基于四電機(jī)臺(tái)架的純電動(dòng)汽車行駛能量流 試驗(yàn)研究

譚淳洲，許楨賢，羅玲，易密

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

1 前言

純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和百公里電耗兩項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，既是消費(fèi)者購(gòu)車前關(guān)注的重點(diǎn)，也是廠家對(duì)外宣傳時(shí)的核心，更是車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重中之重。

在研發(fā)過(guò)程中，行業(yè)內(nèi)均按照GB/T 18386《純電動(dòng)汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》進(jìn)行純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)測(cè)試，通過(guò)該試驗(yàn)方法可以獲得試驗(yàn)對(duì)象的續(xù)駛里程和百公里電耗兩項(xiàng)指標(biāo)。但僅此兩項(xiàng)指標(biāo)只能作為開(kāi)發(fā)標(biāo)定結(jié)果的判定，而無(wú)法為性能優(yōu)化工作提供方向性指導(dǎo)。

針對(duì)此經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的提升需求，行業(yè)內(nèi)主流的應(yīng)對(duì)方案有四種：加大動(dòng)力電池的容量、降低車輛道路阻力、提高車輛在減速過(guò)程中能量回收量、提高各高壓零部件的工作效率[1]。

方案一是早期各大主機(jī)廠的主流做法。由于此方案衍生了諸如操穩(wěn)、舒適性、安全性等一系列問(wèn)題，已逐漸被各主流主機(jī)廠棄用。

方案二重點(diǎn)考驗(yàn)主機(jī)廠的車身、底盤以及整車集成的正向開(kāi)發(fā)能力，資源的投入產(chǎn)出比低，單純采用此方案一般無(wú)法獲得符合市場(chǎng)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)。

方案三通過(guò)增大電機(jī)制動(dòng)來(lái)提升動(dòng)力電池的能量回收量，由此達(dá)到提升續(xù)駛里程的目的。文獻(xiàn)[1]提出了基于定減速度的純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收試驗(yàn)方法，分析了不同定減速度、不同控制策略對(duì)制動(dòng)能量回收量的影響。文獻(xiàn)[2-3]提出綜合了制動(dòng)能量回收率、節(jié)能貢獻(xiàn)度、續(xù)航里程貢獻(xiàn)度等指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，并分析了相關(guān)因素的影響作用。

方案四涉及整車性能需求與零部件性能指標(biāo)的匹配問(wèn)題。在目前純電動(dòng)汽車零部件供應(yīng)鏈還基本處于賣方市場(chǎng)的前提下，各零部件供應(yīng)商一般僅進(jìn)行基于零部件或者動(dòng)力總成邊界條件的效率類試驗(yàn)[4]，因此無(wú)法在整車環(huán)境下達(dá)到其性能最優(yōu)解。目前各主機(jī)廠無(wú)論是采用以上哪種方案亦或是多種方案并行推進(jìn)，均未能高效解決純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的優(yōu)化工作。

因此，本文從整車級(jí)試驗(yàn)角度出發(fā)，提出了一種基于四電機(jī)臺(tái)架的純電動(dòng)汽車行駛能量流試驗(yàn)方法。此方法可明確整車各高壓零部件的效率短板及可優(yōu)化空間，從而為整車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的優(yōu)化工作提供明確整改目標(biāo)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

汽車整車級(jí)試驗(yàn)是產(chǎn)品上市前的最后一道關(guān)鍵閥門，其中用戶在使用過(guò)程中的細(xì)節(jié)感受更是整車級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證的重點(diǎn)。整車級(jí)試驗(yàn)方法的開(kāi)發(fā)流程如圖1 所示，需要將用戶語(yǔ)言總結(jié)提煉為工程語(yǔ)言，再圍繞該工程語(yǔ)言設(shè)計(jì)符合產(chǎn)品定位的試驗(yàn)方案。

圖1 整車級(jí)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)流程

2.1 工程分析

對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，花更少的錢，充更多的電，然后讓車輛跑得更遠(yuǎn)是其根本訴求。這一訴求的核心是一定的電池容量下，純電動(dòng)汽車在充電和行駛兩個(gè)狀態(tài)下的能量利用效率均達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

