某輕型電動客車能耗降低方法研究

徐勇　王華秀

摘 要：隨著世界能源緊缺和環(huán)境污染問題日益加劇，對汽車的節(jié)能環(huán)保要求也越來越高，發(fā)展新能源汽車已成為全球范圍內(nèi)解決能源和環(huán)境危機的重要途徑之一。作為新能源汽車中的一種，電動汽車具有清潔無污染、能源轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便等優(yōu)點，但電池造價高、續(xù)航能力有限已成為電動汽車發(fā)展的瓶頸，降低整車能耗、提高整車續(xù)航里程已成為電動汽車發(fā)展中必須研究的重要課題。

關(guān)鍵詞：電動客車；能耗；降低方法

中圖分類號：U473.4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0078-06

Abstract： With the problems of energy scarcity and environmental pollution， the developments of energy conservation and environmental protection in vehicle become important. In this way new energy vehicles have become vital in solving the problems mentioned above. As one type of new energy vehicles， the electric bus shows its advantages as cleanness， high energy conversion efficiency， simple structure and easy maintenance. However the high cost of battery and the limited endurance have become the fundamental problems of the electric bus. Reducing the energy consumption and improving the endurance limit have become the inevitable researches in the development of electric bus.

Key Words： Electric Bus； Energy Consumption； Reduction Method

為促進節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家連續(xù)出臺了一系列支持和鼓勵新能源汽車發(fā)展的政策和措施，如《國務院辦公廳關(guān)于加快新能源汽車推廣應用的指導意見國辦發(fā)[2014]35號》； 《四部門關(guān)于2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》（財建[2015]134號 ），中央財政安排資金，對公共服務領域節(jié)能與新能源汽車示范、私人購買新能源汽車試點給預補貼，鼓勵消費者購買使用節(jié)能汽車；發(fā)揮政府采購的導向作用，逐步擴大公共機構(gòu)采購節(jié)能新能源汽車的規(guī)模。在國家政策鼓勵下，新能源汽車發(fā)展前景逐漸看好。

但由于電動汽車電池造價太高，使得整車實物成本遠高于傳統(tǒng)燃油車，而整車續(xù)航里程很難做到比傳統(tǒng)燃油車更有優(yōu)勢，低使用成本難以填平高售價帶來的成本差異，使得用戶對電動車的選購望而卻步。在保證整車性能和可靠性不變的情況下，探求降低整車能耗方法和措施，提高續(xù)駛里程，減少使用成本，是提高電動汽車用戶接受度的重要途徑之一。

本文以某輕型純電動客車為例，分析研究整車能耗降低和控制方法。

某車型是在某柴油車的基礎上，取消發(fā)動機，換裝電機開發(fā)的純電動車。本文中涉及的整車參數(shù)、整車目標、名詞述語及數(shù)學符號，及相關(guān)的實車測試數(shù)據(jù)見下表1：

注：按GB18386試驗方法，M2類車型試驗中，續(xù)駛里程測量時，是當車速達不到36km/h時，停止試驗。故實際試驗中，雖然電池的許用放電深度DOD是85-85%，但放電達95%后，整車車速才降到36km/h以下。本案測試使用電量為整車總電量的95%，下同。

根據(jù)新能源補貼政策設定的補貼標準，確定了必達目標1和挑戰(zhàn)目標2，見下表2：

經(jīng)測試，該電動客車整車 V= 40km/h 等速能耗為0.396 Wh/km·kg，未達到整車目標 1（<0.35 Wh/km·kg），遠超過的整車目標2（<0.25 Wh/ km·kg）。為此，需進行改進設計，降低整車能耗。

1 影響整車能耗的因素

整車勻速行駛的單位載質(zhì)量能量消耗量（以下簡稱能耗量）Ekg可以用以下公式計算：

從以上公式可知，影響電動車40km/h車速整車能耗Ekg的主要因素如下：

1）整車整備質(zhì)量和裝載質(zhì)量；

2）附件消耗功率：

3）電機效率；

4）傳動系效率；

5）迎風面積和風阻系數(shù)；

6）滾動阻力系數(shù)。

對于該車型來說，迎風面積、風阻系數(shù)、傳動效率受基礎車車型結(jié)構(gòu)、總成結(jié)構(gòu)與功能、制造的限制，更改難度大，可以用來降低能耗、進行優(yōu)化設計的主要有整車質(zhì)量、附件功率和電機效率。

1.1 改進前整車參數(shù)

