基于不同車速的純電動(dòng)汽車能耗分析研究①

, , , ,

(1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車工程研究院，天津 300300)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車政策的激勵(lì)以及購(gòu)買者消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，近兩年純電動(dòng)汽車市場(chǎng)一片繁榮景象[1]。目前對(duì)電動(dòng)汽車能耗研究多是以特定循環(huán)工況作為運(yùn)行工況[2～4]，如NEDC，WLTC循環(huán)等，以此作為分析測(cè)試車輛經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)。然而純電動(dòng)汽車中的動(dòng)力電池、電機(jī)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出特性都與速度有很大聯(lián)系。通過(guò)對(duì)測(cè)試車輛進(jìn)行10-80km/h分速能耗測(cè)試，分析微型電動(dòng)汽車在不同車速運(yùn)行中的細(xì)分能量消耗情況，計(jì)算各車速下關(guān)鍵用電設(shè)備的工作效率，了解測(cè)試車輛經(jīng)濟(jì)性情況。研究不同行駛速度下測(cè)試車輛能量消耗和關(guān)鍵用電設(shè)備工作效率，對(duì)后續(xù)車輛性能優(yōu)化提升有重要作用。

1 測(cè)試車輛相關(guān)參數(shù)

測(cè)試車輛選用一款能量源為三元鋰離子電池的微型純電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池容量為21kW·h，車輛各相關(guān)參數(shù)如下表1：

表1 車輛參數(shù)

作為數(shù)據(jù)處理分析的重要依據(jù)，根據(jù)測(cè)試得到的車輛在道路上等速行駛時(shí)的阻力，繪制出行駛過(guò)程中的道路阻力曲線如圖1。

圖1 車輛道路阻力曲線

測(cè)試在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，利用電流探頭、功率分析儀監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)力電池、電機(jī)控制器、DC/DC變換器等主要部件的電流、電壓等相關(guān)物理量。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，測(cè)試前車輛需通過(guò)車載充電機(jī)加載220V交流電源充滿電，靜置1-2小時(shí)后方可進(jìn)行能耗測(cè)試[5]。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)連接圖

圖2為電信號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的連接圖，在高壓配電盒與動(dòng)力電池、電機(jī)控制器、DC/DC變換器之間分別連接電流傳感器和電壓傳感器；在電機(jī)控制器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相電之間連接電流傳感器和電壓傳感器；在DC/DC變換器與12V蓄電池之間連接電流傳感器和電壓傳感器；在12V蓄電池輸出端連接電流傳感器和電壓傳感器。

測(cè)試分八個(gè)不同車速持續(xù)進(jìn)行，分別是10km/h，20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h，80 km/h。測(cè)試過(guò)程中車輛在每個(gè)速度段運(yùn)行時(shí)間約為2.5min，每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度公差應(yīng)當(dāng)控制在±2km/h[6]。底盤測(cè)功機(jī)和功率分析儀的采樣頻率均為5Hz.測(cè)試過(guò)程中車速隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)行駛工況

2.2 能量消耗、效率分析與計(jì)算

分析計(jì)算各車速段電機(jī)控制器、DC/DC變換器等主要部件的效率以及驅(qū)動(dòng)力耗能、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能占動(dòng)力電池總耗能的比例有利于為降低整車能耗提升續(xù)航里程找到突破口。

2.2.1 行駛阻力與能耗分析

汽車在行駛時(shí)受到滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力多重阻力影響，根據(jù)車輛行駛阻力方程得汽車行駛的總阻力[7]，即驅(qū)動(dòng)力為

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

式中，F(xiàn)t為行駛阻力之和，即驅(qū)動(dòng)力，N；Ff為滾動(dòng)阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fi為坡度阻力，N；Fj為加速阻力，N。而Ff、Fw可以用速度的二次多項(xiàng)式函數(shù)表示；Fj由平動(dòng)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量m產(chǎn)生；Fi與坡度相關(guān)，在試驗(yàn)時(shí)做常數(shù)處理[8～9].則車輛行駛阻力方程可整理為

(2)

式中，u為車速，km/h；根據(jù)測(cè)試得到的道路阻力曲線方程，得到系數(shù)A、B、C分別為93.805、0.9888、0.0305。

車輛行駛時(shí)各車速段對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力消耗功率為

(3)

圖4 驅(qū)動(dòng)力、加速度變化趨勢(shì)

圖5 動(dòng)力電池、電機(jī)控制器輸入、電機(jī)輸入能量

圖6 各車速段驅(qū)動(dòng)能量與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能

行駛過(guò)程中各車速段消耗能量為：

(4)

2.2.2 主要機(jī)構(gòu)能耗占比與效率

各車速段驅(qū)動(dòng)力耗能占動(dòng)力電池耗能比例

(5)

各車速段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能占動(dòng)力電池耗能比例

(6)

各車速段電機(jī)控制器效率。

(7)

各車速段DC/DC變換器效率

(8)

各車速段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率

(9)

