純電動(dòng)汽車能量消耗優(yōu)化仿真與試驗(yàn)研究

張宸維，林方圓

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

純電動(dòng)汽車零排放、無污染，發(fā)展純電動(dòng)汽車是邁向汽車強(qiáng)國的必由之路[1]。純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程及能量消耗為整車關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響用戶購車意愿。

純電動(dòng)汽車能量消耗的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括續(xù)駛里程、單位里程容量消耗、單位里程能量消耗、單位容量消耗行駛里程和單位能量消耗行駛里程等[2]。

本文在理論分析和實(shí)踐基礎(chǔ)上，從能量消耗現(xiàn)狀分析與優(yōu)化后分析相結(jié)合，降低了各主要部件的能量消耗，進(jìn)而降低了整車的能量消耗，提高了整車的續(xù)駛里程，對(duì)純電動(dòng)汽車的能量消耗優(yōu)化進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究。

1 純電動(dòng)汽車能量消耗計(jì)算模型

根據(jù)汽車縱向受力確定汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡方程，就可以利用受力關(guān)系得出汽車的總阻力。

汽車在水平路面上行駛的總阻力為[5]：

式中：Ff，F(xiàn)i，F(xiàn)w，F(xiàn)j分別為汽車行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力、坡度阻力、空氣阻力、加速阻力；f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)；m 為汽車質(zhì)量；a 為坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；A 為迎風(fēng)面積；u為汽車行駛速度；g 為重力加速度；δ 為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt 為汽車行駛加速度。

本文主要針對(duì)純電動(dòng)汽車能量消耗進(jìn)行優(yōu)化分析。

汽車功率平衡方程式（2）：

式中：Pe——汽車行駛功率，kW；

i——道路坡度值。

若不考慮純電動(dòng)汽車在行駛中電器附件的能量消耗，純電動(dòng)汽車單位里程能耗可由式（3）表示[3]：

式中：E 為單位里程能耗；t 為工況行駛時(shí)間，S 為工況行駛的距離。

能量消耗是動(dòng)力電池端輸出功率積分的過程。為驅(qū)動(dòng)車輛，動(dòng)力電池輸出功率應(yīng)等于阻尼功率、傳動(dòng)裝置中的功率損耗、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率以及在電子儀器設(shè)備中所含的功率損耗。傳動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中的功率損耗分別通過各自的系數(shù)ηt和ηm予以描述，于是，在沒有附加載荷的情況下，動(dòng)力電池的輸出功率可表達(dá)[4]為：

等速行駛S 行程時(shí)，其單位里程能量消耗，如式（5）所示：

式中，t 為車輛行駛運(yùn)行時(shí)間。

2 能量消耗優(yōu)化措施分析

為了優(yōu)化車輛的整體性能，提升純電動(dòng)輕型物流車輛在不同工況和環(huán)境下的續(xù)航里程和經(jīng)濟(jì)性，需要從各個(gè)層次來提升各個(gè)部件的能效，降低附件的能量消耗占比。

以某純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，從整車阻力、能量回收、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析。

2.1 整車阻力

汽車阻力主要來自滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻、坡道阻力和加速阻力，風(fēng)阻與車速的二次方成正比，車輛在高速巡航時(shí)空氣阻力顯著增加，滾動(dòng)阻力變化不大，因此開發(fā)低風(fēng)阻導(dǎo)流罩，降低整車風(fēng)阻，優(yōu)化整車能耗及增加整車?yán)m(xù)駛里程。

車輛在低速行駛時(shí)，滾動(dòng)阻力對(duì)整車影響加大，因此需要開發(fā)低滾阻輪胎，降低整車滾動(dòng)阻力。

2.2 能量回收

通過NEDC 工況下制動(dòng)能量回收電流、電壓采集，確定瞬時(shí)回收功率，對(duì)時(shí)間積分得出整個(gè)工況循環(huán)中制動(dòng)能量回收的能量，優(yōu)化控制能量回收扭矩MAP，將加速踏板用于能量回收，實(shí)現(xiàn)車輛減速和滑行，車輛減速與加速踏板的位置有關(guān)，加速踏板踩踏越輕微，減速越強(qiáng)烈。在有預(yù)見性的駕駛方式下，僅借助于油門踏板就能實(shí)現(xiàn)特別高效的動(dòng)能回收和舒適駕駛。提高NEDC 工況下制動(dòng)能量回收貢獻(xiàn)率，由7%提升至10%。

2.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)

通過電芯能量密度提升，電池包箱體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)等措施，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度進(jìn)行提升，由125Wh/kg 提升至140Wh/kg。

動(dòng)力電池的成組方式、散熱量、電芯類型、電池內(nèi)阻等影響電池組能量轉(zhuǎn)換效率，通過成組優(yōu)化、熱管理優(yōu)化等措施，常溫下電池組輸入及輸出的能量轉(zhuǎn)換效率，由93%提升至95%。

