NEDC工況電機(jī)系統(tǒng)平均效率優(yōu)化方法

白志浩，黃銳鋒，陳曉閣，王洪佩

NEDC工況電機(jī)系統(tǒng)平均效率優(yōu)化方法

白志浩，黃銳鋒，陳曉閣，王洪佩

Bai Zhihao，Huang Ruifeng，Chen Xiaoge，Wang Hongpei

（菏澤職業(yè)學(xué)院 交通工程系，山東 菏澤 274000）

基于NEDC(New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán))工況將某款電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際工況點(diǎn)分為電動(dòng)工況點(diǎn)和發(fā)電工況點(diǎn)，并采用Python數(shù)據(jù)處理工具分別計(jì)算電動(dòng)工況點(diǎn)的消耗能量和發(fā)電工況點(diǎn)的發(fā)電能量，根據(jù)二者的能量分布，確定重點(diǎn)優(yōu)化區(qū)間，將優(yōu)化后數(shù)值帶入模型進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，優(yōu)化后電動(dòng)平均效率提升1%、發(fā)電平均效率提升1.58%、續(xù)駛里程提升1.3%，驗(yàn)證了電機(jī)系統(tǒng)平均效率優(yōu)化方法的有效性。

效率優(yōu)化；Python；平均效率；能量分布

0　引言

隨著我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)以及消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)的提升，新能源汽車市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程尤為關(guān)注，廠商也往往將NEDC(New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán))工況下車輛續(xù)駛里程作為賣點(diǎn)。提升續(xù)駛里程有兩種方法，一是增加電池存儲(chǔ)能量，但這不僅增加了車輛安全隱患，而且使車輛成本升高，一定程度上降低了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力；二是在不增加電池存儲(chǔ)能量的同時(shí)盡可能提升車輛能量使用效率[1-3]，降低整體能耗，這種方法雖不能大幅提升續(xù)駛里程，但在不增加車輛成本的前提下實(shí)現(xiàn)續(xù)駛里程小幅增加，從而提升了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。本文針對(duì)一款純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)Python計(jì)算優(yōu)化其電機(jī)部分效率點(diǎn)，提升電機(jī)系統(tǒng)在NEDC工況的整體平均效率，提升車輛的續(xù)駛里程。

1　電機(jī)平均效率優(yōu)化

1.1　NEDC工況

汽車能量經(jīng)濟(jì)性常用一定工況下汽車行駛一定距離的能量消耗量或者一定能量使汽車行駛的里程值進(jìn)行衡量。運(yùn)行工況可以選擇等速行駛工況或者模擬汽車實(shí)際行駛的典型工況，其中等速行駛工況與汽車實(shí)際道路運(yùn)行工況有很大出入，前者無(wú)法模擬城市道路行駛過(guò)程中的頻繁加減速、怠速停車等工況。為了更好地模擬實(shí)際道路行駛工況，各國(guó)制定出一些典型循環(huán)行駛試驗(yàn)工況，據(jù)此進(jìn)行能量經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，我國(guó)采用NEDC工況。NEDC由4個(gè)模擬市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和1個(gè)模擬市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)組成，市區(qū)工況的平均車速為19 km/h，總時(shí)長(zhǎng)為780 s，行駛距離為4.052 km，市郊工況的平均車速為62.6 km/h，最高車速為120 km/h，總時(shí)長(zhǎng)為400 s，行駛距離為 6.955 km。

1.2　電機(jī)效率優(yōu)化區(qū)間

1.2.1NEDC工況離散化

由于NEDC工況包括車輛加減速過(guò)程，所以電機(jī)效率優(yōu)化分為電動(dòng)效率優(yōu)化和發(fā)電效率優(yōu)化，在選擇電機(jī)電動(dòng)或者發(fā)電優(yōu)化區(qū)間之前，首先需要明確哪些工況點(diǎn)屬于加速或者勻速工況，哪些工況點(diǎn)屬于減速工況，本文將加速和勻速工況點(diǎn)設(shè)置為電動(dòng)工況點(diǎn)，將減速工況點(diǎn)設(shè)置為發(fā)電工況點(diǎn)。此分類需對(duì)NEDC工況進(jìn)行離散處理[4-5]，基本原則是區(qū)間設(shè)置足夠小，同一區(qū)間的系統(tǒng)狀態(tài)基本保持不變。本文對(duì)NEDC工況進(jìn)行離散化，將工況總時(shí)長(zhǎng)劃分為 1 180個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)為1 s，共得到1 180個(gè)工況點(diǎn)，每個(gè)工況點(diǎn)以序號(hào)、車速、加速度3個(gè)參數(shù)來(lái)表示，見(jiàn)表1。

表1　離散后的NEDC工況點(diǎn)

表2　電動(dòng)工況點(diǎn)

