提升商用純電動汽車續(xù)駛里程的技術研究

趙建新，吳 舟，王自立，牛振華

(安陽職業(yè)技術學院，河南 安陽 455000)

0 引言

作為解決能源匱乏問題和汽車尾氣引發(fā)的氣候問題的最佳方案之一，純電動汽車已成為紅海世界并被世界各國重點關注[1]。到2035年，節(jié)能汽車與新能源汽車年銷量各占50%，汽車產業(yè)實現(xiàn)電動化轉型，隨著純電動汽車電池的技術性能等相關技術的不斷進步，并逐步走向成熟，純電動汽車將會接近或者達到燃油汽車的性能水平[2]。

近年來，隨著純電動汽車進入千家萬戶，由于電池容量的限制，純電動汽車續(xù)駛里程較短，而提高純電動汽車的續(xù)駛里程在很大程度上可以緩解用戶的“里程焦慮”，合理的續(xù)駛里程可以指導用戶出行。盡管我國出臺了一系列的補貼政策，但是受限于純電動汽車一次充電的續(xù)駛里程太短、售價過高以及充電設施不健全等因素導致我國消費者對純電動汽車認可度不高。以往的研究表明行駛工況對純電動汽車整車的控制策略和能量消耗方面有較大的影響，同一款汽車在不同工況下的續(xù)駛里程差異較大[3-5]。除此之外，在行駛的過程中影響車輛續(xù)駛里程的因素有多種，包括駕駛員的操作特性、車輛自身的參數(shù)、道路及環(huán)境等等。本文以某型號商用車為例，根據純電動商用汽車的控制原理，確定提高續(xù)駛里程的措施主要有電機控制、動力電池管理和整車設計方面，分別對其控制策略的優(yōu)化進行分析，從而提出提高續(xù)駛里程的措施。

1 電動汽車控制系統(tǒng)工作原理

要想提高純電動車續(xù)駛里程，首先要知道純電動汽車控制系統(tǒng)是如何工作，以某款商用車為例，其控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，通過駕駛者控制踏板及檔位操作、動力系統(tǒng)的相關信息及車輛自身狀態(tài)的判斷，給出模擬電子信號給控制器或處理器，選擇驅動模式后，由控制器或處理器將模擬信號處理后控制電動機的輸出功率、轉速及正反轉。純電動車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛，其由電力驅動及控制系統(tǒng)、驅動力傳動機械系統(tǒng)組成[6]。結合控制系統(tǒng)原理圖，可知提高措施主要有三方面：1、電機控制；2、動力電池管理；3、整車設計。分別對其介紹如下：

(1)整車控制部分:

整車控制部分主要是判斷操縱者意愿，根據車輛行駛狀態(tài)和電池、電機系統(tǒng)的狀態(tài)合理分配；

(2)電機及電機驅動部分:

電機及其驅動部分功能是電能和機械能的相互轉換的子系統(tǒng)，其功能是接受整車控制器的轉矩信號，驅動車輛行駛、轉向和再生制動回饋能量，同時監(jiān)控電機系統(tǒng)狀態(tài)并故障報警和處理。

(3)電池、電池管理和電壓轉化部分:

這部分的作用主要是進行能量的貯存及能量的釋放、需要電壓的轉換和電池狀態(tài)的檢測等等。

整車控制(VCU)、電池管理(BMS)及電機管理(MCU)三個部分的結構如圖2:

2 電機控制方面

2.1 使電機工作在高效率區(qū)間

(1)普通單電機在低速、高速輕載等情況下，效率降低較多

通常電機的最高工作效率區(qū)在高轉速區(qū)域(>4000rpm)，對應的車速大致為65～80km/h，如圖3所示。在高效率區(qū)間方面，電動機雖然比內燃機大的多，但是汽車對轉速和轉矩的要求范圍太寬：良好的的加速能力和爬坡性能需要大的扭矩，而速度從0到100km/h以上則對轉速范圍區(qū)間有非常高的要求。

