基于不同行駛工況的純電動汽車電能量消耗影響因素研究

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(1.華南理工大學(xué)機(jī)動車檢測技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510641; 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引言

在不同的行駛工況下，純電動汽車電能量消耗差異較大。要想提高純電動汽車在城市工況下的續(xù)駛里程，就需對純電動汽車在城市工況下的電能量消耗特性加以研究。通過純電動汽車城市工況下的整車實(shí)驗(yàn)，找出其在城市工況下的電能量消耗特性，合理設(shè)計整車控制策略以降低電能量消耗提高續(xù)駛里程。然而，針對典型城市工況的純電動汽車電能量消耗研究多局限于仿真階段，文獻(xiàn)[1]采用AMESim軟件建立了電動汽車能耗特性研究仿真平臺，基于此平臺研究了能耗最優(yōu)的驅(qū)制動電機(jī)控制策略。相關(guān)文獻(xiàn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的較少，有實(shí)驗(yàn)也僅針對單一城市工況，缺乏多城市工況的純電動汽車整車實(shí)驗(yàn)的對比分析。文獻(xiàn)[2]僅針對上海市道路工況分析驅(qū)制動系統(tǒng)的能耗特性，提出能耗最優(yōu)的扭矩分配控制策略。在此，以某款純電動汽車為研究對象，通過NEDC，Jap1015和FTP75典型城市工況純電動汽車電能量消耗實(shí)驗(yàn)，找出不同行駛工況下純電動汽車電能量消耗與行駛特征參數(shù)之間的關(guān)系，為純電動汽車整車控制策略的制定提供依據(jù)。

1 基于行駛工況的純電動汽車電能量消耗機(jī)理分析

行駛工況是由一系列的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，代表著具有一定載荷下某一階段的車輛速度ua(t)和加速度dua(t)/dt隨時間t變化點(diǎn)的集合[3]，通常用來評估純電動汽車能耗特性。在行駛工況下，純電動汽車所需的驅(qū)動力Ft(t)[4]可表示為：

Ft(t)=mgfcosα+mgsinα+

(1)

Ft(t)為驅(qū)動力；m為汽車質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；α為道路坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua(t)為車速；dua(t)/dt為加速度；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。由于驅(qū)動電機(jī)是純電動汽車唯一的動力源，其驅(qū)動電機(jī)輸出功率Pmo(t)為：

(2)

ηt(t)為機(jī)械傳動效率。由電動汽車機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換關(guān)系[5]可知，驅(qū)動電動機(jī)Pmo(t)與動力電池輸出功率Pess(t)之間關(guān)系可表示為：

(3)

Pess(t)為電動汽車動力電池輸出功率；ηess(t)為逆變器轉(zhuǎn)換效率；ηm(t)為電機(jī)工作效率。因此純電動汽車行駛t時間內(nèi)電池消耗的總電能量為：

(4)

在該時間段內(nèi)，電動汽車單位里程能耗Ecr為：

(5)

當(dāng)電動汽車載荷和行駛工況一定時，m，f，α，CD，A，δ，ηess(t)和ηt(t)可看為定值。根據(jù)電機(jī)工作原理，電機(jī)工作效率ηm(t)由驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速nm(t)和轉(zhuǎn)矩Tm(t)決定，即可認(rèn)為電機(jī)工作效率ηm(t)與車速ua(t)和加速度dua(t)/dt存在著一定的函數(shù)關(guān)系[6]，即可認(rèn)為電機(jī)的工作效率隨車速ua(t)和加速度dua(t)/dt的變化而變化，其值可表示為ηm(ua(t)，dua(t)/dt)。因此，純電動汽車單位里程能耗表達(dá)式為：

Ecr=

(6)

由式(6)可知，Ecr主要與車速和加速度變化有關(guān)，即不同的ua(t)和dua(t)/dt變化產(chǎn)生不同的Ecr值，故通過研究不同行駛工況下ua(t)和dua(t)/dt的變化對Ecr的影響，找出使單位里程能耗Ecr減小的ua(t)和dua(t)/dt變化規(guī)律，對降低純電動汽車單位里程能耗、提高續(xù)駛里程有重要意義。

