一種輕型載貨純電卡車等速工況下的能耗流動分析

摘 要：本文以某款輕型純電載貨汽車為試驗(yàn)研究對象，基于等速循環(huán)工況下的能量消耗及流動情況分析，結(jié)果表明，一方面隨著速度的提升，整車效率提高的同時百公里能耗相應(yīng)增加，另一方面單級主減式純電車輛不能在全速閾高效率運(yùn)行，且電機(jī)效率最大差異達(dá)10%以上，整車驅(qū)動效率最大差異可達(dá)20%，為進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性水平，提出一方面可增加多級減速傳動裝置，另一方面可優(yōu)化VCU相關(guān)控制策略，避免能耗的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)轂試驗(yàn) 能量流動 經(jīng)濟(jì)性 控制策略

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展及全球?qū)?jié)能減排的日益重視，整車能耗測試顯得尤為重要，整車廠為滿足雙碳政策及法規(guī)要求，電動化需求與日俱增，與此同時，為了更好地了解能耗流動路線及衡量優(yōu)化整車在不同速度下的能效和續(xù)航能力，通常進(jìn)行電動車的等速實(shí)驗(yàn)。那么為消除車輛本身性能之外的因素影響，要將變量控制在合理范圍內(nèi)，故將人-車-路三者進(jìn)行部分解耦，通過轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)進(jìn)行能耗的測試。

相同控制策略下的等速試驗(yàn)工況能耗流動與整車驅(qū)動及制動策略相關(guān)性較低，整車能耗的高低基本由各系統(tǒng)零部件的效率所決定。本文基于汽車能量流理論[1]，梳理純電動汽車的能量流動主要路徑，系統(tǒng)地分析汽車能耗在傳遞過程中的損耗情況，為整車進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性提供重要參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 整車參數(shù)

試驗(yàn)選取單級主減傳動比純電動汽車，其動力及控制系統(tǒng)主要包括VCU、電機(jī)、電池及其相關(guān)控制器，如圖1所示，其中控制器的實(shí)現(xiàn)方案為集中式控制，具有高執(zhí)行速度低實(shí)現(xiàn)成本的優(yōu)點(diǎn)[2]，整車電池容量為132kWh，主減傳動比為16.193，輪胎半徑為0.376m。

1.2 驗(yàn)證工況及方法

制動器拖拽力及輪轂軸承等阻力值難以計(jì)算，為了更真實(shí)地模擬實(shí)車行駛過程中的阻力能耗，本文在進(jìn)行轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)前，首先在一定環(huán)境下按照規(guī)定試驗(yàn)流程進(jìn)行整車滑行阻力曲線試驗(yàn)，測得車速與阻力之間的近似關(guān)系[3]，如圖2所示，這樣所測阻力主要包括滾動阻力、風(fēng)阻、內(nèi)阻等無法直接測得的阻力，因此采用整車滑行阻力曲線計(jì)算整車行駛阻力方案較為準(zhǔn)確。道路滑行試驗(yàn)結(jié)束后在底盤測功機(jī)上進(jìn)行道路滑行阻力復(fù)現(xiàn)，會給轉(zhuǎn)轂加載一個用來補(bǔ)償與道路實(shí)測阻力之間的差值，經(jīng)過車輛在轉(zhuǎn)轂上的多次滑行迭代優(yōu)化以及對轉(zhuǎn)轂輸入值進(jìn)行校準(zhǔn)，待底盤測功機(jī)上的滑行阻力與道路實(shí)測阻力相等時，停止調(diào)參，最終，底盤測功機(jī)滑行阻力可以與道路實(shí)測阻力保持基本一致[4]。

阻力能耗采用整車滑行阻力曲線來計(jì)算，因此可得整車滑行阻力Fs與車速v的關(guān)系如式1所示[5]。

式中：A，B，C為擬合系數(shù)，v為行駛車速，單位為km/h。

整車滑行阻力測試過程和本文所研究的等速行駛工況均不考慮坡度的影響，因此行駛阻力可去除坡度阻力[6]。整車滑行阻力曲線測試完成后進(jìn)入轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)流程，首先確認(rèn)整車電附件及開啟情況，除DCDC之外，其他電附件全部關(guān)閉，整車試驗(yàn)在25℃環(huán)境中進(jìn)行。將整車固定在轉(zhuǎn)轂臺架上，分別進(jìn)行90、80、70、60、50、40、30km/h的等速工況測試，保證在每個階段開始前都保持相同的整車狀態(tài)，包括SOC初始值及冷卻水溫度等因素，試驗(yàn)期間會對駕駛員的速度跟隨情況進(jìn)行評價，對超過速度閾值的工況點(diǎn)進(jìn)行懲罰，當(dāng)評分低于90時，此組數(shù)據(jù)失去意義，需重新進(jìn)行試驗(yàn)，整個測試工況重復(fù)進(jìn)行三次，取均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)需使用上位機(jī)在軟件中利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集，明確采集的變量含義及單位如表1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 能耗流動情況

