基于整車能量流測試的純電動商用車能耗分析研究

摘 要：商用車作為目前汽車行業(yè)的主要碳排放源，推動商用車電動化對減少碳排放具有重要意義。由于電池能量密度較低，針對純電動商用車降能耗研究成為當(dāng)前的熱點。文章以純電動商用車為研究對象，通過開展整車滑行試驗、能量流傳感器加裝、信號集成調(diào)試、轉(zhuǎn)鼓試驗，實現(xiàn)了對高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)協(xié)同狀態(tài)下的整車能量流測試。通過分析整車狀態(tài)下各系統(tǒng)/關(guān)鍵零部件的實際性能，結(jié)合系統(tǒng)部件工作狀態(tài)，對樣車提出優(yōu)化方向，為后續(xù)降能耗措施提供支撐。

關(guān)鍵詞：商用車 電動化 能量流測試 能耗分析

全球變暖和化石燃料枯竭問題日益突出，汽車行業(yè)面臨較大減排壓力，商用車是目前主要排放源[1]。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展和“雙碳”步伐的推進，商用車深度電動化成為減少碳排放的重要一環(huán)[2]。當(dāng)前，由于電池能量密度相比化石燃料較低，難以滿足長距離、重載荷情景下使用，成為制約商用車電動化發(fā)展的重要技術(shù)問題，因此，針對純電動商用車的能耗優(yōu)化成為當(dāng)前的研究熱點[3]。

近年來，國內(nèi)外汽車企業(yè)和科研機構(gòu)針對純電動汽車整車參數(shù)匹配[4-5]、動力耦合機構(gòu)設(shè)計選型[6-7]、整車能量管理控制策略開發(fā)[8-9]、熱管理系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)與集成優(yōu)化[10]等方面開展了大量的研究工作，并取得了顯著成果。但是針對純電動商用車，從整車角度出發(fā)，研究整車能量流動情況、各子系統(tǒng)協(xié)同高效工作較少。

本文針對一款純電動商用車，開展整車能量流測試，獲取整車能量流動情況，分析整車狀態(tài)下各系統(tǒng)/關(guān)鍵零部件的實際性能和協(xié)同狀態(tài)，為整車能耗改善提供方案。

1 整車能量流測試流程

1.1 整車滑行試驗

采用整車道路滑行試驗，獲得其整車行駛阻力與車速間的關(guān)系曲線，作為整車轉(zhuǎn)鼓試驗阻力加載的輸入。

1.2 整車能量流傳感器加裝

整車能量流試驗前需加裝傳感器以測量各系統(tǒng)/部件關(guān)鍵參數(shù)，涉及的傳感器包括：電流、電壓、流量、溫度、壓力、風(fēng)速、扭矩等。

1.3 信號集成調(diào)試

整車能量流測試傳感器信號類型涵蓋數(shù)字量、模擬量、CAN總線等信號類型，對于多源信號集成調(diào)試是保障測試準(zhǔn)確性的前提。

1.4 整車能量流轉(zhuǎn)鼓試驗

整車能量流轉(zhuǎn)鼓試驗時在底盤測功機和環(huán)境艙內(nèi)模擬車輛實際道路行駛工況，獲得整車能量流測試數(shù)據(jù)。

2 傳感器布置及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 傳感器布置

針對樣車動力架構(gòu)和熱管理架構(gòu)進行分析，布置了相應(yīng)的傳感器，動力架構(gòu)及傳感器布置見圖1，熱管理架構(gòu)及傳感器布置見圖2。

樣車動力架構(gòu)為電池輸出至配電盒，配電盒輸出至多合一控制器、電池PTC、水冷高壓，充電時電網(wǎng)能量通過充電口輸入至高壓配電盒；多合一控制器輸出至空壓機、電動轉(zhuǎn)向油泵、AC、乘員艙PTC、DCDC以及電機，電機將能量輸出給傳動軸；DCDC將降壓后的能量輸出至電機水泵、PTC水泵、鼓風(fēng)機水泵、冷卻風(fēng)扇及其他低壓部件。在高低壓附件布置相應(yīng)的電流、電壓傳感器，在傳動軸上布置扭矩傳感器。

