駕駛風(fēng)格對(duì)純電動(dòng)汽車能耗的影響

趙佳偉，胡明輝,1b，榮正璧，傅春耘,1b

(1.重慶大學(xué) a.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院；b.機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044；2.重慶長(zhǎng)安汽車股份 有限公司，重慶 400023)

純電動(dòng)汽車靠電機(jī)提供動(dòng)力，能量轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足節(jié)能減排的要求，受到廣泛的關(guān)注和重視。但純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車存在較大差距[1]，在目前車載電池能量有限的情況下，對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行能耗分析，提高能量的利用率，成為提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的重要手段[2]。

目前，對(duì)電動(dòng)車的能耗研究多以固定循環(huán)工況，如新歐洲測(cè)試循環(huán)(new European driving cycle, NEDC)、全球輕型汽車測(cè)試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycle, WLTC)等為基礎(chǔ)進(jìn)行能耗分析[3-5]，但與實(shí)際道路運(yùn)行工況存在較大差異。為此，一些研究學(xué)者基于車輛實(shí)際道路實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，著重研究了道路參數(shù)(坡度[6]、交通狀況[7])、車輛運(yùn)行特征參數(shù)[8-10]以及環(huán)境溫度[11-12]對(duì)電動(dòng)汽車能耗的影響，未考慮駕駛風(fēng)格對(duì)車輛能耗的影響。然而，研究表明駕駛風(fēng)格對(duì)于電池能量消耗有著重要影響[13-16]。Yi等[13]分析了駕駛風(fēng)格對(duì)車輛能量的敏感性；通過(guò)考慮駕駛風(fēng)格的影響，Wu等[14]提出了一種高效的再生制動(dòng)能量回收策略；秦大同等[15]制定了更節(jié)能的能量管理策略；Jimenez等[16]建立了更為準(zhǔn)確的車輛續(xù)駛里程估計(jì)模型。目前駕駛風(fēng)格識(shí)別方法主要分為兩種：通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查挑選不同駕駛風(fēng)格的駕駛員進(jìn)行試驗(yàn)[17]和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用聚類分析對(duì)駕駛風(fēng)格進(jìn)行識(shí)別[18-19]。李立治等[20]針對(duì)國(guó)內(nèi)人群駕駛風(fēng)格分類不合理及識(shí)別精度不高的問(wèn)題，提出一種駕駛風(fēng)格分類及識(shí)別客觀化的方案。王超等[21]在原有最優(yōu)預(yù)瞄側(cè)向駕駛員模型的基礎(chǔ)上建立了多點(diǎn)多目標(biāo)決策模型，以駕駛員的視野特征和決策意愿表征駕駛風(fēng)格。但關(guān)于駕駛風(fēng)格對(duì)純電動(dòng)汽車能耗的影響研究少有報(bào)道。

綜上所述，目前純電動(dòng)汽車的能耗研究著重于研究車輛自身參數(shù)、道路及環(huán)境等因素的影響，對(duì)于駕駛員駕駛風(fēng)格的影響關(guān)注較少。然而，研究表明考慮駕駛風(fēng)格影響能顯著改善車輛的能量消耗與回收，因此研究駕駛風(fēng)格對(duì)純電動(dòng)汽車能耗的影響對(duì)優(yōu)化整車電耗有十分重要的意義。為此，筆者挑選不同駕駛風(fēng)格的駕駛員，在等速和綜合工況下對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)合進(jìn)行定量分析，在等速工況下確定因素對(duì)汽車能耗影響的基礎(chǔ)上著重分析綜合工況下駕駛風(fēng)格對(duì)電動(dòng)汽車能耗的影響。

1 整車能量流分析及計(jì)算

分析整車能量可知，車輛通過(guò)充電設(shè)備將外部電能存儲(chǔ)到車輛動(dòng)力電池，在電池放電時(shí)，動(dòng)力電池的能量分為：流入直流轉(zhuǎn)交流逆變器(direct current/ alternating current, DC/AC)以提供轉(zhuǎn)向助力、流入直流轉(zhuǎn)直流逆變器(DC/DC)為整車低壓設(shè)備供電、在開(kāi)啟空調(diào)或汽車正溫系數(shù)加熱器(positive temperature coefficient， PTC)時(shí)流入空調(diào)壓縮機(jī)或PTC、流入電機(jī)電控驅(qū)動(dòng)車輛行駛等4個(gè)部分，整車能量流如圖1所示。