圖7 各車速段主要機(jī)構(gòu)能耗占比與工作效率

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

隨著行駛車速逐步提高，測(cè)試車輛輸出更高的驅(qū)動(dòng)力。由圖4可知，測(cè)試車輛在各相鄰車速段的較低速度向較高速度提速時(shí)，加速度和驅(qū)動(dòng)力有明顯的快速升高趨勢(shì)，速度在新的車速段穩(wěn)定后，驅(qū)動(dòng)力降低，但相對(duì)前一個(gè)車速段的驅(qū)動(dòng)力有所升高。在測(cè)試的最后階段，為了使車輛快速停車，加速度產(chǎn)生一個(gè)非常劇烈的降低，大約為-2.3m/s2，車輛進(jìn)入制動(dòng)能量回收模式，輪邊制動(dòng)力為2337N。

為了在不同車速段給予測(cè)試車輛足以按目標(biāo)車速運(yùn)行的動(dòng)力，動(dòng)力電池逐漸提高各車速段輸出的能量。各車速段動(dòng)力電池消耗能量如下，如圖5所示。隨著車速升高，各主要用電設(shè)備的耗能也隨之增加。

如圖6，測(cè)試車輛車輪處的驅(qū)動(dòng)力消耗能量伴隨車速的升高而提高。由于測(cè)試車輛是前置前驅(qū)車輛，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能相對(duì)較少，并且隨車速升高總體呈上升趨勢(shì)。但是在50km/h和70km/h車速段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能較之于40km/h和60km/h車速段有所降低，出現(xiàn)這種波動(dòng)的原因可能是測(cè)試車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的效率特性和驅(qū)動(dòng)電機(jī)MAP特性綜合導(dǎo)致。

根據(jù)圖7(a)可以看到隨著車速的升高驅(qū)動(dòng)力耗能占電池耗能比例先提高，到50km/h時(shí)有最高的占比，約88%，動(dòng)力電池輸出能量大部分用于克服行駛阻力。在60km/h車速段該占比反而有一明顯下降，隨后又繼續(xù)提高。在10km/h車速段該比例有最低值52.03%，此時(shí)動(dòng)力電池消耗的能量有將近一半在能量傳輸?shù)倪^(guò)程中被消耗掉，沒(méi)有真正用于克服行駛阻力以驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。在20km/h、30km/h車速段的驅(qū)動(dòng)力耗能占電池耗能比例都在75%-80%之間，車速達(dá)到40km/h以后，該比例均在80%以上。

相應(yīng)的，觀察驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能占電池耗能比例變化趨勢(shì)，在10km/h和60km/h車速段占比較高，而在50km/h車速段有較低占比。由于測(cè)試車輛前置前驅(qū)的布置方式，傳動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有過(guò)長(zhǎng)的傳動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能占電池耗能比例總體較低，除過(guò)10km/h和60km/h車速段以外，其余車速段該比例均在10%以下。在10km/h車速段，雖然驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能很低，但是由于動(dòng)力電池輸出能量也很低導(dǎo)致在該車速段的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能占電池耗能比例較高。在60km/h車速段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能占電池耗能比例較高，這也正是行駛阻力占電池比例在60km/h車速段出現(xiàn)明顯下降的原因。為減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能占比，應(yīng)當(dāng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)特性或電機(jī)效率MAP進(jìn)行優(yōu)化。

圖7(b)顯示電機(jī)控制器效率呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢(shì)，低速段上升較快，30km/h后上升緩慢，當(dāng)車速達(dá)到40km/h以后該項(xiàng)效率提高到90%以上。傳動(dòng)系效率除了10km/h和60km/h車速段處于85%左右，其余各車速段效率均在90%以上。DC/DC變換器效率隨車速的變化有明顯波動(dòng)，這是由于DCDC效率主要受低壓附件需求功率影響，在電動(dòng)汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓測(cè)試時(shí)，低壓附件能耗很低，DCDC輸入端電流極低，受測(cè)試儀器精度影響產(chǎn)生較大誤差。

在40km/h和50km/h車速段的驅(qū)動(dòng)力能耗占比高，這也迎合了該款車型經(jīng)常以中低速行駛在城市街道的使用場(chǎng)景。通常車速為60km/h時(shí)是高效區(qū)典型車速之一，而測(cè)試車輛的傳動(dòng)系效率在60km/h車速段較低，不利于提高整車經(jīng)濟(jì)性。造成這種情況的原因有：車速為60km/h時(shí)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速并不在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效區(qū)；機(jī)械傳動(dòng)部件在該車速下功率損失較大。為了使車輛有更高效的能量利用，應(yīng)當(dāng)對(duì)電機(jī)MAP特性、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件效率特性進(jìn)行優(yōu)化，選用高效工作區(qū)更寬驅(qū)動(dòng)電機(jī)或優(yōu)化機(jī)械傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)[10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)一輛純電動(dòng)汽車在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行10km/h至80km/h的分速能耗測(cè)試，最終得到以下結(jié)論：

(1)隨著車速的升高，為了克服由此升高的行駛阻力，動(dòng)力電池、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等主要設(shè)備輸出能量隨之提高。

(2)在10km/h車速段運(yùn)行時(shí)，測(cè)試車輛的各部件工作效率均處在最低水平。因此在日常使用中為了使車輛以高效率狀態(tài)運(yùn)行提高能量的利用情況，應(yīng)當(dāng)避免車輛在10km/h車速段運(yùn)行。

(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作效率在60km/h車速段出現(xiàn)明顯降低。為了緩解如今純電動(dòng)汽車使用者的“里程焦慮癥”，提高電池能量利用率，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高在該速度下的傳動(dòng)系統(tǒng)效率；對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)重新匹配，改善電機(jī)運(yùn)行性能。