2.4 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

通過分析PCU 母線上的電壓、電流確定電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬時(shí)功率，對(duì)時(shí)間積分得出工況下電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量消耗，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)MAP 進(jìn)行優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)最高效率由93%提升至95%，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率大于80%的區(qū)域由80%提升至85%。

2.5 電氣系統(tǒng)

通過分析高壓盒連接電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵DCAC、DCDC 等電氣附件線纜上的電壓、電流確定電氣附件的瞬時(shí)功率，對(duì)時(shí)間積分得出工況下電氣附件能量消耗，根據(jù)車輛運(yùn)行需求優(yōu)化電氣附件開關(guān)狀態(tài)及控制策略，降低電氣附件消耗能量。

2.6 充電系統(tǒng)

通過分析充電時(shí)各部件能量消耗，研究充電時(shí)各部件電流和內(nèi)阻、接觸電阻，特別是水泵消耗電量。研究充電時(shí)，充入電池能量、高壓線纜消耗能量、充電樁消耗能量、充電器消耗能量、電池組消耗能量、DCDC 輸入端能量、熱管理和空調(diào)消耗能量等，優(yōu)化充電策略，結(jié)合動(dòng)力電池組輸入及輸出的能量轉(zhuǎn)換效率提升，整車充電效率由88%提升至90%。

表1 能量消耗優(yōu)化措施分析

以上各工況復(fù)測(cè)3 次記錄結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明：部分負(fù)載加速性能扭矩跟隨踏板需求，過程無異常抖動(dòng)。

3 能量消耗優(yōu)化仿真分析

AVL-CRUISE 軟件是研究汽車能量消耗的高級(jí)模擬分析軟件。本文將應(yīng)用CRUISE 軟件對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行能量消耗分析。

基于CRUISE 仿真軟件，建立整車仿真模型，對(duì)車輛中影響功率分配和能量消耗的關(guān)鍵部件進(jìn)行建模，針對(duì)被控對(duì)象模型和控制模型進(jìn)行多特性的分析，選擇設(shè)定的能量消耗計(jì)算任務(wù)和工況，研究能量消耗優(yōu)化后的參數(shù)分析。整車仿真模型如圖1 所示。

圖1 純電動(dòng)汽車仿真模型

純電動(dòng)汽車每百公里能耗對(duì)電動(dòng)汽車的能量消耗評(píng)價(jià)十分重要，而電動(dòng)汽車各參數(shù)對(duì)每百公里能耗的影響也不一樣。

本文選擇NEDC 工況為道路循環(huán)行駛工況在CRUISE 仿真環(huán)境里進(jìn)行仿真，NEDC（New European Driving Cycle。新歐洲循環(huán)工況），它由4 個(gè)ECE 工況與1 個(gè)EUDC 工況疊加而成[5]。

表2 能量消耗優(yōu)化前后仿真分析

由表2 可知，該純電動(dòng)汽車在能量消耗優(yōu)化前整車?yán)m(xù)駛里程仿真值為252km，百公里能耗為38.5kWh/100km，從整車阻力、能量回收、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等措施進(jìn)行優(yōu)化后，整車?yán)m(xù)駛里程仿真值提升為為271km，百公里能耗降為35.8kWh/100km，效果明顯。

4 能量消耗優(yōu)化試驗(yàn)分析

結(jié)合以上能量消耗優(yōu)化措施分析和仿真分析，本文基于 整車轉(zhuǎn)轂對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行能量消耗分析。

表3 能量消耗優(yōu)化前后試驗(yàn)分析

由表3 可知，該純電動(dòng)汽車在能量消耗優(yōu)化前整車?yán)m(xù)駛里程試驗(yàn)值為254km，百公里能耗為38.2kWh/100km，從整車阻力、能量回收、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等措施進(jìn)行優(yōu)化后，整車?yán)m(xù)駛里程試驗(yàn)值提升為為273km，提升了7.5%，百公里能耗降為35.5kWh/100km，降低了7.6%，實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致性很好。

5 結(jié)論

（1）建立純電動(dòng)汽車能量消耗數(shù)學(xué)計(jì)算模型，包括動(dòng)力電池的輸出功率計(jì)算模型和純電動(dòng)汽車單位里程能量消耗計(jì)算模型等。

（2）以某純電動(dòng)汽車為例，研究了整車阻力、能量回收、動(dòng)力電池系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等6 個(gè)方面對(duì)能量消耗的影響，通過能量消耗分析，可以針對(duì)性地改進(jìn)車輛能量消耗，提升整車?yán)m(xù)駛里程，為純電動(dòng)汽車整車性能設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)。

（3）從仿真分析和試驗(yàn)分析兩方面研究了純電動(dòng)汽車能量消耗優(yōu)化的措施，通過能量消耗優(yōu)化分析，可以提升整車?yán)m(xù)駛里程、降低能量消耗，為純電動(dòng)汽車各系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)。