圖1 整車能量流Fig. 1 Vehicle energy flow

流入電機(jī)電控的能量為動(dòng)力電池能量的主要部分，會(huì)被自身效率損耗一部分，然后輸出到傳動(dòng)系統(tǒng)；輸入傳動(dòng)系統(tǒng)的能量也會(huì)因傳動(dòng)效率損耗一部分，隨后輸出能量用于車輛行駛；最后傳動(dòng)系統(tǒng)輸出能量會(huì)被滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻、坡度阻力和機(jī)械制動(dòng)消耗，因電制動(dòng)回收和發(fā)電效率產(chǎn)生損耗。

分析車輛能量和能耗，應(yīng)計(jì)算出輸入整車的能量、行駛阻力耗能、部件效率和部件耗能。輸入車輛的能量由電池實(shí)際放出的能量決定，并流向各部件；行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻、坡度阻力和加速阻力；部件效率包含傳動(dòng)系統(tǒng)效率、電機(jī)電控驅(qū)動(dòng)效率和制動(dòng)發(fā)電效率；部件耗能主要包含行車必須工作的部件的耗能，即：DC/DC耗能和DC/AC耗能等。

1.1 電池輸入能量

電池輸入到車輛的能量包括整車驅(qū)動(dòng)時(shí)電池放出的能量與制動(dòng)時(shí)電池回收的能量，計(jì)算公式可表示為：

(1)

1.2 行駛阻力耗能

在平道路(縱向坡度小于2%)的道路環(huán)境下研究電動(dòng)汽車能耗，行駛阻力能耗的坡度阻力和滾動(dòng)阻力均與道路相關(guān)，故把兩種阻力合在一起考慮為道路阻力。

(2)

1.3 效率損耗能量

1.3.1 電機(jī)發(fā)電耗能

(3)

1.3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)耗能

(4)

1.3.3 電機(jī)電控驅(qū)動(dòng)耗能

(5)

1.4 部件耗能

由于PTC、空調(diào)壓縮機(jī)、DC/DC、DC/AC都可以通過(guò)輸入電壓和電流計(jì)算耗能，所以它們各自耗能的計(jì)算方法為：

(6)

1.5 百公里電耗折算

為排除空調(diào)壓縮機(jī)和PTC等行車非必須工作部件對(duì)分析的影響，整車百公里電耗計(jì)算公式為：

(7)

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)試車輛為某純電動(dòng)貨車，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)車輛參數(shù)

為得到整車的能量流動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試車輛的高、低壓電氣原理，確定各安裝節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)各節(jié)點(diǎn)電流選取適當(dāng)量程的電流傳感器，測(cè)得流入各高壓部件的電流[22]。同時(shí)需要在制動(dòng)回路添加壓強(qiáng)傳感器，測(cè)得機(jī)械制動(dòng)損耗的能量，測(cè)試原理如圖 2所示。

圖2 能量測(cè)試原理Fig. 2 Principle of energy measurement

2.1 等速工況實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2 綜合工況實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

綜合工況實(shí)驗(yàn)以駕駛風(fēng)格和行駛工況兩個(gè)參數(shù)為變量，該實(shí)驗(yàn)方案主要用于分析駕駛風(fēng)格不確定因素對(duì)汽車能耗的影響。