對(duì)純電動(dòng)汽車充電和行駛兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行理論分析后，定義了整車行駛效率和整車充電效率這兩個(gè)參數(shù)。其中整車行駛效率是指行駛狀態(tài)下，車輛驅(qū)動(dòng)輪輸出能量與動(dòng)力電池輸出能量的比值；整車充電效率是指充電狀態(tài)下，動(dòng)力電池充入能量與供電設(shè)施輸出能量的比值。

引入這兩個(gè)新的定義后，再對(duì)續(xù)駛里程D 和百公里電耗C 進(jìn)行分析，如下：

式中：

Q電池輸出——純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，動(dòng)力電池輸出的能量。

F驅(qū)動(dòng)——純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力。

Q電池充電——純電動(dòng)汽車充電過(guò)程中，動(dòng)力電池的充電能量。

η整車行駛——純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，整車行駛效率。

η整車充電——純電動(dòng)汽車充電過(guò)程中，整車充電效率。

其中，Q電池輸出、Q電池充電屬于動(dòng)力電池的固有特性。F驅(qū)動(dòng)與整車質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)、輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)等有關(guān)。至此，分析提煉出了η整車行駛、η整車充電兩項(xiàng)影響整車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的工程參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

2.2.1 需求分析

本試驗(yàn)方案需在實(shí)車邊界條件下，使用各類傳感器對(duì)車輛所有的能量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確定車輛在行駛工況下的能量流動(dòng)效率。因此對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的需求為：具備同步且實(shí)時(shí)的電能、機(jī)械能數(shù)據(jù)采集能力，考慮到試驗(yàn)重復(fù)性問(wèn)題，試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)電子油門對(duì)車輛進(jìn)行控制。

2.2.2 測(cè)試參數(shù)確定

能量從動(dòng)力電池到驅(qū)動(dòng)輪的傳遞過(guò)程中存在電能和機(jī)械能兩種形式。純電動(dòng)汽車典型的電氣框架示意圖如圖2 所示。試驗(yàn)過(guò)程需對(duì)各電能節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、功率及積分得到的正負(fù)向電能進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并同步對(duì)各機(jī)械能節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率及積分得到的正負(fù)向機(jī)械能進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

圖2 某純電動(dòng)汽車典型電氣框架示意圖

2.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建

目前行業(yè)內(nèi)主要使用底盤測(cè)功機(jī)、六分力測(cè)試系統(tǒng)、四電機(jī)臺(tái)架三種方式進(jìn)行機(jī)械能量測(cè)試。底盤測(cè)功機(jī)和六分力系統(tǒng)一般情況選用的傳感器量程均在10000N 左右，試驗(yàn)誤差在±100N 左右，其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)誤差見(jiàn)表1。表2 是某純電動(dòng)轎車在底盤測(cè)功機(jī)上的阻力拆解數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，即使是在驅(qū)動(dòng)力較大的120km/h 勻速工況下，采用底盤測(cè)功機(jī)或者六分力測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試誤差均為26.27%左右。而在相同工況下采用四電機(jī)臺(tái)架，可以將試驗(yàn)誤差控制在0.18%左右，因此本文采用四電機(jī)臺(tái)架作為試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)平臺(tái)。

表1 三類機(jī)械能測(cè)試設(shè)備精度對(duì)比表

表2 某型號(hào)純電動(dòng)轎車阻力拆解結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，由功率分析儀的電機(jī)測(cè)試模塊記錄四電機(jī)臺(tái)架采集的機(jī)械能量節(jié)點(diǎn)信號(hào)，高壓模塊和電流傳感器記錄電能量節(jié)點(diǎn)信號(hào)，相關(guān)參數(shù)必須滿足量程和精度的要求以保證試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)有效。相應(yīng)設(shè)備的精度如表3 所示。

表3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度表

2.3 試驗(yàn)方法要求

拆除試驗(yàn)車輛的輪胎后，安裝在四電機(jī)臺(tái)架上，每個(gè)測(cè)功機(jī)輸出軸與試驗(yàn)車輛剎車盤連接時(shí)，均需進(jìn)行同軸度校核。同時(shí)四電機(jī)臺(tái)架輸入該試驗(yàn)車輛的道路阻力曲線進(jìn)行車輛內(nèi)阻滑行測(cè)試，確定車輛行駛時(shí)四電機(jī)臺(tái)架需要模擬的阻力曲線。

