基于不同加速方式的純電動汽車電能量消耗研究

李禮夫，梁　翼

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510006； 2. 廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641)

純電動汽車性能受動力電池容量密度的影響，行駛過程中電能量消耗越大，續(xù)駛里程越短，而其在加速過程中所消耗的電能量占整個行駛過程中消耗電能量的60%以上[1]. 因此，要想降低純電動汽車行駛過程中的電能量消耗，提高純電動汽車的續(xù)駛里程，就需對其加速過程中的電能量消耗特性加以研究，合理地選擇加速方式. 目前，國內(nèi)外學(xué)者對純電動汽車加速過程中電能量消耗的研究較少. 文獻(xiàn)[2]通過建立加速行駛工況下純電動汽車能耗經(jīng)濟(jì)性計算的數(shù)學(xué)模型，并在加速-滑行組合工況下對能耗經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析計算以驗(yàn)證其模型的可行性，但論文僅考慮了單一加速工況，未對加速過程進(jìn)行優(yōu)化分析； 文獻(xiàn)[3]基于電機(jī)Map圖和動力電池組的效率特性建立了電動汽車動力學(xué)模型，提出純電動汽車加速過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略以提高整車能源利用率，但未從整車角度分析整個加速過程對純電動汽車能耗的影響； 文獻(xiàn)[4]基于上海市道路工況分析并優(yōu)化驅(qū)制動的能耗特性，從系統(tǒng)能耗最優(yōu)的角度確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，提出能耗最優(yōu)的扭矩分配控制策略，但其僅對恒定加速工況進(jìn)行了能耗分析，未分析變加速工況下純電動汽車電能量消耗； 文獻(xiàn)[5]研究了電動汽車加速過程中分別采用單個加速度和多個加速度對其電能量消耗的影響，表明在相同加速時間內(nèi)多個加速度比單個加速度的加速運(yùn)動能耗小，但其未對連續(xù)變化的加速度進(jìn)行能耗分析. 綜上所述，相關(guān)文獻(xiàn)都未深入研究純電動汽車加速曲線與其電能量消耗之間的關(guān)系，而僅僅由單一的加速曲線及其對應(yīng)的靜態(tài)電機(jī)、電池等效率Map圖來制定滿足其加速和電能量消耗要求的電動汽車電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制策略. 然而，純電動汽車加速過程中的電能量消耗不僅與其電機(jī)、電池等靜態(tài)效率有關(guān)，而且還與不同加速曲線下電機(jī)、電池等的動態(tài)效率有關(guān). 本文以純電動汽車為研究對象，分析整車運(yùn)行下不同加速過程對純電動汽車電能量消耗的影響，并通過不同加速特征參數(shù)βi下的純電動汽車整車實(shí)驗(yàn)，獲得不同加速曲線下純電動汽車單位里程能耗，研究了不同加速方式對純電動汽車電能量消耗的影響，為純電動汽車加速運(yùn)行策略的制訂提供依據(jù).

1　基于不同加速曲線的純電動汽車電能量消耗理論研究

根據(jù)電動汽車一般加速過程車速變化趨勢來分析，純電動汽車在第i段加速過程中時間從t0～te變化，車速從ui(t0)加速到ui(te)，其車速ui(t,βi)與行駛時間t的變化關(guān)系即汽車加速方式，可由其加速特征參數(shù)βi來表示，即

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圖 1 為不同βi值對應(yīng)的速度和加速度與t的關(guān)系曲線(即加速曲線).

圖 1　不同βi對應(yīng)的速度和加速度隨時間變化曲線Fig.1　Corresponding speed and acceleration curves vary with time in different βi

根據(jù)汽車?yán)碚揫6]，當(dāng)純電動汽車按基于βi的加速曲線行駛時，其驅(qū)動電機(jī)輸出功率Pm(t,βi)可表示為

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式中：Pess(t,βi)為電動汽車動力電池輸出功率，W；ηess為逆變器轉(zhuǎn)換效率；ηm(t,βi)為電機(jī)工作效率.Pess(t,βi)與汽車動力電池在驅(qū)動過程中的關(guān)系為

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式中：Uess(t)為動力電池放電電壓，V；Iess(t)為動力電池放電電流，A；Tm(t,βi)為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；nm(t,βi)為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1. 其中，Tm(t,βi)和nm(t,βi)又可表示為

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式中：ig為變速器傳動比；io為主減速器傳動比；ηt為機(jī)械傳動比.