2 典型行駛工況下純電動汽車電能量消耗實(shí)驗(yàn)與分析

為分析不同行駛工況下車速ua(t)和加速度dua(t)/dt對動力電池組單位里程能耗Ecr的影響，以某款純電動汽車為研究對象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

運(yùn)用純電動汽車電能量消耗測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選取歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(ECE)的NEDC工況、美國環(huán)保署的FTP75工況以及日本電動汽車協(xié)會的Jap1015工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，電能量消耗測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本原理如圖1所示。

表1 純電動汽車主要技術(shù)參數(shù)

圖1 純電動汽車電能量消耗測試系統(tǒng)基本原理

由圖1可知，該電能量消耗測試系統(tǒng)主要由AVL Roadsim底盤測功機(jī)和日置HIOKI 3390電能量消耗測試儀組成。其工作原理是：當(dāng)純電動汽車行駛時，底盤測功機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的行駛工況，通過加載器對純電動汽車驅(qū)動輪施加相應(yīng)的負(fù)荷∑F，并通過轉(zhuǎn)速傳感器測得底盤測功機(jī)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速nd，根據(jù)轉(zhuǎn)轂半徑rd進(jìn)而計算出車速ua(t)和加速度dua(t)/dt，與此同時，電能量消耗測試儀測出動力電池組放電電流Iess(t)和放電電壓Uess(t)。

實(shí)驗(yàn)按照國標(biāo)GB/T 18386--2005要求進(jìn)行[7]，且不考慮能量回收和附件電能量消耗。首先，調(diào)整好純電動汽車與底盤測功機(jī)的相對位置并對車輛進(jìn)行固定。然后，根據(jù)國標(biāo)要求設(shè)置底盤測功機(jī)施加給車輛驅(qū)動輪的負(fù)荷∑F。接著，將電能量消耗測試儀與純電動汽車動力電池組正負(fù)極導(dǎo)線相連。最后，駕駛員操作加速踏板同時觀察車速顯示屏，使實(shí)際車速ui(t)和理論車速uT(t)差值保持在國標(biāo)規(guī)定公差范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，導(dǎo)出車速ua(t)、加速度dua(t)/dt、電池組放電電流Iess(t)和放電電壓Uess(t)等隨時間t變化數(shù)據(jù)。其中，在NEDC，Jap1015和FTP75實(shí)驗(yàn)工況0～617 s時間(簡稱實(shí)驗(yàn)時間)內(nèi)，車速ui(t)隨時間t變化曲線如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)NEDC，Jap1015和FTP75工況下的動力電池組輸出功率Pess(t)隨時間t變化曲線如圖3所示。

依據(jù)式(6)可計算出實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)實(shí)驗(yàn)所用3種行駛工況動力電池組單位里程能耗。其中，純電動汽車動力電池組按Jap1015工況平均單位里程能耗Ecr-m-Ja最低，僅為159.77 (W·h)/km；NEDC工況平均單位里程能耗Ecr-m-NE為244.91 (W·h)/km，是Jap1015工況的1.53倍；FTP75工況平均單位里程能耗Ecr-m-FT最高為337.25 (W·h)/km，是Jap1015工況的2.11倍。由此可見，不同行駛工況下動力電池組單位里程能耗差異較大。

圖2 NEDC，Jap1015和FTP75實(shí)驗(yàn)工況下 車速隨時間變化曲線

由于NEDC，Jap1015和FTP75工況是由加速、勻速、減速和停車過程所組成，為了分析加速、勻速和減速過程對實(shí)驗(yàn)所用3種行駛工況動力電池組單位里程能耗的作用大小，分別求出實(shí)驗(yàn)所用3種行駛工況的不同行駛階段動力電池組單位里程能耗，如表2所示。