2.2.1 行駛工況選擇

行駛工況選擇暢通和擁堵兩種，交通擁堵不僅與交通需求和道路通行能力有關(guān)，而且與人們的心理承受能力有關(guān)，可以通過(guò)交通擁堵指數(shù)(traffic congestion index, TCI)來(lái)對(duì)行駛工況進(jìn)行區(qū)分[23]。筆者定義變量M為將特定區(qū)域特定時(shí)刻的單個(gè)路段的擁堵強(qiáng)度量化后的相對(duì)數(shù)，該指標(biāo)值可以體現(xiàn)交通運(yùn)行狀態(tài)和擁堵強(qiáng)度，反映其運(yùn)行質(zhì)量，無(wú)量綱。M為一個(gè)連續(xù)變量，定義其取值范圍是0～5。指標(biāo)值的大小代表了不同的交通運(yùn)行狀態(tài)和擁堵強(qiáng)度。值越大則評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)的道路運(yùn)行狀態(tài)越差，擁堵強(qiáng)度越大；反之，道路的運(yùn)行狀態(tài)越好，擁堵強(qiáng)度越小。計(jì)算公式如下：

(8)

式中：Mp表示該等級(jí)道路中路段p的交通擁堵指數(shù)；q為路段數(shù)；Ap表示路段p的重要性權(quán)重；MTCI_road為整個(gè)行駛路段的交通擁堵指數(shù)，取MTCI_road>2為擁堵工況，MTCI_road≤2為暢通工況。

2.2.2 駕駛風(fēng)格選擇

試驗(yàn)招募18名非職業(yè)駕駛?cè)俗鳛樵囼?yàn)對(duì)象，年齡為25.00～45.00歲，均值為30.64歲，標(biāo)準(zhǔn)差為8.90歲，駕齡為5.00～25.00年(均值：9.54年，標(biāo)準(zhǔn)差：4.86年)，上年度年駕駛經(jīng)驗(yàn)里程為4 000～50 000 km(均值為12 649 km，方差為10 462 km)，采用問(wèn)卷調(diào)查的形式對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行調(diào)查。首先，基于駕駛?cè)诵袨閱?wèn)卷，提取駕駛風(fēng)格因子與負(fù)荷對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，要求本實(shí)驗(yàn)的駕駛?cè)私o出個(gè)人該行為的發(fā)生頻率，0～4代表發(fā)生的頻率逐漸增加。然后，采用信度系數(shù)對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，基于主成分分析法實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛風(fēng)格的量化[24]。最后，計(jì)算其綜合得分并進(jìn)行駕駛風(fēng)格分類。

(9)

式中：aij為載荷系數(shù)；λi為第i個(gè)特征根；hij為第i個(gè)特征向量的第j個(gè)元素；xij表示原始變量標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果；Fli為第l個(gè)樣本的第i個(gè)主成分得分；Fl為第l個(gè)樣本總得分，樣本總得分越高，表明駕駛風(fēng)格越激進(jìn)，可將18名駕駛?cè)朔譃楸Ｊ匦?、正常型和激進(jìn)型3類。根據(jù)不同的行駛工況和駕駛風(fēng)格將實(shí)驗(yàn)分為6組進(jìn)行，如表2所示。

表2 行駛工況和駕駛風(fēng)格組合

3 整車能量流及其影響因素分析

3.1 整車能量流分析

3.1.1 等速工況

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論的計(jì)算，得到等速工況下的整車及關(guān)鍵部件的能量消耗情況，整車能量流數(shù)據(jù)如表3所示。表中E為百公里電池實(shí)際放出能量，E1為百公里附件損耗能量，E2為百公里電機(jī)電控系統(tǒng)損耗能量，E3為百公里傳動(dòng)系統(tǒng)損耗能量，E4為百公里傳動(dòng)系統(tǒng)輸出損耗能量。

表3 等速工況能量流

可以看出在等速工況下，電池放出的能量，主要是因電機(jī)電控系統(tǒng)的效率而損耗和傳動(dòng)系統(tǒng)輸出的能量用于車輛行駛所消耗，電機(jī)電控系統(tǒng)能耗占19.90%～47.20%，傳動(dòng)系統(tǒng)輸出損耗的能量占44.10%～73.30%，附件消耗的能量很少，占2.00%～6.10%。

電機(jī)電控系統(tǒng)損耗包括電機(jī)損耗和電機(jī)控制器損耗，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算可得到不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的電機(jī)電控整體效率圖，并將等速工況實(shí)驗(yàn)下電機(jī)驅(qū)動(dòng)的50%以上的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速在其效率圖上的落點(diǎn)區(qū)域標(biāo)出(圖3)。可以看出隨著汽車速度增加，電機(jī)電控系統(tǒng)效率增加，因此當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)電控系統(tǒng)損耗減少。