雖然在大部分中高速工況下，電動機的效率都能很高，但是在市內低速重載、低速起步、低速輕載、高速輕載等情況下，電動機的效率相對于高效率區(qū)間會下降20～30%。因此，使電機工作在高效率區(qū)間是很關鍵的一步。

如果設計單電機能夠滿足高扭矩和高轉速的區(qū)間，則設計及制造的困難程度大，車身總重量也會大。

(2)雙電機可以提高高效率區(qū)間

可以通過搭配不同的電機構成雙電機系統(tǒng)，能使系統(tǒng)工作的高效率區(qū)間大大增大，提升在低速重載、高速輕載等情況下的效率。雙電機系統(tǒng)還可以提高制動時能量回收的效率。驅動效率和回收效率是不同模式下的兩種效率，兩者其實是一回事，當在電動模式下工作的時候是驅動效率，在發(fā)電模式下工作的時候就是回收效率，雙電機模式下會擁有更多的高能量回收效率區(qū)間，從而可以提高制動能量回收的效率。使用雙電機系統(tǒng)還可以解決單電機系統(tǒng)動力中斷的問題。單個電機可以通過搭配多檔位變速箱達到更高的效率，但是如果搭配變速箱，在變速的過程中就會有換檔動力中斷的現(xiàn)象，而使用雙電機系統(tǒng)協(xié)調控制則不會出現(xiàn)此情況。

以某車型為例，以下幾種階段是雙電機系統(tǒng)在不同的速度工況下是如何配合工作，從而實現(xiàn)更高的效率，其中TM電機負責主驅，BM電機負責輔助。

在低速范圍內，TM 電機工作。 當需要全加速時，BM電機與1檔連接。 兩者扭矩耦合，疊加扭矩7S左右即可輕松實現(xiàn)百公里加速；

在中高速范圍內，系統(tǒng)根據工作條件自動選擇工作電機，使系統(tǒng)始終處于高效率范圍內；

在高速輕載范圍內，系統(tǒng)將BM電機連接到2檔，通過轉速耦合，兩臺電機仍可在高效段工作。

2.1 最大限度增加能量回收

制動能量回收控制的工作原理是電動車在制動和滑行的時候，永磁同步電機變成發(fā)電機，發(fā)出三相交流電，通過電機控制器轉變成動力電池的高壓直流電，給動力電池充電，在足夠的制動扭矩的基礎上最大限度地回收能量，以滿足純電動汽車的制動安全距離和制動性能。

當制動強度較小時，再生制動力矩完成制動，保證制動系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。電機制動能力受限于最大制動力矩和功率限制，當制動強度較大，再生制動力矩也不可能超過當前轉速下的最大扭矩。當制動強度較大，即當?shù)孛娓街υ黾訒r，電機的最大再生制動力只能滿足部分制動強度需求，其他制動需求由液壓制動系統(tǒng)提供。電機再生制動和液壓制動的結合使得制動力的分配控制策略更加的復雜，必須在保證車輛運行安全的基礎上進行合理分配，否則會影響實際的控制效果，具體是否需要電機制動，且能否滿足能量回收條件，取決于車輛實時運行工況。若只以增大能量回收為目標，會嚴重降低整車動力性和舒適性，甚至影響其它零部件壽命和人身安全。能量回收條件較為苛刻，如果回收能量≤回收過程所消耗的能量，能量回收得不償失。此外，能量回收還受當前動力電池允許的最大回充電流和SOC限制。

3 動力電池管理方面

3.1 續(xù)駛里程估算

續(xù)航里程計算功能，根據BMS剩余電量和單位能耗行駛的里程數(shù)，計算出車輛的續(xù)駛里程。

計算公式：

總能量=SOC*當前電池最大電壓(V)*電池額定電量(Ah)

單位能耗 = SOC變化量*電壓變化量*電量變化量

續(xù)航里程Sres=單位能耗行駛里程*(總能量-∑單位能耗)

從公式可知，續(xù)駛里程取決于動力電池總能量，重點影響參數(shù)為電池電壓和電量；因此，當電池匹配和選型確定后，從整車能量管理角度考慮，續(xù)駛里程幾乎沒有太大優(yōu)化空間。

