劉忠途，伍慶龍，宗志堅(jiān)

(中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510006)

純電動(dòng)汽車是以車載電池為電源，依靠大功率電機(jī)提供動(dòng)力的新能源交通工具，具有清潔無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[1]。純電動(dòng)汽車行駛時(shí)要求盡可能降低汽車的各種能耗,充分利用攜帶的有限電能，最大限度地增加續(xù)駛里程，提高能耗經(jīng)濟(jì)性[2]。在產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的進(jìn)程中，純電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性問題被日趨重視，研究純電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性十分必要。對(duì)于純電動(dòng)汽車耗能經(jīng)濟(jì)性的改善與提高，主要考慮續(xù)駛里程以及行駛工況能耗。續(xù)駛里程是指純電動(dòng)汽車在動(dòng)力電池完全充電狀態(tài)下，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離。行駛工況能耗是以一定的車速或循環(huán)行駛工況為基礎(chǔ)，以車輛行駛一定里程的能量消耗量來衡量[3-4]。

目前對(duì)能耗經(jīng)濟(jì)性的研究主要采用的方式有室外道路實(shí)車試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)軟件仿真、室內(nèi)臺(tái)架測(cè)試等。相比而言，室外道路實(shí)車試驗(yàn)?zāi)芴峁┱鎸?shí)的運(yùn)行環(huán)境，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，但是制造成本高、適應(yīng)性差、測(cè)試和調(diào)節(jié)難度大[5]。計(jì)算機(jī)軟件仿真具有實(shí)用性好、成本低、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，但只能獲取仿真結(jié)果，準(zhǔn)確度不高[6]。而電動(dòng)汽車能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)是包括測(cè)功機(jī)及控制子系統(tǒng)、被測(cè)電機(jī)及控制器子系統(tǒng)、電池組供電子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)四個(gè)組成部分在內(nèi)的整體系統(tǒng)。室內(nèi)臺(tái)架測(cè)試介于仿真與實(shí)車試驗(yàn)之間，可以實(shí)時(shí)有效地對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)各總成進(jìn)行性能測(cè)試[7]，對(duì)控制策略的優(yōu)劣進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，減少開發(fā)成本和加快開發(fā)進(jìn)度，具有上述兩者不可替代的作用。

本文利用臺(tái)架模擬的方法研究純電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性，在試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)上模擬汽車行駛時(shí)作用在電機(jī)輸出軸上的實(shí)際負(fù)載，再現(xiàn)諸如起步、變速、制動(dòng)等行駛過程，實(shí)現(xiàn)同道路試驗(yàn)相同或更為理想的電機(jī)運(yùn)行工況的仿真。以實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的ECUV純電動(dòng)汽車為對(duì)象，利用能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)測(cè)試其等速百公里耗電量和在不同整車質(zhì)量下的的百公里耗電量，評(píng)價(jià)純電動(dòng)汽車的能耗經(jīng)濟(jì)性，分析整車質(zhì)量對(duì)純電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 續(xù)駛里程及能耗模型

續(xù)駛里程和能量消耗均有等速法和工況法兩種測(cè)量方法，計(jì)算和測(cè)試可以針對(duì)這兩種工況進(jìn)行。等速能耗曲線通常以測(cè)出速度間隔為10 km/h或20 km/h的等速行駛能耗為標(biāo)準(zhǔn)，在“速度-能耗”曲線圖上連成曲線，稱為等速能耗經(jīng)濟(jì)特性曲線。等速能耗測(cè)試不能全面反映汽車實(shí)際行駛中受工況變化的影響，但是對(duì)于經(jīng)濟(jì)時(shí)速的確定及勻速法計(jì)算續(xù)駛里程是有必要的。在對(duì)實(shí)際行駛車輛進(jìn)行跟蹤測(cè)試統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，各國都制定了一些典型的循環(huán)行駛試驗(yàn)工況來模擬實(shí)際汽車運(yùn)行狀況，并以其百公里耗電量來評(píng)定相應(yīng)行駛工況下的能耗經(jīng)濟(jì)性。歐洲一些國家常用的是UDDS工況，在國內(nèi)用的比較典型的是ECE_EUDC工況[8]，其試驗(yàn)循環(huán)工況見圖1。

工況其實(shí)就是車速V與時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系,由于工況法循環(huán)只比等速法多了加速和減速狀態(tài)，在計(jì)算能量消耗時(shí)，計(jì)入加速時(shí)的能量消耗就可以了。因此，等速法和工況法在某一狀態(tài)時(shí)的計(jì)算方法是相同的。

圖1 試驗(yàn)循環(huán)行駛工況

1.1 汽車行駛消耗功率

汽車行駛時(shí)需要克服相應(yīng)的阻力[9], 消耗的功率P為[10]

