電動車經濟性影響因素分析及能量管理測試研究

崔華芳

(比亞迪汽車工業有限公司，廣東深圳 518118)

0 引言

汽車作為現代生活中不可或缺的一部分，已經進入尋常百姓家。隨著政府對新能源汽車的政策鼓勵和人們的環保意識增強，純電動汽車銷量逐年走高，2018年度銷量更是突破200萬大關，達到201.8萬輛，其中12月份單月銷量28.6萬輛，同比增長70%。

在國家新能源政策的支持下，國內外各車企紛紛投身于新能源電動車市場，加大新能源電動車的研發，電動車的續航里程不斷提升，目前已經批產有工況續航里程500 km(NEDC工況法測試)以上的車型，如特斯拉Model 3、比亞迪唐等。

但目前大眾對新能源電動車仍有里程焦慮，因為目前各車型宣傳的續航里程是采用常溫下標準NEDC工況法測試或者采用等速60 km工況測試，和實際的用戶駕駛工況差異很大，大部分車型的實際用戶使用續航里程往往大打折扣，不到廠家宣傳續航里程的7成，在冬季或者天氣炎熱的夏季，由于大量使用空調的原因，續航里程往往打對折，造成了電動車在使用過程中的里程焦慮。

近年來隨著電動車產業的迅猛發展，逐步出臺了一系列新能源汽車的測試標準和評價體系，對純電動汽車的經濟性和動力性等進行測評。這些法規和標準的推出讓消費者對電動車型的了解更加深刻，同時也促進了行業的進步。其中比較重要的標準和法規如GB/T 36980-2018《電動汽車能量消耗率限值》(如表1)和GB/T 18386-2017《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》，同時中汽研還推出了EV-TEST電動汽車測評管理規則等。

表1 新能源準入標準(討論稿)

這些標準對電動汽車的經濟性結果做了測試評價。但是并沒有具體體現某款電動車能耗高低的影響因素或者說這些測試結果并沒有對該款電動車能耗高低的原因進行測試分解，無法直觀體現影響電動車能耗高低的關鍵因素和改進方向，所以還需要進一步研究電動汽車的測試評價方法。

1 電動車經濟性影響因素分析

為了更好地對電動車經濟性進行測試評價，首先需要從電動車經濟性的影響因素進行分析。汽車的能量消耗與很多因素有關，從大的方面來說，主要分為整車阻力、驅動系統的效率特性、整車策略及低壓零部件的影響等因素有關。

1.1 整車阻力的影響

汽車在水平道路行駛時，必須克服來自地面的滾動阻力Ff和來自空氣的空氣阻力Fw，此外，可能還需要克服坡度阻力Fi(重力沿坡道的分力)和加速阻力Fj。因此汽車行駛的總阻力及各部分阻力的分解如圖1所示。

圖1 整車形式阻力分解示意

通過仿真計算可以知道：電動車的行駛阻力每增加100 N，其每100 km的電耗將增加2.5～3 kW·h。從圖1可以看出：如果對整車行駛阻力進一步分解，可以看出影響整車阻力的關鍵因素有如下幾個：

1.1.1 整車質量

整車質量是影響整車行駛阻力的關鍵因素，會影響整車行駛滾動阻力，整車質量每增加200 kg，電動車百公里電耗約增加0.5 kW·h。眾所周知，電動車因電池的原因整車質量較高，目前整車輕量化是各車企重點研究的方向。

1.1.2 整車風阻

整車風阻的關鍵影響因素是風阻系數，在整車行駛過程中，隨著車速的升高，風阻占整個行駛阻力的比例不斷上升。優化整車風阻系數，也是目前各車企重點發力的方向。

1.1.3 整車內阻

如果把整車阻力簡化為滾動阻力、風阻和內阻的話，那么內阻往往是大家忽略的一個方面。電動車的內阻又可劃分為驅動電機內阻、傳動系統內阻、制動卡鉗拖滯阻力和轉轂軸承阻力，該阻力大概占整車阻力的15%～30%。圖2為某款車型整車阻力的分解示意圖。