在電機MAP圖上，可以查出整車車速為40km/h的電機轉(zhuǎn)速下，電機的轉(zhuǎn)換效率約為91%。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，車速40 km/h的整車續(xù)駛里程為320km，使用電量為76 kWh，由此，可以計算出以下數(shù)據(jù)：

1.2 整車質(zhì)量與能耗的關(guān)系

整車質(zhì)量是影響整能耗的重要因素。整車質(zhì)量由整車整備質(zhì)量和整車裝載質(zhì)量構(gòu)成，下面通過分析這兩種質(zhì)量對整車能耗的影響，為后面的能耗改善提供依據(jù)。為簡化分析，可以通過以下假設來進行分析：

1）假設整車最大設計總質(zhì)量不變，分析整備質(zhì)量和裝載質(zhì)量對能耗的影響。

2）假設整車整備質(zhì)量不變，分析最大設計總質(zhì)量和裝載質(zhì)量對能耗的影響。

3）假設整車裝載質(zhì)量不變，分析最大設計總質(zhì)量和整備質(zhì)量對能耗的影響。

1.2.1 整車最大設計總質(zhì)量不變

保持整車最大設計質(zhì)量不變，整車的承載系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都不需要重新匹配和設計，只對整車車身結(jié)構(gòu)和零部件進行輕量化優(yōu)化設計。

從圖上可以看出，裝載質(zhì)量越大，能耗越低；整備質(zhì)量越大，能耗越高。在整車最大設計總質(zhì)量不變、底盤不做重大變更的情況下（轉(zhuǎn)向、制動、冷卻等不做優(yōu)化），整車能耗要低于0.35 Wh/km·kg的目標，整車整備質(zhì)量需從目前的3300kg下降到3160kg。

1.2.2 整車整備質(zhì)量不變

整車整備質(zhì)量不變，即對現(xiàn)有車輛不作任何設計改進，只加大裝載質(zhì)量，分析裝載質(zhì)量與能耗的關(guān)系。

假設整車整備質(zhì)量保持現(xiàn)狀不變，即Go=3300kg，可以計算出能耗Ekg與裝載質(zhì)量M和整車最大設計總質(zhì)量Ga的關(guān)系見下圖：

從圖上可以看出，裝載質(zhì)量越大，能耗越低。在整車整備質(zhì)量不變的情況下，加大裝載質(zhì)量從600kg加大到690kg，整車GVW加大到4680kg，整車能耗就能下降到0.35Wh/km·kg以下。但加大整車GVW后，整車承載系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)等都需重新校核，如果超出了許用范圍，就需重新匹配和設計開發(fā)，同時，承載系統(tǒng)等進行加強設計后，會相應地增加零部件質(zhì)量，使整車整備質(zhì)量上升。故盡量不通過加大整車GVW來減少能耗。

1.2.3 整車裝載質(zhì)量不變

在不改變整車裝載質(zhì)量M的情況下，整車整備質(zhì)量與能耗的關(guān)系見下圖：

從圖上可以看出，在裝載質(zhì)量不變的情況下，整備質(zhì)量越小，整車最大設計總質(zhì)量越小，整車能耗越低。整備質(zhì)量需降690kg，降到2610kg以下，才能滿足整車能耗小于0.35 Wh/ km·kg的目標。對本車型來說，整備質(zhì)量降690kg，基本不太可能，也就是說，在裝載質(zhì)量不變的情況下，單純通過降整車整備質(zhì)量，很難達成能耗預期目標。

1.3 附件功率對整車能耗的影響

整車附件功率是指整車正常行駛中，除了提供整車驅(qū)動的功率外，冷卻風扇、電子轉(zhuǎn)向泵、電子真空泵等消耗的功率。在該車型的能耗測試中，采用的是40km/h車速等速法，理論狀態(tài)是不需要制動、轉(zhuǎn)向等工作的，但在實際試驗中，受試驗路況和起動、停車等因素影響，也需要進行必要的轉(zhuǎn)向、制動等操作，因此，也有附件功率消耗，且根據(jù)路況和駕駛員的駕駛習慣不同，附件功率大小會略有不同。通過計算，整車附件功率與能耗的關(guān)系見圖4：

2 整車能耗改進方案

通過前面的分析知，降低整車整備質(zhì)量，加大整車裝載質(zhì)量、降低整車附件功率，提高電機轉(zhuǎn)換效率，都能有效的降低整車能耗。

1）降低整車整備質(zhì)量

在不減少整車功能配置和零部件，不改變整車性能的前提下，通過零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，整車整備質(zhì)量可以減少約80kg；如果在此基礎上，再將整車電量減少20度電（減小整車續(xù)駛里程），則整車整備質(zhì)量減少約260kg，見下表4：

