電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性影響因素分析及能量管理測試研究

崔華芳

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118)

0 引言

汽車作為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分，已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓家。隨著政府對新能源汽車的政策鼓勵(lì)和人們的環(huán)保意識增強(qiáng)，純電動(dòng)汽車銷量逐年走高，2018年度銷量更是突破200萬大關(guān)，達(dá)到201.8萬輛，其中12月份單月銷量28.6萬輛，同比增長70%。

在國家新能源政策的支持下，國內(nèi)外各車企紛紛投身于新能源電動(dòng)車市場，加大新能源電動(dòng)車的研發(fā)，電動(dòng)車的續(xù)航里程不斷提升，目前已經(jīng)批產(chǎn)有工況續(xù)航里程500 km(NEDC工況法測試)以上的車型，如特斯拉Model 3、比亞迪唐等。

但目前大眾對新能源電動(dòng)車仍有里程焦慮，因?yàn)槟壳案鬈囆托麄鞯睦m(xù)航里程是采用常溫下標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況法測試或者采用等速60 km工況測試，和實(shí)際的用戶駕駛工況差異很大，大部分車型的實(shí)際用戶使用續(xù)航里程往往大打折扣，不到廠家宣傳續(xù)航里程的7成，在冬季或者天氣炎熱的夏季，由于大量使用空調(diào)的原因，續(xù)航里程往往打?qū)φ?，造成了電?dòng)車在使用過程中的里程焦慮。

近年來隨著電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，逐步出臺(tái)了一系列新能源汽車的測試標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)體系，對純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性等進(jìn)行測評。這些法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的推出讓消費(fèi)者對電動(dòng)車型的了解更加深刻，同時(shí)也促進(jìn)了行業(yè)的進(jìn)步。其中比較重要的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)如GB/T 36980-2018《電動(dòng)汽車能量消耗率限值》(如表1)和GB/T 18386-2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，同時(shí)中汽研還推出了EV-TEST電動(dòng)汽車測評管理規(guī)則等。

表1 新能源準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)(討論稿)

這些標(biāo)準(zhǔn)對電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性結(jié)果做了測試評價(jià)。但是并沒有具體體現(xiàn)某款電動(dòng)車能耗高低的影響因素或者說這些測試結(jié)果并沒有對該款電動(dòng)車能耗高低的原因進(jìn)行測試分解，無法直觀體現(xiàn)影響電動(dòng)車能耗高低的關(guān)鍵因素和改進(jìn)方向，所以還需要進(jìn)一步研究電動(dòng)汽車的測試評價(jià)方法。

1 電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

為了更好地對電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行測試評價(jià)，首先需要從電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性的影響因素進(jìn)行分析。汽車的能量消耗與很多因素有關(guān)，從大的方面來說，主要分為整車阻力、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率特性、整車策略及低壓零部件的影響等因素有關(guān)。

1.1 整車阻力的影響

汽車在水平道路行駛時(shí)，必須克服來自地面的滾動(dòng)阻力Ff和來自空氣的空氣阻力Fw，此外，可能還需要克服坡度阻力Fi(重力沿坡道的分力)和加速阻力Fj。因此汽車行駛的總阻力及各部分阻力的分解如圖1所示。

圖1 整車形式阻力分解示意

通過仿真計(jì)算可以知道：電動(dòng)車的行駛阻力每增加100 N，其每100 km的電耗將增加2.5～3 kW·h。從圖1可以看出：如果對整車行駛阻力進(jìn)一步分解，可以看出影響整車阻力的關(guān)鍵因素有如下幾個(gè)：

1.1.1 整車質(zhì)量

整車質(zhì)量是影響整車行駛阻力的關(guān)鍵因素，會(huì)影響整車行駛滾動(dòng)阻力，整車質(zhì)量每增加200 kg，電動(dòng)車百公里電耗約增加0.5 kW·h。眾所周知，電動(dòng)車因電池的原因整車質(zhì)量較高，目前整車輕量化是各車企重點(diǎn)研究的方向。