(1)

式(1)中，m為電動(dòng)汽車質(zhì)量,kg；g為重力加速度,m/s2；va為行駛速度,km/h；dv/dt為加速度,m/s2；P為功率,W；i為爬坡度，用百分?jǐn)?shù)表示；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩輸出

考慮到實(shí)際上正常道路的坡度角不大，汽車行駛方程式為[11]

(2)

電機(jī)輸出扭矩為

(3)

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為

(4)

式(2)、(3)、(4)中的參數(shù)含義同式(1)中一樣，其中，r為汽車輪胎半徑，m；ig為變速器傳動(dòng)比，i0為主減速器傳動(dòng)比，ηT表示傳動(dòng)系的機(jī)械效率。

電機(jī)輸出功率為

Pe=nT/9 549

(5)

1.3 電池儲(chǔ)存的能量

We=CeUeMNηDOD

(6)

式(6)中，Ce為單個(gè)電池容量，A·h；Ue為單個(gè)電池的額定電壓，V；M為每組電池的個(gè)數(shù)；N為并聯(lián)的電池組數(shù)；ηDOD為電池的放電深度，用百分?jǐn)?shù)表示。

在研究續(xù)駛里程時(shí)，主要關(guān)心放電電流與放電時(shí)間的關(guān)系。對(duì)于鋰離子動(dòng)力電池，目前主要采用Peukert 方程計(jì)算為[12]

(7)

式(7)中，k，n為常數(shù)，與蓄電池本身有關(guān)，可以通過放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算而得到；Ib為電池放電電流，A；tb為放電時(shí)間，h。

1.4 等速法續(xù)駛里程計(jì)算

設(shè)電動(dòng)汽車以速度va行駛時(shí)間t，則一次充電的續(xù)駛里程為：

S=va·t=va(we/p)η

(8)

1.5 工況法續(xù)駛里程計(jì)算

工況法續(xù)駛里程為

(9)

式(9)中，Sn為每個(gè)狀態(tài)的行駛距離,km；K為車輛能夠完成的狀態(tài)總數(shù)。

1.6 臺(tái)架能耗測(cè)試計(jì)算

在進(jìn)行純電動(dòng)汽車行駛消耗功率測(cè)試時(shí)，能耗試驗(yàn)臺(tái)架上的被測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為實(shí)車上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。工作時(shí)，電池組為電機(jī)控制器提供的電功率Pi為

Pi=U·I

(10)

式(10)中，U的單位為V，I的單位為A。

將各個(gè)時(shí)刻在臺(tái)架上測(cè)得的電功率積分，即為純電動(dòng)汽車所消耗的能量W為

(11)

2 純電動(dòng)汽車能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)

2.1 臺(tái)架模擬原理

能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)包含四個(gè)組成部分：測(cè)功機(jī)及其控制子系統(tǒng)、被測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、電池組供電子系統(tǒng)和可控的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。其中，測(cè)功機(jī)與電機(jī)同軸連接，它的基本作用就是提供被測(cè)電機(jī)負(fù)載并且可控；電池組提供給被測(cè)電機(jī)控制器所需的電壓電流；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入輸出的電壓、電流、功率及電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩并根據(jù)公式(5)算出其機(jī)械功率。臺(tái)架模擬電動(dòng)汽車道路行駛工況時(shí)，測(cè)功機(jī)按照模擬汽車行駛時(shí)作用在電機(jī)軸上的實(shí)際負(fù)載運(yùn)行，負(fù)載值參見公式(3)，同時(shí)被測(cè)電機(jī)按照設(shè)定工況轉(zhuǎn)速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速值參見公式(4)，兩者在時(shí)間上保持同步性。試驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)地采集各個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式(6)-(11)計(jì)算出續(xù)駛里程以及能量消耗。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

純電動(dòng)汽車能耗測(cè)試動(dòng)力平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)見圖2，由(a)電機(jī)測(cè)試臺(tái)架、(b)供電電池、(c)儀器檢測(cè)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)四大部分組成。其中，電機(jī)測(cè)試臺(tái)架由被測(cè)電機(jī)子系統(tǒng)和測(cè)功機(jī)子系統(tǒng)組成，具體包括一臺(tái)ECUV車用電機(jī)，一臺(tái)南京中科儀器廠的YVP200L型交流變頻電機(jī)，一套ABB公司生產(chǎn)的ACS800變頻控制系統(tǒng)。儀器檢測(cè)系統(tǒng)采用湘儀動(dòng)力的JW-3型扭矩儀和日本橫河公司的WT1600功率計(jì)組成。另外，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工控機(jī)、PCICAN113通信卡、PCI2318H采集卡以及GPIB(PCI)FL通信卡組成。PCICAN113卡是一種PCI接口的高性能CAN總線通信接口卡，PCI2318H采集卡，它具有32個(gè)模擬輸入通道，4個(gè)電壓模擬和4個(gè)電流模擬輸出通道，采樣頻率最高可達(dá)250 kHz，完全滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制的需要，GPIB卡可以插到工控機(jī)的PCI槽中，負(fù)責(zé)工控機(jī)與WT1600功率計(jì)的通信。