3.2 改善能量管理，降低不必要能量使用率

(1)適當提高動力電池SOC的使用范圍

適當提高動力電池SOC使用窗口，如[10, 100]%。需要注意動力電池在低SOC情況下的輸出電流/功率限制，需要保證輸出的功率限制能夠滿足固定勻速時的功率需求；同時為了盡可能多的接受回收的能量，應滿足所設定的峰值充電功率/回充功率要求。

各單體SOC一致性很大程度上決定了動力電池組放電能力，因此動力電池的充放電能力受單體充放電能力的影響，其中在低溫、低SOC的情況下，單體電池的充點電能力會受到限制；在低溫、高SOC的情況下，單體電池的充電/回充功率也會受到影響[7]。因此，動力電池SOC的設定范圍應結合整車動力系統(tǒng)峰值功率需求確定。

SOC可用范圍的大小關鍵還取決于鋰離子電池參數(shù)的準確性和BMS算法的準確性。同時在確保電池安全運行的前提下，面對各種工作條件，BMS策略和算法不能一刀切，需在多個層次上準確實施[8]。在鋰離子電池安全運行的前提下最大限度的發(fā)揮電池能力，優(yōu)化最大化SOC使用范圍。

(2)降低車輛附件能耗

在車輛行駛過程中，車輛上的其他電氣設備的功率需求會消耗一部分電能。這些電氣設備包括除了由用戶操作的空調、娛樂系統(tǒng)和照明系統(tǒng)之外，還有車輛運行過程中自身需要消耗的電能，例如各個控制器的電源消耗，熱管理系統(tǒng)的消耗(比如冷卻電機，水泵、冷卻風扇)等等[9]。在保證車輛正常運行的情況下，降低這部分的電氣附件能耗或者使用更加節(jié)能的硬件，也有利于提高續(xù)航里程。

4 整車設計方面

能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。整車行駛的續(xù)駛里程便是電池供給電機的能量克服整車的行駛阻力產生位移的一個過程。因此要想提升續(xù)駛里程，最核心也是最基礎的方式就是開源節(jié)流，所謂節(jié)流之一就是降低整車的行駛阻力。

由整車動力學模型可得整車阻力公式如下：

因此，降低能耗的方式就是降低各個部件的阻力：在輪胎和地面的阻力方面，如使用低滾阻輪胎、整車輕量化；在車輛自身阻力方面，通過優(yōu)化電機控制策略、由IGBT到SIC的轉變等提高控制器的效率，通過合理選擇線型材料、優(yōu)化熱管理、合理選擇電機、多電機功率分配等來提高電機自身效率，另外還可以從減速器、差速器、輪轂及傳動軸等方面進行優(yōu)化，提升效率；在風阻系數(shù)方面，如使用更加平整的底盤、低風阻車輪、整車造型優(yōu)化、電子后視鏡優(yōu)化等；在迎風面積方面，例如可以優(yōu)化乘坐空間、降低車高等；此外，在高低壓電器、電池放電效率及策略、能量回收等方面進行優(yōu)化。

在整車控制策略優(yōu)化方面，可使車輛運行于經濟模式。經濟模式主要是指車輛以較低的速度在平直路面上行駛，速度沒有太大變化或盡可能的勻速行駛模式，此時可以使電機工作在高效區(qū)，提高能量利用率，延長電動車的續(xù)駛里程；同時整車降低或關閉其它用電設備。若為測試工況可設置為勻速行駛；但如果是實際行駛工況，經濟模式下動力性大大降低。或可以考慮的方面包括：減小力矩輸出；如果行駛工況有較多的大距離滑行，可以減小或關閉滑行制動回饋。

5 結論

以某型號商用車為例，在樣車驗證的過程中，通過對純電動汽車的控制系統(tǒng)進行了分析，分別從電機控制、動力電池管理、整車設計等方面的研究分析，對提升商用車續(xù)駛里程的相關措施進行了分析，經過幾個月的樣車驗證，該措施可以有效提升純電動車的續(xù)駛里程，為后期電動車新車型提供了相關的技術參考。