圖2 某款車型阻力分解示意

1.2 驅動系統效率特性

影響電動車經濟性的另一重要因素就是驅動系統的效率特性。電動車驅動效率每提升1%，電動車的續航里程將提升1.1%～1.2%，可見電動車驅動系統效率對續航里程影響較大。電動車驅動系統主要包含驅動電控、驅動電機及傳動系統，其系統的效率特性可以從如下兩個方面來評價。

1.2.1 驅動系統穩態效率MAP圖

系統穩態效率MAP圖如圖3所示，主要有兩大評價指標，高效區占比和常用工作點高效區分布及工作點數兩個指標。從圖3可以看出，高效區占比是評價電驅動系統本身的關鍵指標，包含了最高效率點、高效區覆蓋整個工作面區域的占比，其高效區覆蓋面占比越大，驅動系統本身效率特性越高，這一指標是評價電驅系統產品本身效率特性的關鍵指標。

圖3 某車型電驅動總成系統效率MAP

1.2.2 驅動系統工況效率

驅動系統的工況效率(如NEDC、WLTC、CLTC或典型的用戶駕駛工況)主要體現驅動系統兩個方面的因素：一方面為驅動系統的系統匹配，常用工作點的負荷區域是否落在高效區；二是驅動系統的控制精度，即穩定工況下，系統的效率波動性。圖4為某車型驅動系統常用工作點在電驅系統高效區(如85%以上的區域)上的工作點數示意圖，該項主要為電驅系統和整車匹配所需要重點考慮的因素，主要和所匹配目標車型的系統阻力、目標動力性(如爬坡能力、加速能力、最高車速等)等密切相關，是評價電驅系統和整車匹配好壞的評價因素。

圖4 常用工況在電驅系統MAP上的分布

圖5為某車型電驅動總成在該車型參數下，運行NEDC工況所得的效率圖?？梢钥闯觯涸诜€定工況下，系統驅動效率上下波動較大，因此該系統的整個控制精度又要進一步優化。

圖5 某車型電動總成NEDC工況驅動效率

1.3 電動車低壓系統影響

隨著整車電氣化程度越來越高，眾多新能源車型上的電氣化配置也越來越豐富。日益豐富的電氣化配置，除了給電動車帶來更好的使用體驗外，也為電動車帶來更多的能量消耗，因此除了高壓系統外，整車低壓對電動車的能耗也有較大的影響。圖6為某車型在NEDC工況下低壓系統實時電耗曲線?？梢钥闯觯涸诓糠止r下，低壓電耗瞬時可高達幾百瓦，這受整車電驅系統、電池冷卻等策略的影響。一般來說，目前常規電動車低壓系統百公里耗電約0.4～0.7 kW·h。

1.4 電動車控制策略的影響

除了常規的冷卻系統控制策略外，對電動車經濟性影響較大的電動車整車控制策略主要有能量再生策略(制動系統)和前后驅動力分配策略。

圖6 某車型在NEDC工況下低壓耗電曲線

1.4.1 電動車能量再生策略

能量回收是降低電動車整車能耗的直接手段。電動車的制動系統是由機械摩擦制動和電驅系統再生能量制動兩者疊加而成，這也是電動汽車與傳統燃油車區別大的地方，該項對電動車能耗影響也比較大，如圖7所示。

圖7 電動車能量再生系統原理

一般情況下，電動車都有強回收、標準回收和弱回收3種能量回收模式，選用不同的回收模式對電動車百公里電耗影響較大。圖8所示為某車型在NEDC工況下，采用不同能量回收模式對消耗電能的影響。

圖8 不同能量回收模式對能耗的影響

但是能量回收又受到整車制動系統控制方式、駕乘主觀感受等因素的影響。例如整車制動系統控制方式分為串聯式和并聯式，前者制動回收率高，但是結構比較復雜；后者制動力低，但是結果較低；同時制動回收能量對駕駛員的感受有影響，在追求高效率的制動能量回收過程中，也應該在兩者之間找到最優解。