由表2可知，實(shí)驗(yàn)所用3種工況加速階段單位里程能耗遠(yuǎn)大于勻速階段和減速階段，如在NEDC工況加速階段，其Ecr-a-NE為539.49 (W·h)/km，它是勻速階段的Ecr-c-NE的3.93倍，是減速階段的Ecr-d-NE的18.53倍。平均單位里程能耗大的FTP75工況，其加速階段的Ecr-a-FT也最高，平均單位里程能耗最低的Jap1015工況，其加速階段的Ecr-m-Ja最低。且3種工況的加速階段行駛時間所占比例較長，分別為31.0%，39.8%和31.1%。由此可知，實(shí)驗(yàn)所用3種工況的單位里程能耗大小取決于加速階段。

為此，對3種行駛工況的加速階段進(jìn)行研究，其中，NEDC工況加速階段包含8個加速過程，Jap1015工況加速階段包含10個加速過程，F(xiàn)TP75工況加速階段包含14個加速過程，3種工況每個加速過程單位里程能耗隨每個加速過程平均加速度變化如圖4所示。

圖3 NEDC，Jap1015和FTP75實(shí)驗(yàn)工況下 動力電池組輸出功率隨時間變化曲線表2 NEDC，Jap1015和FTP75工況的不同行駛階段動力電池組的單位里程能耗 (W·h)/km

由圖4關(guān)系曲線可知，NEDC，Jap1015和FTP75工況的加速過程隨著每個加速過程平均加速度增大單位里程能耗逐漸遞增，可見行駛參數(shù)中加速度是影響純電動汽車單位里程能耗的因素之一。

圖4 NEDC，Jap1015和FTP75加速過程 單位里程能耗隨平均加速度變化

為進(jìn)一步研究NEDC，Jap1015和FTP75工況加速過程的平均加速度大小對純電動汽車單位里程能耗的影響，對其加速工況平均加速度分布進(jìn)行統(tǒng)計，如圖5所示。

圖5 NEDC,Jap1015和FTP75工況加速過程 平均加速度分布

由圖5可知，動力電池組平均單位里程能耗低的Jap1015工況平均加速度主要分布在低加速度區(qū)，動力電池組平均單位里程能耗高的FTP75工況平均加速度分布范圍廣且高加速度區(qū)所占比重大，NEDC工況加速過程平均加速度分布較集中且位于中加速度區(qū)。因此可知，NEDC，Jap1015和FTP75工況加速過程中加速度分布不同導(dǎo)致3種工況動力電池組單位里程能耗差異。

3 結(jié)束語

為了研究行駛工況特征參數(shù)對電動汽車電能量消耗之間的關(guān)系，以NEDC，Jap1015和FTP75工況下的電動汽車電能量消耗為研究對象，進(jìn)行了基于行駛工況的純電動汽車動力電池組電能量消耗實(shí)驗(yàn)，分析了加速、勻速和減速工況對純電動汽車電能量消耗的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所用3種行駛工況下純電動汽車單位里程能耗差異較大，其中加速工況對純電動汽車電能量消耗最大，占整個總電能量60%以上，其單位里程能耗也遠(yuǎn)大于勻速和減速工況，即加速工況決定整個行駛工況電能量消耗。接著對NEDC，Jap1015和FTP75工況加速過程進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著平均加速度增大單位里程能耗增大。由此可得出行駛工況特征參數(shù)中的加速度dua(t)/dt對純電動汽動力電池組單位里程能耗Ecr影響較大。通過合理設(shè)計基于行駛工況的加速曲線及其控制策略是降低純電動汽車能耗提高續(xù)駛里程的關(guān)鍵技術(shù)之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王猛,孫澤昌.電動汽車驅(qū)制動能耗特性研究[C]∥2013年中國汽車工程學(xué)會年會論文集.北京:北京理工大學(xué)出版社,2013:253-257.

[2] 孫澤昌,曾英捷,劉楊.基于上海市道路工況電動汽車能耗特性研究[J].機(jī)電一體化,2014,20(8):41-46.

[3] 周飛鯤.純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué),2013.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5] 邢偉.電動汽車用永磁同步電動機(jī)及傳動控制系統(tǒng)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2004.

[6] 秦大同,周保華,胡明輝,等.兩擋電動汽車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2011,34(1): 1-6.

[7] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車能量消耗和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法:GB/T 18386—2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.