2）降低整車附件功率

在該車型能耗測試試驗中，使用的是三檔40km/h勻速行駛，在試驗中，盡量少用剎車和轉(zhuǎn)向，避免急轉(zhuǎn)彎。通過前面的測試，附件消耗功率約為1.32kW，估算該車型整車主要附件及消耗的功率見下表5：

該車型使用的電動轉(zhuǎn)向泵電機為工業(yè)用高壓電機，噪聲大，重量大，能耗大，改進為額定電壓12V的直流無刷電機，取消DC/AC，改進前后參數(shù)對比見下表6：

電動轉(zhuǎn)向泵優(yōu)化后，在保持功能和可靠性不變的情況下，重量減輕了5.7kg，功率下降0.3kW。

電機冷卻風扇采用的是傳統(tǒng)柴油發(fā)動車配用的雙冷卻風扇，功率有較大富余。經(jīng)過重匹配選用較小功率的風扇，功率可由原來的0.23kW降為0.15kW。通過以上改善，整車附件功率由原來的1.32kW降為1.0kW。

3）整車匹配優(yōu)化和提升電機轉(zhuǎn)換效率

通過優(yōu)化變速箱速比和電機參數(shù)，將整車的常用車速匹配在電機的高效區(qū)率，就能有效降低整車能耗。由于整車匹配不是本文討論的主題，故變速箱速比匹配在此不作論述，本文僅就電機特性優(yōu)化和能耗試驗中檔位的選用進行研究。

通過下面的計算公式，可計算出試驗工況電機轉(zhuǎn)速ne、功率Pe及扭矩Me：

計算出試驗工況的電機扭矩和轉(zhuǎn)速后，在電機MAP圖上，就可查出此工況下電機的轉(zhuǎn)換效率。

該車型采用四檔變速箱，可以計算出，該車型整車40km/h均速行駛時，四個檔位對應的使用功率、電機扭矩、電機轉(zhuǎn)速等見下表7：

從表中可以看出，車速為40km/h時，用四檔行駛，電機效率更高，耗能較小。為此，在能耗測試試驗中，建議選用四檔進行測試，可以獲得更大的續(xù)駛里程。同理，可以推出不同車速時，選用何種檔位行駛更節(jié)能。

另外，對電機特性進行調(diào)整和改進設計，提高常用車速對應電機轉(zhuǎn)速區(qū)域的電機轉(zhuǎn)換效率。改進前后的電機MAP圖分別見圖5和圖6：

通過改進，電機在40km/h勻速工況下的轉(zhuǎn)換效率約提升了1%，達到約92%以上。

4）增大整車裝載質(zhì)量

在整車整備質(zhì)量一定的情況下，增加裝載質(zhì)量，也就是增大整車GVW。按改進后的整車整備質(zhì)量、整車附件功率和電機效率，計算不同GVW下的整車能耗，分析增大GVW的可能性。

增大整車GVW后，通過對整車承載、制動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)的校核和匹配，需加大懸架系統(tǒng)的承載能力，懸架系統(tǒng)增加重量約2kg。

3 改進后的整車目標達成情況分析

通過前面的分析，根據(jù)改進情況提出四種改進設計方案，通過理論計算，四種方案的整車能耗及續(xù)駛里程（使用電量按放電深度95%計算）見表9：

改進后的整車能達成整車能耗和續(xù)駛里程目標。經(jīng)過整車整體方案論證后，最終采用方案1和方案4進行實施。

4 實車試驗結(jié)果

按方案1和方案4開發(fā)出的整車實車測試結(jié)果見下表10：

實車測試結(jié)果證實，對該車型的能耗降低改進方案是有效的，兩種電量整車的能耗和續(xù)駛里程勻達到整車目標。

5 結(jié)束語

電動車是順應國家產(chǎn)業(yè)政策發(fā)展需要，為節(jié)省能源、減少環(huán)境污染而開發(fā)的新能源汽車。受整車開發(fā)成本限制，加上產(chǎn)量小，大部分的純電動車還是在基礎燃油車的基礎上，換裝動力總成單元開發(fā)的，為了提高與基礎車的零部件通用性，大部分的底盤、車身零部件是直接從基礎車上借用過來的，這對降低純電動車的整車能耗加深了難度。本文通過分析影響整車能耗的主要因素，制訂合理的改進方案，用最小的改進成本獲得最大的改進效果，使整車能耗達到了預期的目標。

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