）还可进一步优化为公式（6）：

3 关于试验条件的思考

GB/T 19754-2021 在车辆试验条件上作出具体要求，即待检车辆需要在厂家要求的标准下进行磨合，从而尽可能还原真实生产时的使用场景，避免测定结果偏“虚标”的问题。但需要明确的是，本文所研究的车型是一种工业化的运营车辆，行驶里程较大，充放电次数多，电池组会加剧损耗。尤其是工地车辆，行驶环境恶劣（长上坡工况等），会加剧车辆的磨损，使车辆续航进一步下降。因此建议在磨合条件上，未来做出2 点改变。

（1）分车辆的使用环境，尽量模拟其未来行驶路况检测续航。

（2）试验车辆按照使用情况，分为新车期（0～2 000 km）、磨合期（2 001～10 000 km）、轻度使用期（10 001～50 000 km）、中度使用期（50 001～150 000 km）和重度使用期（＞150 000 km）5 个阶段，甚至更细化的分段，对车辆进行纯电续航检测。这能够更好地反映车辆的续航情况，为消费者提供细化的续航数据参考。

再根据大数据，利用计算机得到一个系数，将上述续航结果进行处理，得到一个最终的综合续航结果，或许能够更好地反映该车型的综合续航表现。

此外，关于车辆状态，国标中只提到：试验时，可以使用一个定转速风机把冷却空气导向车辆，以保证发动机工作温度满足生产企业的要求。该试验条件未对纯电续航测定环境作出进一步解释，建议增加描述：在纯电续航测定时，使用不定转速风机，在多个角度模拟车辆正常行驶时的风冷条件，对电池组进行降温。这样的条件下，更能够反映车辆的行驶情况。

4 结束语

国标纯电续驶里程计算公式（1）按优化后的公式（5）计算最为合理；如考虑到车辆自充电桩移动至试验台的距离较小（一般2 km 内），此过程REESS 的净能量改变量相对单个试验循环消耗电量较小，按公式（6）计算也可接受[3]。

以上计算公式的优化，基于动力电池放电效率特性和能量回收功能起作用的初始SOC 值设置考虑。如果车辆配置的动力电池电量越大，能够跑的纯电试验循环越多；充电桩与试验台的距离越大，移动消耗的电量越多，理论上按国标公式计算的偏差就越大[4-5]。

国标计算公式应是考虑到现阶段的混合电动汽车大多数配置的动力电池电量较低（可完成的纯电试验循环数较少），按现有公式计算偏差可接受且可达到简化数据处理的需要。但考虑到今后法规和用户对车辆实际使用的油耗要求越来越高，主要跑高速的干线运输重型混动车发动机大部分工作时间均处于燃烧高效区，可用的降能耗选择不多，加大动力电池电量将会成为主要手段，建议后续国标修订时考虑进行优化。另外，学者们也要加强对试验条件的思考，未来建议在有限的条件下，尽可能还原真实行驶环境，从而得到更加真实的续航数据。