樣車熱管理架構(gòu)分為電機冷卻循環(huán)、電池冷卻循環(huán)、制冷劑循環(huán)、PTC加熱循環(huán)四個獨立的部分，其中電機冷卻循環(huán)包含了對PDU/MCU多合一控制器、電機本體冷卻兩部分。在除制冷劑循環(huán)外的其余循環(huán)布置了流量計、溫度、壓力傳感器等，用于監(jiān)測熱管理部件運行狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

傳感器按照布置圖完成安裝、調(diào)試后即可進行整車能量流試驗，試驗在需求的環(huán)境條件和循環(huán)工況下進行整車續(xù)駛里程測試，同步采集傳感器、總線數(shù)據(jù)。

完成數(shù)據(jù)采集后對數(shù)據(jù)進行處理，能量計算方法如下：

（1）電網(wǎng)能量

式中：為充電結(jié)束時電表讀數(shù)，為充電開始時電表讀數(shù)。

（2）高、低壓部件輸入/輸出電能

式中：為高、低壓部件，為高、低壓部件輸入/輸出的電壓，為高、低壓部件輸入/輸出的電流。

（3）傳動軸輸入/輸出能量

式中：為傳動軸轉(zhuǎn)速（通過車速、滾動半徑、驅(qū)動橋速比計算得到），為傳動軸扭矩，通過傳動軸扭矩傳感器測試得到。

（4）換熱部件換熱量

式中：為換熱部件，為流經(jīng)換熱部件冷卻工質(zhì)的體積流量，為冷卻工質(zhì)的密度，為冷卻工質(zhì)的定壓比熱容，為換熱部件出口的溫度，為換熱部件進口的溫度。

3 整車能量流分布及系統(tǒng)/部件能效

3.1 測試工況

樣車能量流測試工況信息如表1所示。

3.2 整車能量流分布

樣車測試過程參照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18386.2-2022電動汽車能耗消耗量和續(xù)駛里程試驗方法 第二部分：重型商用車輛》要求，從SOC100%開始測試，關(guān)閉空調(diào)，當(dāng)實際車速不能維持標(biāo)準(zhǔn)GB 18386.2-2022的5.2規(guī)定的速度公差要求時達到結(jié)束條件，試驗結(jié)束。試驗結(jié)束時轉(zhuǎn)鼓記錄的續(xù)駛里程為240.631km，充電樁記錄的總充電量為389.84 kWh，計算樁端電耗為162.01 kWh/100km。

樣車能量流分解如圖3所示，分解圖包括驅(qū)動、制動、充電工況的能量流。

由圖可知，在行駛工況下：動力電池在驅(qū)動時總輸出電量427.5kWh，回收電量68.9kWh，動力電池凈放電量358.6kWh；電驅(qū)動總成在驅(qū)動時電機輸入電能405.7kWh，電機輸出機械能381.3kWh，能量回收時電機輸入機械能75.1kWh，電機輸出電能73.6kWh；高壓附件中水冷高壓消耗7.8kWh，電動轉(zhuǎn)向油泵消耗3.1kWh，空壓機消耗1.1kWh；低壓附件中DCDC輸出6.8kWh，冷卻風(fēng)扇（電機）、電機水泵、冷卻風(fēng)扇（電池）及其他用電器為主要功耗部件；熱管理系統(tǒng)中電池冷卻液換熱量12.6kWh，電機冷卻液換熱量14.8kWh，多合一冷卻液換熱量7.0kWh。

在充電狀態(tài)下：充電樁記錄的充電量為389.8kWh，動力電池的充電量為379.2kWh；高壓附件側(cè)水冷高壓耗電量為5.0kWh；低壓附件側(cè)DCDC輸出側(cè)耗電0.2kWh，主要功耗部件為電池冷卻風(fēng)扇。