1.1.2 整車風(fēng)阻

整車風(fēng)阻的關(guān)鍵影響因素是風(fēng)阻系數(shù)，在整車行駛過程中，隨著車速的升高，風(fēng)阻占整個(gè)行駛阻力的比例不斷上升。優(yōu)化整車風(fēng)阻系數(shù)，也是目前各車企重點(diǎn)發(fā)力的方向。

1.1.3 整車內(nèi)阻

如果把整車阻力簡化為滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻和內(nèi)阻的話，那么內(nèi)阻往往是大家忽略的一個(gè)方面。電動(dòng)車的內(nèi)阻又可劃分為驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)阻、傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)阻、制動(dòng)卡鉗拖滯阻力和轉(zhuǎn)轂軸承阻力，該阻力大概占整車阻力的15%～30%。圖2為某款車型整車阻力的分解示意圖。

圖2 某款車型阻力分解示意

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率特性

影響電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性的另一重要因素就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率特性。電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)效率每提升1%，電動(dòng)車的續(xù)航里程將提升1.1%～1.2%，可見電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率對續(xù)航里程影響較大。電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包含驅(qū)動(dòng)電控、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的效率特性可以從如下兩個(gè)方面來評價(jià)。

1.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)效率MAP圖

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)效率MAP圖如圖3所示，主要有兩大評價(jià)指標(biāo)，高效區(qū)占比和常用工作點(diǎn)高效區(qū)分布及工作點(diǎn)數(shù)兩個(gè)指標(biāo)。從圖3可以看出，高效區(qū)占比是評價(jià)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身的關(guān)鍵指標(biāo)，包含了最高效率點(diǎn)、高效區(qū)覆蓋整個(gè)工作面區(qū)域的占比，其高效區(qū)覆蓋面占比越大，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身效率特性越高，這一指標(biāo)是評價(jià)電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)品本身效率特性的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖3 某車型電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)效率MAP

1.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工況效率

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工況效率(如NEDC、WLTC、CLTC或典型的用戶駕駛工況)主要體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩個(gè)方面的因素：一方面為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配，常用工作點(diǎn)的負(fù)荷區(qū)域是否落在高效區(qū)；二是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制精度，即穩(wěn)定工況下，系統(tǒng)的效率波動(dòng)性。圖4為某車型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常用工作點(diǎn)在電驅(qū)系統(tǒng)高效區(qū)(如85%以上的區(qū)域)上的工作點(diǎn)數(shù)示意圖，該項(xiàng)主要為電驅(qū)系統(tǒng)和整車匹配所需要重點(diǎn)考慮的因素，主要和所匹配目標(biāo)車型的系統(tǒng)阻力、目標(biāo)動(dòng)力性(如爬坡能力、加速能力、最高車速等)等密切相關(guān)，是評價(jià)電驅(qū)系統(tǒng)和整車匹配好壞的評價(jià)因素。

圖4 常用工況在電驅(qū)系統(tǒng)MAP上的分布

圖5為某車型電驅(qū)動(dòng)總成在該車型參數(shù)下，運(yùn)行NEDC工況所得的效率圖?？梢钥闯觯涸诜€(wěn)定工況下，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率上下波動(dòng)較大，因此該系統(tǒng)的整個(gè)控制精度又要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 某車型電動(dòng)總成NEDC工況驅(qū)動(dòng)效率

1.3 電動(dòng)車低壓系統(tǒng)影響

隨著整車電氣化程度越來越高，眾多新能源車型上的電氣化配置也越來越豐富。日益豐富的電氣化配置，除了給電動(dòng)車帶來更好的使用體驗(yàn)外，也為電動(dòng)車帶來更多的能量消耗，因此除了高壓系統(tǒng)外，整車低壓對電動(dòng)車的能耗也有較大的影響。圖6為某車型在NEDC工況下低壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)電耗曲線?？梢钥闯觯涸诓糠止r下，低壓電耗瞬時(shí)可高達(dá)幾百瓦，這受整車電驅(qū)系統(tǒng)、電池冷卻等策略的影響。一般來說，目前常規(guī)電動(dòng)車低壓系統(tǒng)百公里耗電約0.4～0.7 kW·h。

1.4 電動(dòng)車控制策略的影響

除了常規(guī)的冷卻系統(tǒng)控制策略外，對電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性影響較大的電動(dòng)車整車控制策略主要有能量再生策略(制動(dòng)系統(tǒng))和前后驅(qū)動(dòng)力分配策略。