車輛制動(dòng)過(guò)程中執(zhí)行整車能量回收策略，需對(duì)發(fā)電工況點(diǎn)進(jìn)一步處理。整車能量回收策略規(guī)定當(dāng)車速小于10 km/h或者車輛減速度大于0.15時(shí)，車輛停止能量回收，據(jù)此剔除部分工況點(diǎn)后得到發(fā)電工況點(diǎn)160個(gè)，見(jiàn)表3。

表3　發(fā)電工況點(diǎn)

1.2.2電機(jī)能耗分布計(jì)算

將NEDC工況離散后，根據(jù)每個(gè)工況點(diǎn)的車速、加速度和持續(xù)時(shí)間計(jì)算該點(diǎn)的電機(jī)輸出能量[6-7]。

電動(dòng)工況點(diǎn)電機(jī)輸出和輸入能量計(jì)算見(jiàn)式（1）～（3）。

=(cos+sin+d2/21.15+

d/d)/3600 （1）

E輸出_電動(dòng)=×t（2）

E輸入_電動(dòng)=E輸出_電動(dòng)/電動(dòng)（3）

式中：為車輛滿載質(zhì)量；為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為道路坡度；d為風(fēng)阻系數(shù)；為車輛迎風(fēng)面積；為電動(dòng)工況下第個(gè)工況點(diǎn)電機(jī)輸出功率；為重力加速度；為車輛速度；為車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)；E輸出_電動(dòng)為電動(dòng)工況下第個(gè)工況點(diǎn)電機(jī)系統(tǒng)輸出功；t為電動(dòng)工況下第個(gè)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)；E輸入_電動(dòng)為電動(dòng)工況下第個(gè)工況點(diǎn)電機(jī)系統(tǒng)輸入功；電動(dòng)為電動(dòng)工況下第個(gè)工況點(diǎn)電機(jī)系統(tǒng)效率。

發(fā)電工況點(diǎn)電機(jī)輸出和輸入能量計(jì)算見(jiàn)式（4）～（6）。

=(cos+sin+d2/21.15+

d/d)/3600 （4）

E輸出_發(fā)電=（5）

E輸入_發(fā)電=E輸出_發(fā)電/發(fā)電（6）

式中：T為發(fā)電工況下第個(gè)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)；E輸出_發(fā)電為發(fā)電工況下第個(gè)工況點(diǎn)電機(jī)系統(tǒng)輸出功；E輸入_發(fā)電為發(fā)電工況下第個(gè)工況點(diǎn)電機(jī)系統(tǒng)輸入功；發(fā)電為發(fā)電工況下第個(gè)工況點(diǎn)電機(jī)系統(tǒng)效率。

由式（7）、（8）得出NEDC工況電機(jī)電動(dòng)總輸出總輸出_電動(dòng)和總輸入總輸入_電動(dòng)，由式（9）計(jì)算出電動(dòng)平均效率電動(dòng)_平均。

總輸出_電動(dòng)=1輸出_電動(dòng)+2輸出_電動(dòng)+…+

995輸出_電動(dòng)（7）

總輸入_電動(dòng)=1輸入_電動(dòng)+2輸入_電動(dòng)+…+

995輸入_電動(dòng)（8）

電動(dòng)_平均=總輸出_電動(dòng)/總輸入_電動(dòng)（9）

同理，由式（10）、（11）得出NEDC工況電機(jī)發(fā)電總輸出總輸出_發(fā)電和總輸入總輸入_發(fā)電，由式（12）計(jì)算出發(fā)電平均效率發(fā)電_平均。

撬出來(lái)的榕樹(shù)震了一下，紛黃的泥土噴了滿街，那些人卻沒(méi)有動(dòng)，我瞇著眼吐著泥塵，仰起頭，卻發(fā)現(xiàn)我媽的眼里飛過(guò)一道水光，她很快抬起手擦了擦。

總輸出_發(fā)電=1輸出_發(fā)電+2輸出_發(fā)電+…+

160輸出_發(fā)電（10）

總輸入_發(fā)電=1輸入_發(fā)電+2輸入_發(fā)電+…+

160輸入_發(fā)電（11）

發(fā)電_平均=總輸出_發(fā)電/總輸入_發(fā)電（12）

電動(dòng)、發(fā)電可通過(guò)插值法得到，本文采用Python結(jié)合第三方庫(kù)NumPy和Pandas編程，得到插值程序，插值方法為“最近取值法”，如圖1所示，并根據(jù)電機(jī)效率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)電動(dòng)和發(fā)電工況點(diǎn)插值計(jì)算，得到每個(gè)工況點(diǎn)的效率。

圖1　基于Python的工況點(diǎn)效率插值程序

將計(jì)算出的每個(gè)工況點(diǎn)的輸入和輸出能量按照轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行劃分，得出整個(gè)NEDC工況電機(jī)系統(tǒng)特定轉(zhuǎn)速和扭矩范圍的輸出能量分布。