試驗(yàn)前，試驗(yàn)車輛應(yīng)在20℃～30℃的環(huán)境溫度下以模式3 的充電方式充滿電，然后在該溫度下靜置超過(guò)12h。試驗(yàn)時(shí)由四電機(jī)臺(tái)架控制車輛的油門執(zhí)行器、制動(dòng)執(zhí)行器開(kāi)展NEDC、WLTC、CLTC、HWFET、US06 等工況試驗(yàn)，直到試驗(yàn)車輛的車速低于工況需求車速為止。

3 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方法對(duì)某型號(hào)純電動(dòng)汽車進(jìn)行NEDC、CLTC、HWFET、US06 等4 個(gè)工況試驗(yàn)，由表4 的試驗(yàn)總體結(jié)果可知，不同工況下的電池輸出能量和能量回收總量不盡相同，主要是受試驗(yàn)工況中的加、減速度值和時(shí)間有關(guān)。

表4 不同工況下整車輸出能量結(jié)果

3.1 各能量節(jié)點(diǎn)能量消耗占比

該試驗(yàn)車輛的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、差減速器三合一總成，因此在數(shù)據(jù)采集、分析時(shí)將其作為一個(gè)整體。為了進(jìn)行詳細(xì)的能量流分析，需測(cè)算出試驗(yàn)車輛各能量節(jié)點(diǎn)的能量使用情況。表5 是以各能量節(jié)點(diǎn)消耗的能量作為分子，以動(dòng)力電池輸出的凈能量作為分母計(jì)算的各能量節(jié)點(diǎn)能耗占比，表征試驗(yàn)車輛的能量消耗分布情況，可為性能優(yōu)化工作方向提供了直接的數(shù)據(jù)支持。表5 中的驅(qū)動(dòng)軸輸出部分是用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛的能量，與續(xù)馳里程成正比關(guān)系。在動(dòng)力電池輸出能量一定的情況下，應(yīng)盡可能降低表5 中其他能量節(jié)點(diǎn)的消耗占比，特別是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗占比和低壓負(fù)載消耗占比。

3.2 整車行駛效率及各能量節(jié)點(diǎn)效率

為了細(xì)化分析各能量節(jié)點(diǎn)的工作效率，將試驗(yàn)車輛工況循環(huán)試驗(yàn)拆分成正向輸出和能量回收兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析。表6 統(tǒng)計(jì)分析了試驗(yàn)車輛在4 個(gè)工況下整車行駛效率和各能量節(jié)點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換效率。將表6 中電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率、DC/DC 工作效率與零部件臺(tái)架試驗(yàn)的效率值進(jìn)行對(duì)比，其差值即為該零部件工作效率的可優(yōu)化空間。

優(yōu)先選取工作效率低和能量消耗占比大的能量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更加深入的零部件性能試驗(yàn)，提升其在實(shí)車邊界條件下的工作效率、降低能量消耗占比，可顯著提升試驗(yàn)車輛的續(xù)馳里程。

表6 整車及各能量節(jié)點(diǎn)工作效率

4 結(jié)論

優(yōu)化純電動(dòng)汽車各能量節(jié)點(diǎn)的工作效率和能耗占比是提升純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)馳里程的有效方法。本文提出了基于四電機(jī) 臺(tái)架的整車能量流試驗(yàn)方法，通過(guò)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，試驗(yàn)平臺(tái)搭建，研究了在不同標(biāo)準(zhǔn)工況下純電動(dòng)汽車的能量流向圖和各個(gè)能量節(jié)點(diǎn)的能量使用情況。通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果表明，通過(guò)該試驗(yàn)方法，可以快速定位出試驗(yàn)車輛在行駛過(guò)程中的效率短板，明確了下一步性能優(yōu)化工作的方向，對(duì)提高純電動(dòng)汽車綜合工況下的續(xù)航里程具有很好的指導(dǎo)意義。