圖6 某車型在NEDC工況下低壓耗電曲線

1.4.1 電動(dòng)車能量再生策略

能量回收是降低電動(dòng)車整車能耗的直接手段。電動(dòng)車的制動(dòng)系統(tǒng)是由機(jī)械摩擦制動(dòng)和電驅(qū)系統(tǒng)再生能量制動(dòng)兩者疊加而成，這也是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油車區(qū)別大的地方，該項(xiàng)對電動(dòng)車能耗影響也比較大，如圖7所示。

圖7 電動(dòng)車能量再生系統(tǒng)原理

一般情況下，電動(dòng)車都有強(qiáng)回收、標(biāo)準(zhǔn)回收和弱回收3種能量回收模式，選用不同的回收模式對電動(dòng)車百公里電耗影響較大。圖8所示為某車型在NEDC工況下，采用不同能量回收模式對消耗電能的影響。

圖8 不同能量回收模式對能耗的影響

但是能量回收又受到整車制動(dòng)系統(tǒng)控制方式、駕乘主觀感受等因素的影響。例如整車制動(dòng)系統(tǒng)控制方式分為串聯(lián)式和并聯(lián)式，前者制動(dòng)回收率高，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；后者制動(dòng)力低，但是結(jié)果較低；同時(shí)制動(dòng)回收能量對駕駛員的感受有影響，在追求高效率的制動(dòng)能量回收過程中，也應(yīng)該在兩者之間找到最優(yōu)解。

1.4.2 電動(dòng)車動(dòng)力分配策略

對于四驅(qū)電動(dòng)車來說，前后驅(qū)在動(dòng)力上的分配占比也會(huì)影響到整車的能耗。一般情況下，整車都是用1∶1的方式進(jìn)行前后動(dòng)力分配。有研究表明：對于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車，與固定的轉(zhuǎn)矩分配方法相比，基于轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化算法的系統(tǒng)能耗可以降低15%以上。

同樣對于前后驅(qū)的整車來說，由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率MAP特性及整車軸荷分配等因素，如果能夠依據(jù)工況、駕駛習(xí)慣、轉(zhuǎn)矩分配等條件建立一個(gè)動(dòng)力分配的動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，整車依據(jù)這個(gè)策略對前后驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化分配，那么整車能耗也可以進(jìn)一步降低。圖9為某車型在NEDC工況、不同動(dòng)力分配策略下的百公里能量消耗情況，可以明顯看出動(dòng)力分配對能耗的影響。

圖9 某車型不同動(dòng)力分配百公里電耗

2 國標(biāo)測試評價(jià)方法淺析

前文中已經(jīng)提到國家為了促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，不僅有政策鼓勵(lì)，同時(shí)還利用國標(biāo)和評價(jià)方法來限制新能源汽車門檻和提高準(zhǔn)入產(chǎn)品的品質(zhì)。下面就之前提到的中汽研推出的EV-TEST和GB/T 18386《電動(dòng)汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗(yàn)方法》進(jìn)行簡單分析。

2.1 EV-TEST

EV-TEST是由中汽研推出的電動(dòng)汽車測評管理規(guī)則，前面提到，該項(xiàng)目主要聚焦用戶在車輛使用過程中關(guān)注的性能，建立一套評分機(jī)制對車輛的測試結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。在該測評規(guī)則的指導(dǎo)下，用戶可以很直觀地看出車輛的好壞。EV-TEST電動(dòng)汽車測評規(guī)則總覽的測試包括續(xù)航、電耗、充電、安全和動(dòng)力5個(gè)方面。其中涉及能耗的主要是續(xù)航和電耗兩大方面。

2.1.1 續(xù)航測評

續(xù)航測評包括高溫、低溫和常溫測試，測試工況為CLTC-P工況，在高溫和低溫測試下需開空調(diào)。續(xù)航評價(jià)結(jié)果打分以常溫結(jié)果為基礎(chǔ)，高溫下續(xù)航里程比常溫續(xù)航里程下降率不得超過40%，低溫不得超過60%。具體評分準(zhǔn)則見表2。