1.4.2 電動車動力分配策略

對于四驅電動車來說，前后驅在動力上的分配占比也會影響到整車的能耗。一般情況下，整車都是用1∶1的方式進行前后動力分配。有研究表明：對于四輪獨立驅動電動車，與固定的轉矩分配方法相比，基于轉矩分配優化算法的系統能耗可以降低15%以上。

同樣對于前后驅的整車來說，由于電驅動系統效率MAP特性及整車軸荷分配等因素，如果能夠依據工況、駕駛習慣、轉矩分配等條件建立一個動力分配的動態調整策略，整車依據這個策略對前后驅動力進行優化分配，那么整車能耗也可以進一步降低。圖9為某車型在NEDC工況、不同動力分配策略下的百公里能量消耗情況，可以明顯看出動力分配對能耗的影響。

圖9 某車型不同動力分配百公里電耗

2 國標測試評價方法淺析

前文中已經提到國家為了促進新能源汽車的發展，不僅有政策鼓勵，同時還利用國標和評價方法來限制新能源汽車門檻和提高準入產品的品質。下面就之前提到的中汽研推出的EV-TEST和GB/T 18386《電動汽車 能量消耗率和續駛里程 試驗方法》進行簡單分析。

2.1 EV-TEST

EV-TEST是由中汽研推出的電動汽車測評管理規則，前面提到，該項目主要聚焦用戶在車輛使用過程中關注的性能，建立一套評分機制對車輛的測試結果進行評價。在該測評規則的指導下，用戶可以很直觀地看出車輛的好壞。EV-TEST電動汽車測評規則總覽的測試包括續航、電耗、充電、安全和動力5個方面。其中涉及能耗的主要是續航和電耗兩大方面。

2.1.1 續航測評

續航測評包括高溫、低溫和常溫測試，測試工況為CLTC-P工況，在高溫和低溫測試下需開空調。續航評價結果打分以常溫結果為基礎，高溫下續航里程比常溫續航里程下降率不得超過40%，低溫不得超過60%。具體評分準則見表2。

表2 EV-TEST續航評分規則

2.1.2 電耗測評

整車電耗結果以100 km電耗為基礎，并且根據整備質量制定了劃分線，即Y=0.006m+8，Y為百公里電耗，單位kW·h/100 km，m為整備質量，單位為kg，具體測評規則見表3。

表3 EV-TEST電耗評分規則

2.2 電動汽車能量消耗率

在GB/T 18386《電動汽車 能量消耗率和續駛里程 試驗方法》將電動車劃分為兩類，即N1、M1和質量不超過3 500 kg的M2類車輛劃分為一類，除此之外的其他車型劃分為另一類。該標準介紹了兩種測試方法，工況法和等速法。針對電動乘用車來說，主要采用NEDC工況，記錄電動車來自電網的能量E電能(Wh)和行駛距離D(km)，通過如下公式：

計算得到的結果為能量消耗率C，單位W·h·km-1。

2.3 對比分析

無論是EV-TEST還是GB/T 18386，都對整體能耗情況進行測試和評價，用戶也可以根據這兩種方法的結果對電動汽車的經濟性有一個大概的了解。目前新能源汽車降能耗/提續航是各大主機廠的重點任務，如何開展降能耗，關鍵是要將整車能耗在整車各環節的流動過程進行詳細分解和精準測試，找出整車各系統(如電驅系統、電池、空調、低壓等)及整車各特性(如車重力、風阻等)對整車能耗的影響程度，找出關鍵影響因素，從而有針對性地進行降能耗改進，該方法即是能量管理測試評價方法。

3 能量管理臺架測試

3.1 能量管理測試概述

整車在工作過程中，能量有一個傳遞路徑，在傳遞路徑上基于整車架構又會有能量的利用和損失。新能源整車能量流測試牽涉兩大系統：燃油系統和電驅動系統，在整車運行過程中，能量流動牽涉數十個環節。圖10為新能源整車運行過程中，能量流動環節示意圖。

圖10 新能源整車能量流動示意

眾所周知，能量流動的過程必然存在能量的消耗。如何通過整車能量流的測試分析，找出整車運行過程中能量在各環節消耗占比，并找出對能量消耗貢獻最大的關鍵因子，為后續的能量管理改進優化提供依據，并對改進方案進行系統測試評價，這是管理測試的重要作用。