將電動(dòng)工況轉(zhuǎn)速劃分為0～＜500 r/min， 500～＜1 000 r/min，…，9 500～10 000 r/min，將扭矩劃分為0～＜10 Nm，10～＜20 Nm，…，60～70 Nm。

將發(fā)電工況轉(zhuǎn)速劃分為0～＜500 r/min，500～＜1 000 r/min，…，9 500～10 000 r/min，將扭矩劃分為＞－10～0 Nm，＞－20～－10 Nm，…，－50～－40 Nm。

上述工況點(diǎn)樣本量較大，進(jìn)行電機(jī)特定轉(zhuǎn)速和扭矩范圍的輸出能量分布計(jì)算時(shí)，采用Python結(jié)合第三方庫(kù)Openpyxl編程，如圖2所示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出NEDC工況下電動(dòng)能量和發(fā)電能量的分布，見(jiàn)表4、表5。

表4　電動(dòng)工況點(diǎn)能量分布

注：電動(dòng)工況點(diǎn)能量分布=區(qū)間能量/總輸出_電動(dòng)×100%。

1.2.3電機(jī)效率區(qū)間選擇

從表4、表5可以看出各區(qū)間的能量分布情況，其中電動(dòng)能量占比前20的區(qū)間累積占比電動(dòng)總能量85%，發(fā)電能量占比前20的區(qū)間累積占比發(fā)電總能量73%，可將占比前20的區(qū)間作為電機(jī)電動(dòng)和發(fā)電效率的優(yōu)化區(qū)間，結(jié)合能量分布和電機(jī)實(shí)測(cè)效率值，選取部分工況點(diǎn)進(jìn)行效率提升，將選取的效率可優(yōu)化工況點(diǎn)輸入給電機(jī)工程師進(jìn)行專業(yè)調(diào)校。

表5　發(fā)電工況點(diǎn)能量分布

注：發(fā)電工況點(diǎn)能量分布=區(qū)間能量/總輸出_發(fā)電×100%。

2　電機(jī)平均效率提升驗(yàn)證

部分工況點(diǎn)提升效率之后，需對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)和發(fā)電平均效率進(jìn)行仿真，確認(rèn)平均效率是否提升以及效率優(yōu)化方法是否有效。

表6　優(yōu)化前、后電機(jī)系統(tǒng)效率

仿真計(jì)算時(shí)，首先將電機(jī)系統(tǒng)NEDC工況下電動(dòng)和發(fā)電工況點(diǎn)離散化，其次采用插值程序和優(yōu)化后的電機(jī)效率數(shù)值計(jì)算各工況點(diǎn)的新效率值電動(dòng)′、發(fā)電′，然后由式（3）、（6）計(jì)算優(yōu)化后電動(dòng)和發(fā)電工況下電機(jī)輸入能量和輸出能量，最后根據(jù)式（9）、（12）計(jì)算NEDC工況下電機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)和發(fā)電平均效率。

優(yōu)化前、后電機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)和發(fā)電效率對(duì)比見(jiàn)表6。

根據(jù)電機(jī)的電動(dòng)和發(fā)電能量以及附件消耗能量附件，計(jì)算出單一NEDC工況的總能耗單一NEDC（式13），根據(jù)電池總能量總能量以及SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）使用范圍（SOC初始－SOC截止），通過(guò)式（14）計(jì)算得到車輛NEDC工況續(xù)駛里程，具體參數(shù)見(jiàn)表7。

單一NEDC=總輸入_電動(dòng)－總輸出_發(fā)電+附件（13）

=總能量×（SOC初始－SOC截止）/單一NEDC×11（14）

式中：?jiǎn)我籒EDC工況的運(yùn)行里程為11 km。

通過(guò)計(jì)算得到優(yōu)化前、后車輛續(xù)駛里程，見(jiàn)表8。

表8　NEDC工況續(xù)駛里程仿真對(duì)比

注：變化率=（優(yōu)化后－優(yōu)化前）/優(yōu)化前×100%。

由表8可知，優(yōu)化后續(xù)駛里程提高了1.5%，說(shuō)明所采用的電機(jī)系統(tǒng)平均效率優(yōu)化方法有效。

3　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某純電動(dòng)汽車的動(dòng)力模塊進(jìn)行優(yōu)化，采用Python數(shù)據(jù)處理工具計(jì)算NEDC工況下電機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)和發(fā)電能量分布，確定效率優(yōu)化區(qū)間，提升電機(jī)部分效率點(diǎn)。通過(guò)仿真驗(yàn)證，確認(rèn)優(yōu)化方法可以提升電機(jī)系統(tǒng)的平均效率和整車的續(xù)駛里程。

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2022-11-07

1002-4581（2023）02-0011-05

U462.3+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.003