圖3 等速工況點(diǎn)效率分布Fig. 3 Efficiency distribution at constant velocity points

圖4 等速工況傳動(dòng)系統(tǒng)輸出能量消耗情況Fig. 4 The output energy consumption of the transmission system in constant speed condition

3.1.2 綜合工況

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算得到綜合工況下不同行駛工況和駕駛風(fēng)格下的能量分布，6種綜合工況實(shí)驗(yàn)的整車能量流數(shù)據(jù)如表4所示?？梢钥闯鲭姍C(jī)電控系統(tǒng)的能耗占比為12.70%～32.40%，傳動(dòng)系統(tǒng)輸出能量占比為63.10%～85.60%，仍為主要的能量消耗部分；DC/DC和DC/AC等高壓附件耗能占比非常少，DC/AC能耗占比1.20%～2.80%，DC/DC能耗占比0.60%～2.20%。

表4 綜合工況能量流

表5 綜合工況傳動(dòng)系統(tǒng)輸出能量損耗情況

3.2 駕駛風(fēng)格與能耗

表6 暢通工況下不同駕駛風(fēng)格耗能分析

因制動(dòng)時(shí)才會(huì)引起機(jī)械制動(dòng)耗能WMB和電制動(dòng)損耗的能量WWEB，所以可將機(jī)械制動(dòng)損耗能量和電制動(dòng)損耗能量統(tǒng)稱為制動(dòng)損耗能量，占比56.44%；風(fēng)阻耗能Ww和道路阻力耗能Wf可以統(tǒng)稱為車輛行駛阻力耗能，占比21.20%；傳動(dòng)系統(tǒng)效率損耗能量WWT和電機(jī)電控驅(qū)動(dòng)效率損耗能量WWMD統(tǒng)稱為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)平均運(yùn)行效率能耗，占比22.36%。

表7 擁堵工況下不同駕駛風(fēng)格耗能分析

3.2.1 駕駛風(fēng)格與制動(dòng)能耗

駕駛風(fēng)格對(duì)汽車制動(dòng)能耗的影響體現(xiàn)在對(duì)機(jī)械制動(dòng)能耗和電機(jī)制動(dòng)時(shí)因發(fā)電效率的損耗兩方面，如圖5所示，暢通或擁堵路況下，駕駛風(fēng)格越激進(jìn)，汽車的制動(dòng)損耗能量越高；汽車在制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)兩部分提供，駕駛風(fēng)格越激進(jìn)，制動(dòng)踏板開(kāi)度變化率越大，機(jī)械制動(dòng)能耗越高，呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。受電機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)電效率的影響，電制動(dòng)損耗存在波動(dòng)，需進(jìn)一步分析駕駛風(fēng)格對(duì)電機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)電效率的影響。

圖5 相同行駛工況、不同駕駛風(fēng)格制動(dòng)能耗Fig. 5 Braking energy consumption with different driving behaviors under the same driving condition

電機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)電效率如圖6所示。電機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)電的高效區(qū)處于中高速和中高負(fù)荷圍成的區(qū)域，速度一定時(shí)，適當(dāng)提高電機(jī)的制動(dòng)力矩，可提高電機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)電效率，降低電機(jī)制動(dòng)損耗。激進(jìn)的駕駛風(fēng)格存在汽車頻繁急加速、急減速的情況，將導(dǎo)致制動(dòng)次數(shù)增加和電機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)電效率波動(dòng)，若發(fā)電效率處于高效區(qū)的時(shí)間縮短，則電機(jī)制動(dòng)損耗的能量增加。因此，適當(dāng)提高電制動(dòng)扭矩能提高電機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)電效率，降低因發(fā)電效率損耗的能量；同時(shí)電制動(dòng)扭矩提高也可減少對(duì)機(jī)械制動(dòng)力矩的需求，降低機(jī)械制動(dòng)損耗能量。