3.3 系統(tǒng)/部件能效

樣車續(xù)航能耗試驗各系統(tǒng)/部件的效率統(tǒng)計如表2所示。

在整車級別，整車能量利用效率為傳動軸驅(qū)動的機械能與動力電池輸出的電能的比值，表征電池輸出電能中用于驅(qū)動半軸的比例；整車能量回收效率為動力電池回收的電能與傳動軸回收的機械能的比值，表征傳動軸回收的能量傳遞至動力電池的比例；能量回收比例為動力電池回收的能量與動力電池輸出的能量的比值。

在系統(tǒng)及部件級別，DCDC效率為DCDC低壓側(cè)輸出的能量與DCDC高壓側(cè)輸入的能量的比值；電池充電效率為電池凈充電量與充電樁輸出的電量的比值，可考量充電過程中附件消耗的占比；電池充放電效率為電池凈放電量與電池凈充電量的比值，可考量電池內(nèi)阻對充電量的影響；電驅(qū)動裝置中，電機驅(qū)動效率為電機驅(qū)動輸出的機械能與電機驅(qū)動輸入的電能的比值；電機制動效率為電機制動輸出的電能與電機制動輸入的機械能的比值；電驅(qū)動系統(tǒng)總成驅(qū)動效率為傳動軸驅(qū)動的機械能與驅(qū)動時MCU輸入的電能的比值；電驅(qū)動系統(tǒng)總成制動效率為制動時MCU回收的電能與傳動軸制動的機械能的比值。

3.4 附件消耗

樣車在測試階段未開啟空調(diào)，高壓附件中的AC和PTC均未運行，水冷高壓平均功率為1487.3 W，空壓機平均功率為208.3 W，電動轉(zhuǎn)向油泵平均功率為587.9 W；DCDC輸出平均功率為1302.2 W，低壓附件中電機回路冷卻風(fēng)扇平均功率為924.1 W，電機水泵平均功率為196.2 W，電池回路冷卻風(fēng)扇平均功率為78.7 W。低壓附件中各部件能耗占比情況如圖4所示，其中電機回路冷卻風(fēng)扇占比最高（71.0%），電機水泵次之（15.1%）。

4 系統(tǒng)部件工作狀態(tài)

4.1 動力電池工作狀態(tài)

電池起始SOC為100%，車速無法跟隨曲線時SOC為10%，SOC歷程如圖5所示。

圖6是各循環(huán)SOC下降率統(tǒng)計圖，樣車共歷經(jīng)10個完整循環(huán)，第11個循環(huán)時車速無法跟隨曲線，前四個循環(huán)SOC下降速率8.8%，后6個循環(huán)SOC下降速率8.4%。

圖7是是動力電池的最高溫度、最低溫度及熱管理系統(tǒng)部件工作狀態(tài)曲線，由圖可知，樣車在整個測試階段電池最高溫度在27～31 ℃波動，電池最低溫度在23～29℃波動，水冷高壓開啟時平均功率為3kW。

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)數(shù)據(jù)反應(yīng)：（1）電池開啟冷卻的閾值低（30℃），開啟降溫后電芯溫度下降趨勢不明顯，需長時間開啟電池冷卻；（2）水冷高壓功率在3kW左右，電池回路流量在40L/min左右，功耗較高，建議提高電池冷卻開啟閾值來降低能耗。

4.2 電驅(qū)動工作狀態(tài)

圖8為樣車測試工況下的車速與檔位對應(yīng)圖，圖9為電機工作點分布圖，由圖可知電機轉(zhuǎn)速范圍0～2596rpm，扭矩范圍為-2400Nm～1750Nm，電機工作點數(shù)據(jù)反應(yīng)出在二、三擋下存在中高轉(zhuǎn)速低扭矩取效率偏低的現(xiàn)象，可進行換擋策略優(yōu)化。