表2 EV-TEST續(xù)航評分規(guī)則

2.1.2 電耗測評

整車電耗結(jié)果以100 km電耗為基礎(chǔ)，并且根據(jù)整備質(zhì)量制定了劃分線，即Y=0.006m+8，Y為百公里電耗，單位kW·h/100 km，m為整備質(zhì)量，單位為kg，具體測評規(guī)則見表3。

表3 EV-TEST電耗評分規(guī)則

2.2 電動(dòng)汽車能量消耗率

在GB/T 18386《電動(dòng)汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗(yàn)方法》將電動(dòng)車劃分為兩類，即N1、M1和質(zhì)量不超過3 500 kg的M2類車輛劃分為一類，除此之外的其他車型劃分為另一類。該標(biāo)準(zhǔn)介紹了兩種測試方法，工況法和等速法。針對電動(dòng)乘用車來說，主要采用NEDC工況，記錄電動(dòng)車來自電網(wǎng)的能量E電能(Wh)和行駛距離D(km)，通過如下公式：

計(jì)算得到的結(jié)果為能量消耗率C，單位W·h·km-1。

2.3 對比分析

無論是EV-TEST還是GB/T 18386，都對整體能耗情況進(jìn)行測試和評價(jià)，用戶也可以根據(jù)這兩種方法的結(jié)果對電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性有一個(gè)大概的了解。目前新能源汽車降能耗/提續(xù)航是各大主機(jī)廠的重點(diǎn)任務(wù)，如何開展降能耗，關(guān)鍵是要將整車能耗在整車各環(huán)節(jié)的流動(dòng)過程進(jìn)行詳細(xì)分解和精準(zhǔn)測試，找出整車各系統(tǒng)(如電驅(qū)系統(tǒng)、電池、空調(diào)、低壓等)及整車各特性(如車重力、風(fēng)阻等)對整車能耗的影響程度，找出關(guān)鍵影響因素，從而有針對性地進(jìn)行降能耗改進(jìn)，該方法即是能量管理測試評價(jià)方法。

3 能量管理臺(tái)架測試

3.1 能量管理測試概述

整車在工作過程中，能量有一個(gè)傳遞路徑，在傳遞路徑上基于整車架構(gòu)又會(huì)有能量的利用和損失。新能源整車能量流測試牽涉兩大系統(tǒng)：燃油系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在整車運(yùn)行過程中，能量流動(dòng)牽涉數(shù)十個(gè)環(huán)節(jié)。圖10為新能源整車運(yùn)行過程中，能量流動(dòng)環(huán)節(jié)示意圖。

圖10 新能源整車能量流動(dòng)示意

眾所周知，能量流動(dòng)的過程必然存在能量的消耗。如何通過整車能量流的測試分析，找出整車運(yùn)行過程中能量在各環(huán)節(jié)消耗占比，并找出對能量消耗貢獻(xiàn)最大的關(guān)鍵因子，為后續(xù)的能量管理改進(jìn)優(yōu)化提供依據(jù)，并對改進(jìn)方案進(jìn)行系統(tǒng)測試評價(jià)，這是管理測試的重要作用。

3.2 新能源車臺(tái)架能量管理測試

臺(tái)架能量管理測試(見圖11)是在整車的實(shí)際工作條件下，將整車的4個(gè)輪胎拆除，將4個(gè)車輪連接到測功系統(tǒng)上，通過實(shí)驗(yàn)室測控系統(tǒng)，對整車能耗(電能&油耗)的臺(tái)架逐級分解并精確測試，對降低整車能耗具有重大意義。具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件可以模擬大多數(shù)用戶使用的實(shí)際環(huán)境條件(如-10～50 ℃)，和各穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)工況下的能量流進(jìn)行分析和優(yōu)化，找出對車輛油耗/電耗、排放、動(dòng)力性等性能的影響因素及其貢獻(xiàn)量，確定在最有潛力的地方采取優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進(jìn)行測試驗(yàn)證。