純電動汽車能耗為等速行駛工況能耗，此種狀態(tài)下的能量流動路徑如圖3所示。

從圖中可以看出，能耗分為正向驅(qū)動能量及逆向回收能量，由于試驗(yàn)按照等速工況行駛，無逆向制動再生能量，其中正向驅(qū)動能量從能源端電池進(jìn)行輸出，流動方向基本可以分為三部分，一部分用于整車驅(qū)動需求，一部分用于傳動摩擦損失，另一部分用于電附件損耗，其中整車需求及傳動損失部分由整車滑行阻力曲線計(jì)算，DCDC損耗由輸入電壓及電流計(jì)算，空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)，不計(jì)算能耗。

各測試工況下的數(shù)據(jù)采用部件能耗功率積分的方法來獲得該部件的能耗值及整車能耗分布狀態(tài)，計(jì)算方法如式（2）～（6）所示。

式中：為電機(jī)輸入端電能，單位kWh，為電機(jī)母線電壓，為電機(jī)母線電流，為試驗(yàn)開始時刻，為試驗(yàn)結(jié)束時刻，單位為s。

式中：為電機(jī)機(jī)械輸出耗能，單位kWh，為電機(jī)輸出扭矩，為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

式中：為DCDC輸入電能，單位kWh，為DCDC輸入端電壓，為DCDC輸入端電流。

式中：為DCDC輸出電能，單位kWh，為DCDC輸出端電壓，為DCDC輸出端電流。

式中：為整車需求端的能耗，包含傳動效率損失能耗，單位kWh。

為了更好地統(tǒng)計(jì)能耗流動及傳遞效率情況，將能量在傳遞過程中的單位統(tǒng)一用kWh/100km表示，按照式2至式6方法計(jì)算得到的能耗情況如表2所示。

從表2中可以看出，整個駕駛循環(huán)下的駕駛得分均大于90分，滿足試驗(yàn)要求，按照表2數(shù)據(jù)分析可知，隨著車速的升高，整車正向驅(qū)動能耗隨之上升，為了進(jìn)一步分析能量在整車傳遞過程中的損耗及效率情況，按照效率定義，由式（7）～（8）確定能耗傳遞過程中的效率數(shù)值。

式中：為電機(jī)整體效率，由和值決定。

式中：為驅(qū)動能耗傳遞效率，由和值決定，繪制電機(jī)及驅(qū)動效率如圖4。

轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)難以保證其他未知因素對結(jié)果的影響，因此會有異常點(diǎn)存在，但不影響趨勢分析，從圖4中可以看出在30-90km/h的速度區(qū)間內(nèi)，一方面電機(jī)效率均在85%以上，且隨著車速的上升電機(jī)的效率先增后降，在50km/h左右電機(jī)效率到頂峰，達(dá)到95%以上，但此時對應(yīng)的整車效率并非最高，表明主減效率此時不高，隨后效率慢慢降低，整個速度區(qū)間內(nèi)效率最大差異達(dá)10%以上；另一方面主減效率及驅(qū)動效率隨車速升高先增后穩(wěn)，整車驅(qū)動效率在低速階段40km/h以下時，效率較低，基本在80%以下，在到達(dá)60km/h左右時，達(dá)到頂峰88%，之后基本穩(wěn)定，整個速度區(qū)間內(nèi)驅(qū)動效率最大差異可達(dá)20%。

2.2 結(jié)論

從數(shù)據(jù)結(jié)果分析來看，對于單級主減傳動比的純電動汽車來說，很難做到在全速閾區(qū)間內(nèi)均達(dá)到很高的效率，整車若想充分發(fā)揮電機(jī)等零部件在不同速度區(qū)間下的效率，從軟硬件方向出發(fā)，一方面可通過硬件解決，即可通過增加雙級等多級減速機(jī)構(gòu)，以此來擴(kuò)大高效速度區(qū)間；另一方面可通過軟件優(yōu)化，即通過VCU控制策略，比如油門解析策略優(yōu)化、扭矩平順策略優(yōu)化以及降低非必要寄生功耗等措施進(jìn)一步降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

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