圖6 電機(jī)電控發(fā)電效率Fig. 6 Electric power generation efficiency of electric motor

3.2.2 駕駛風(fēng)格與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)能耗

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)能耗由效率決定，因傳動(dòng)系統(tǒng)的效率被認(rèn)為固定不變，故能耗主要受電機(jī)電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率影響，對(duì)比暢通工況下激進(jìn)和保守駕駛風(fēng)格的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的分布(圖7)，可以看出不同駕駛風(fēng)格主要影響低速區(qū)電機(jī)工作點(diǎn)的分布數(shù)量。

圖7 暢通工況不同駕駛風(fēng)格工況點(diǎn)分布Fig. 7 Point distribution of different driving behaviors in smooth driving condition

根據(jù)不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的電機(jī)電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率(圖8)，得到暢通工況不同駕駛風(fēng)格電機(jī)電控驅(qū)動(dòng)效率分布，如表8所示。在電機(jī)電控驅(qū)動(dòng)效率低于60.00%的區(qū)間，保守型駕駛風(fēng)格工作點(diǎn)占比8.38%，小于激進(jìn)型駕駛風(fēng)格工作點(diǎn)的占比10.97%。

圖8 電機(jī)電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率圖Fig. 8 Drive efficiency diagram of motor control system

表8 暢通工況不同駕駛風(fēng)格電機(jī)電控效率分布

對(duì)比擁堵工況下激進(jìn)和保守駕駛風(fēng)格的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的分布(圖9)可以看出不同駕駛風(fēng)格主要影響高速區(qū)電機(jī)工作點(diǎn)的分布數(shù)量。

圖9 擁堵工況不同駕駛風(fēng)格工況點(diǎn)分布Fig. 9 Point distribution of different driving behaviors in congestion driving condition

擁堵工況不同駕駛風(fēng)格電機(jī)電控驅(qū)動(dòng)效率分布如表9所示。在電機(jī)電控驅(qū)動(dòng)效率高于80.00%的區(qū)間，保守型駕駛風(fēng)格工作點(diǎn)占比59.58%，大于激進(jìn)型駕駛風(fēng)格工作點(diǎn)占比54.49%。

表9 擁堵工況不同駕駛風(fēng)格電機(jī)電控效率分布

4 結(jié) 論

通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究純電動(dòng)汽車能量流動(dòng)情況，著重分析駕駛風(fēng)格對(duì)電動(dòng)汽車能耗的影響，得出以下結(jié)論，在目前電動(dòng)汽車電池儲(chǔ)存能量有限的情況下，為優(yōu)化整車的電耗指明了方向。

1)電池放出的能量，19.90%～47.20%被電機(jī)電控系統(tǒng)的效率損耗，44.10%～73.30%由傳動(dòng)系統(tǒng)輸出用于車輛行駛所消耗，附件消耗的能量很少，僅占2.00%～6.10%。建議從減小風(fēng)阻能耗、減少機(jī)械制動(dòng)能耗、提高電制動(dòng)發(fā)電效率和提高電機(jī)電控效率等方面開(kāi)展整車電耗優(yōu)化工作。

3)暢通或擁堵路況下，駕駛風(fēng)格越激進(jìn)，汽車的制動(dòng)損耗能量越高；受電機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)電效率的影響，電制動(dòng)損耗存在波動(dòng)。增強(qiáng)電制動(dòng)扭矩可提高電機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)電效率，減少電制動(dòng)損耗，同時(shí)減小機(jī)械制動(dòng)扭矩，降低機(jī)械制動(dòng)損耗。在制動(dòng)時(shí)，應(yīng)通過(guò)合理分配電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)扭矩，優(yōu)化整車能耗。

4)在相同車輛狀態(tài)下，電機(jī)電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率受駕駛風(fēng)格的影響。暢通工況下，不同駕駛風(fēng)格主要影響低速區(qū)電機(jī)工作點(diǎn)的分布數(shù)量；擁堵工況下，不同駕駛風(fēng)格主要影響高速區(qū)電機(jī)工作點(diǎn)的分布數(shù)量。在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 600 r/min時(shí)，適當(dāng)提高扭矩會(huì)提高實(shí)時(shí)效率，轉(zhuǎn)速提升速率更大，以減小低效區(qū)時(shí)間，從而提升整體效率。