3.3 能量管理測試工況

一般情況下，能量管理臺(tái)架測試工況可以分為三大類：一類是標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)能耗工況，比如NEDC、WLTC及CLTC，這類工況主要用來測試標(biāo)準(zhǔn)工況下能耗情況(對標(biāo)整車實(shí)際能耗)及在標(biāo)準(zhǔn)工況下的能耗分解(分解出能耗消耗占比)；第二類工況是實(shí)際道路工況的臺(tái)架在線，主要用于驗(yàn)證模擬實(shí)際用戶駕駛工況下的能耗情況及對能耗進(jìn)行分解；第三類工況主要是特殊制動(dòng)工況，主要是進(jìn)行策略驗(yàn)證。圖12為能量管理臺(tái)架測試的主要工況示意圖。

圖11 新能源車能量管理臺(tái)架測試

圖12 能量管理臺(tái)架測試工況示意

3.4 能量管理測試方法

能量管理臺(tái)架測試在整車臺(tái)架上進(jìn)行，如圖11所示，整車輪胎拆除后，通過轉(zhuǎn)接夾具將四輪連接在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測功機(jī)上。為了使能量傳遞路徑上的分解盡量準(zhǔn)確，應(yīng)該盡量采用傳感器實(shí)測各部分參數(shù)，同時(shí)傳感器的參數(shù)也要滿足高精度的要求。除了測功機(jī)直接測量的輪端轉(zhuǎn)速扭矩外，電參數(shù)的測試也非常重要，如各環(huán)節(jié)高壓電功率損耗、DCDC低壓損耗等數(shù)據(jù)是整車能量分解的重要環(huán)節(jié)。圖13為某車型能量管理分解臺(tái)架測試需要安裝傳感器測試的位置。

一般情況下，能量管理臺(tái)架測試，能量分解主要的數(shù)據(jù)來源自三部分：一部分是直接測量的量，如發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況、各電功率的情況、冷卻系統(tǒng)壓力溫度情況等，可以直接采用傳感器測量；第二類是通過整車CAN網(wǎng)絡(luò)讀取的CAN網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)一般只能作為分析的輔助，重點(diǎn)進(jìn)行分析策略對能耗的影響；第三類是通過建模進(jìn)行仿真，得出部分不能通過第一類、第二類得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如制動(dòng)卡鉗的拖滯損失。

圖13 某車型能量流動(dòng)及測試示意

3.5 能量管理測試結(jié)果

如前所述，新能源車能量管理分解測試，主要是采用標(biāo)準(zhǔn)工況(如NEDC、WLTC、CLTC等)，一方面對標(biāo)整車實(shí)際能耗，另一方面以此為基準(zhǔn)進(jìn)行整車能耗分解，找出能耗在工況運(yùn)行中異常消耗的部分，或者超出設(shè)計(jì)指標(biāo)/競品車指標(biāo)的系統(tǒng)，為整車降能耗提供指導(dǎo)方向。圖14為某款電動(dòng)車臺(tái)架能量管理對能耗分解的示意圖，很容易對能耗消耗及改進(jìn)提供參考和指導(dǎo)。

圖14 某車型能量管理分解結(jié)果

4 總結(jié)及展望

一方面剖析了電動(dòng)車能耗的主要影響因素，同時(shí)分析了現(xiàn)行的能耗測試評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而提出針對整車降能耗可以采用的行之有效的測試方法——整車能量管理臺(tái)架試驗(yàn)方法。整車能量管理試驗(yàn)是在車輛真實(shí)的工作環(huán)境下(如-10～50 ℃的用戶環(huán)境模擬)進(jìn)行全方位的能量流測試，一方面可以和對標(biāo)車模型/整車仿真數(shù)據(jù)比對找到差距，為優(yōu)化改進(jìn)提供方向；另一方面可以在新車開發(fā)的前期更為有效快捷地評估實(shí)際能耗結(jié)果，縮短開發(fā)周期，降低發(fā)開成本。

目前新能源整車能量管理測試評價(jià)方法的研究及推廣應(yīng)用尚處于起步階段，國外僅有Siemens、AVL、FEV等少數(shù)供應(yīng)商可以開展，國內(nèi)大多數(shù)主機(jī)廠僅僅是在初步摸索研究階段，相關(guān)后續(xù)的研究工作尚待進(jìn)一步完善發(fā)展。