在t時間段內(nèi)，電動汽車的單位里程能耗Ecr可表示為

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式中：Ecr為電動汽車單位里程能耗，kJ/km. 當(dāng)電動汽車載荷一定時，式(3)中m,f,α,CD,A,δ可看為定值，且行駛工況ui(t0),ui(te)一定時(簡記為u0,ue)，式(4)中ηess和式(7)中ηt可看為定值[8]，其間的關(guān)系用常數(shù)ki(0,1,2,…)表示，則式(8)可表示為

(9)

將上述加速曲線模型導(dǎo)入AVL-Cruise純電動汽車仿真工況中，選擇典型NEDC工況在26 s內(nèi)車速從0 km/h加速至50 km/h的加速段為研究對象，獲得0～26 s內(nèi)加速至50 km/h的電能量仿真消耗值，如表 1 所示.

表 1　不同加速方式能量消耗仿真值

圖 2　單位里程能耗Ecr(βi)隨βi變化曲線圖Fig.2　Changing curve of energy consumption Ecr(βi) with βi

根據(jù)表 1 繪制根據(jù)仿真獲得單位里程能耗隨加速特征參數(shù)變化曲線圖，如圖 2 所示.

從表 1 可以看出，隨著加速特征參數(shù)βi的增加，純電動汽車行駛里程減小，總能耗減小，而單位里程能耗增加，即單位里程能耗與加速特征參數(shù)βi呈正相關(guān)，與圖 2 所示曲線變化一致. 由此可認(rèn)為，上凸型加速曲線(加速特征參數(shù)βi<1)比下凹型的加速曲線(加速特征參數(shù)βi>1)的單位里程能耗小，且βi越小，其單位里程能耗越小.

2　不同加速曲線下純電動汽車電能消耗實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證不同加速曲線對純電動汽車加速過程中電能量消耗的影響，以某款純電動汽車為研究對象，具體參數(shù)如表 2 所示.

表 2　某純電動汽車主要技術(shù)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)按照國標(biāo)GB/T 18386-2005[10]要求進(jìn)行. 實(shí)驗(yàn)前，將不同加速曲線理論工況數(shù)據(jù)導(dǎo)入底盤測功機(jī)，調(diào)整好車輛與底盤測功機(jī)的相對位置，并將電能量消耗測試系統(tǒng)與純電動汽車動力電池相連. 實(shí)驗(yàn)時，由駕駛員操縱加速踏板使車輛實(shí)時車速跟隨不同加速曲線工況變化，由電能量消耗測試系統(tǒng)實(shí)時記錄電池端電壓、輸出電流隨時間的變化情況，并計算出該加速過程所消耗的電能量，最后根據(jù)底盤測功機(jī)測得該加速過程所行使的路程來計算單位里程能耗.

圖 3　純電動汽車電能量消耗測試系統(tǒng)接線圖Fig.3　Pure electric vehicle electric energy consumption test system wiring diagram

不同加速特征參數(shù)下，所對應(yīng)行駛時間、行駛里程、總能耗和單位里程能耗如表 3 所示.

表 3　不同βi值下純電動汽車電能量消耗相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計表

通過實(shí)驗(yàn)獲得不同βi下車速隨時間的變化，如圖 4 所示. 根據(jù)表 3 繪制Ecr-βi隨βi變化的圖，具體見圖 5.

圖 4　不同βi對應(yīng)速度隨時間變化實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4　Experimental curves of different βi corresponding velocities with time

圖 5　單位里程能耗隨βi變化圖Fig.5　Unit mileage with βi changing curve

由表 3 及圖 4，圖 5 可知，不同的βi值，純電動汽車在26 s內(nèi)從0～50 km/h加速過程中的單位里程能耗變化與圖2變現(xiàn)基本一致，都表現(xiàn)為上凸型加速過程的單位里程能耗比下凹型小，且βi越小，其單位里程能耗越小. 可見，純電動汽車在運(yùn)行過程中，選擇較小的βi能有效降低其電能量消耗，提高續(xù)駛里程.

3　結(jié)　論

為獲得純電動汽車加速過程中不同加速特征參數(shù)βi所表示的加速曲線與其單位里程能耗的關(guān)系，以單位里程能耗為評價指標(biāo)，通過理論分析不同加速特征參數(shù)βi所對應(yīng)的加速曲線對純電動汽車單位里程能耗的影響關(guān)系，并通過不同加速特征參數(shù)βi下的加速曲線的電動汽車整車實(shí)驗(yàn)，測試出不同的βi值時純電動汽車在26 s內(nèi)從0～50 km/h加速過程中行駛里程、總能耗和單位里程能耗隨βi的變化情況. 結(jié)果表明： 上凸型加速過程的單位里程能耗比下凹型小，且βi越小. 其單位里程能耗越小，當(dāng)βi=0.5時其單位里程能耗比βi=1.4時小37.6%. 該結(jié)論可為純電動汽車加速時控制策略的制訂提供依據(jù).