3.2 新能源車臺架能量管理測試

臺架能量管理測試(見圖11)是在整車的實際工作條件下，將整車的4個輪胎拆除，將4個車輪連接到測功系統上，通過實驗室測控系統，對整車能耗(電能&油耗)的臺架逐級分解并精確測試，對降低整車能耗具有重大意義。具體的實驗環境條件可以模擬大多數用戶使用的實際環境條件(如-10～50 ℃)，和各穩態和動態工況下的能量流進行分析和優化，找出對車輛油耗/電耗、排放、動力性等性能的影響因素及其貢獻量，確定在最有潛力的地方采取優化方案，并對優化方案進行測試驗證。

3.3 能量管理測試工況

一般情況下，能量管理臺架測試工況可以分為三大類：一類是標準的法規能耗工況，比如NEDC、WLTC及CLTC，這類工況主要用來測試標準工況下能耗情況(對標整車實際能耗)及在標準工況下的能耗分解(分解出能耗消耗占比)；第二類工況是實際道路工況的臺架在線，主要用于驗證模擬實際用戶駕駛工況下的能耗情況及對能耗進行分解；第三類工況主要是特殊制動工況，主要是進行策略驗證。圖12為能量管理臺架測試的主要工況示意圖。

圖11 新能源車能量管理臺架測試

圖12 能量管理臺架測試工況示意

3.4 能量管理測試方法

能量管理臺架測試在整車臺架上進行，如圖11所示，整車輪胎拆除后，通過轉接夾具將四輪連接在實驗室臺架測功機上。為了使能量傳遞路徑上的分解盡量準確，應該盡量采用傳感器實測各部分參數，同時傳感器的參數也要滿足高精度的要求。除了測功機直接測量的輪端轉速扭矩外，電參數的測試也非常重要，如各環節高壓電功率損耗、DCDC低壓損耗等數據是整車能量分解的重要環節。圖13為某車型能量管理分解臺架測試需要安裝傳感器測試的位置。

一般情況下，能量管理臺架測試，能量分解主要的數據來源自三部分：一部分是直接測量的量，如發動機的燃燒情況、各電功率的情況、冷卻系統壓力溫度情況等，可以直接采用傳感器測量；第二類是通過整車CAN網絡讀取的CAN網絡關鍵數據，這類數據一般只能作為分析的輔助，重點進行分析策略對能耗的影響；第三類是通過建模進行仿真，得出部分不能通過第一類、第二類得到的關鍵數據，如制動卡鉗的拖滯損失。

圖13 某車型能量流動及測試示意

3.5 能量管理測試結果

如前所述，新能源車能量管理分解測試，主要是采用標準工況(如NEDC、WLTC、CLTC等)，一方面對標整車實際能耗，另一方面以此為基準進行整車能耗分解，找出能耗在工況運行中異常消耗的部分，或者超出設計指標/競品車指標的系統，為整車降能耗提供指導方向。圖14為某款電動車臺架能量管理對能耗分解的示意圖，很容易對能耗消耗及改進提供參考和指導。

圖14 某車型能量管理分解結果

4 總結及展望

一方面剖析了電動車能耗的主要影響因素，同時分析了現行的能耗測試評價標準，從而提出針對整車降能耗可以采用的行之有效的測試方法——整車能量管理臺架試驗方法。整車能量管理試驗是在車輛真實的工作環境下(如-10～50 ℃的用戶環境模擬)進行全方位的能量流測試，一方面可以和對標車模型/整車仿真數據比對找到差距，為優化改進提供方向；另一方面可以在新車開發的前期更為有效快捷地評估實際能耗結果，縮短開發周期，降低發開成本。

目前新能源整車能量管理測試評價方法的研究及推廣應用尚處于起步階段，國外僅有Siemens、AVL、FEV等少數供應商可以開展，國內大多數主機廠僅僅是在初步摸索研究階段，相關后續的研究工作尚待進一步完善發展。