圖10是樣車測試工況下的電機散熱器回路溫度歷程圖。整個工況下電機出水溫度控制在42℃以下，散熱器出水溫度控制在27.5～39.4℃，電機水泵平均流量為35L/min。

圖11為電驅(qū)動系統(tǒng)熱管理部件與電機本體溫度歷程，由圖可知，電機冷卻風(fēng)扇功率最大為1.3kW，電機水泵功率最大為200W，電機溫度控制在80℃以下。

電驅(qū)動系統(tǒng)熱管理數(shù)據(jù)反應(yīng)：電機冷卻風(fēng)扇功率大，功耗偏高，電機出水溫度控制偏低?？赏ㄟ^適當(dāng)提升電機出水控制溫度，來降低電機冷卻回路功率，實現(xiàn)降低能耗的目的。

4.3 能量回收狀態(tài)

樣車在測試階段電池充電功率限制、SOC與車速對應(yīng)關(guān)系如圖12所示。由圖可知，電池充電功率限制在1010s時解除，此時SOC為96.4%，之后未限制能量回收。

圖13為各循環(huán)動力電池回收電量、回收比例對比圖。由圖可知，除開電池回收功率限制的第一個循環(huán)外，單循環(huán)平均回收電量6.72 kWh，單循環(huán)平均能量回收比例16.4%。

表3為全工況能量回收統(tǒng)計表，由表可知，樣車在整個測試過程中電池回收能量占輪端可回收能量的69.9%，未回收能量主要在與機械制動損耗，占比21.2%，存在一定的優(yōu)化空間。

選取高SOC循環(huán)1、中SOC循環(huán)5進行詳細分析。

圖14為循環(huán)1功率、輪缸壓力與車速分布圖，由圖可知，在前半段，由于電池充電功率限制，電機回收時的功率較低，減速過程中的部分能量由機械制動消耗。

表4為循環(huán)1能量回收統(tǒng)計表，由表可知，循環(huán)1電池回收能量占輪端可回收能量的67.0%，未回收能量主要在與機械制動損耗，占比25.3%。

圖15為循環(huán)5功率、輪缸壓力與車速分布圖，由圖可知，由于電池充電功率限制解除，循環(huán)5減速過程中機械制動參與程度較少。

表5為循環(huán)5能量回收統(tǒng)計表，由表可知，循環(huán)5電池回收能量占輪端可回收能量的71.7%，未回收能量主要在與機械制動損耗，占比19.6%。

從能量回收狀態(tài)來看，樣車在測試工況下存在減速過程負扭矩偏小，機械制動參與過多現(xiàn)象，導(dǎo)致電池回收比例較低，可通過提升電機回收負扭矩來優(yōu)化，用電機回收來覆蓋所有工況減速需求，可提升電池回收比例。

5 結(jié)論

本文針對純電動商用車，開展了高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)協(xié)同狀態(tài)下的整車能量流測試，分析了整車能量流分布、系統(tǒng)/部件能效及附件消耗，結(jié)合系統(tǒng)部件工作狀態(tài)，對動力電池、電驅(qū)動系統(tǒng)、能量回收策略方面，提出以下優(yōu)化建議：

（1）動力電池?zé)峁芾矸矫?，冷卻開啟閾值低，且開啟冷卻后電池溫度降低速率慢，建議提高電池冷卻開啟閾值，優(yōu)化冷卻形式。

（2）電驅(qū)動系統(tǒng)總成匹配方面，在二、三擋時存在高轉(zhuǎn)速低扭矩區(qū)效率較低現(xiàn)象，建議優(yōu)化換擋策略，以實現(xiàn)對電機高效區(qū)的利用。

（3）電驅(qū)動系統(tǒng)熱管理方面，電機冷卻附件功耗較高，電機出水溫度控制偏低，建議適當(dāng)提升電機出水溫度，以降低電機冷卻附件功耗。

（4）能量回收比例偏低，建議提升電機回收負扭矩，車輛減速過程做到電機全覆蓋，避免機械制動導(dǎo)致的能量損耗。

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