圖2 純電動(dòng)汽車能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)

能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)工作時(shí)，電池組提供給車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的電壓和電流，工控機(jī)通過CAN總線控制被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，采用RS232串行總線控制測(cè)功機(jī)加載變化，轉(zhuǎn)矩儀測(cè)試車用電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩，數(shù)字功率計(jì)測(cè)試電池組輸出電壓、電流和功率，對(duì)功率積分算出所耗能量?？刂菩盘?hào)和采集數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的接口卡實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的通信與信號(hào)的處理。

2.3 測(cè)試軟件開發(fā)

循環(huán)行駛工況仿真測(cè)試時(shí)，測(cè)功電機(jī)模擬整個(gè)汽車慣量，電動(dòng)汽車行駛過程中所需的力以附加扭矩的形式通過測(cè)功機(jī)加載到電機(jī)軸上[13-14]。轉(zhuǎn)速扭矩的求解過程利用了后向仿真的方法。將汽車的“速度-時(shí)間”曲線轉(zhuǎn)換為電機(jī)的“轉(zhuǎn)速-時(shí)間”曲線和“扭矩-時(shí)間”曲線。電機(jī)的“轉(zhuǎn)速-時(shí)間”曲線作為車用電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考命令，而“扭矩-時(shí)間”曲線作為測(cè)功電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考命令。

程序運(yùn)行時(shí)，配置汽車參數(shù)，輸入將要被試驗(yàn)的車型參數(shù)，然后配置新的工況或選擇數(shù)據(jù)庫中的試驗(yàn)工況。程序讀取計(jì)算出的電機(jī)工況，以時(shí)間為同步將轉(zhuǎn)速指令輸入到被測(cè)電機(jī)控制器，扭矩指令輸入給負(fù)載電機(jī)控制器。臺(tái)架系統(tǒng)開始工作，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)包括電壓、電流、轉(zhuǎn)速、扭矩等，實(shí)時(shí)計(jì)錄電池組消耗的能量和計(jì)算續(xù)駛里程并存儲(chǔ)。調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，作出能耗曲線，評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車的能耗經(jīng)濟(jì)性。利用LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)臺(tái)架系統(tǒng)測(cè)試軟件，仿真運(yùn)行界面如圖3所示。

由圖3可以看出，工況車速可以實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化成電機(jī)的工況轉(zhuǎn)速及扭矩，并且根據(jù)公式(5)算出電機(jī)的瞬時(shí)功率。根據(jù)文中前面提到的續(xù)駛里程及能耗模型原理公式(6)-(11)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算續(xù)駛里程及能量消耗。

圖3 續(xù)駛里程及能耗仿真界面

3 純電動(dòng)汽車能耗測(cè)試與仿真

以實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的新一代ECUV純電動(dòng)汽車為對(duì)象，利用建立的能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)，測(cè)試在不同車速下的勻速百公里耗電量和不同整車質(zhì)量下的百公里耗電量。ECUV純電動(dòng)汽車的整車技術(shù)參數(shù)見表1，在本文中涉及的測(cè)試及仿真車型均采用該車參數(shù)。

表1 ECUV電動(dòng)汽車主要參數(shù)

3.1 行駛工況百公里能耗測(cè)試

等速百公里能耗測(cè)試時(shí)，測(cè)試方法遵循國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386-2005的試驗(yàn)方法。速度從20 km/h開始，每組測(cè)試完畢速度依次增加10 km/h，直至120 km/h，并且在測(cè)試的過程中實(shí)時(shí)記錄電池組的能量狀態(tài)和計(jì)算續(xù)駛里程，待行駛百公里時(shí)測(cè)得在該速度下的能耗。將速度和能耗及續(xù)駛里程在同一圖上作出曲線，得到如圖4的等速百公里能耗經(jīng)濟(jì)特性曲線以及續(xù)駛里程與車速關(guān)系曲線。

圖4 電動(dòng)汽車等速百公里能耗和續(xù)駛里程與車速關(guān)系

從圖4中可以看出，百公里能耗隨著車速的提高而增加，續(xù)駛里程隨著車速的提高而減少，低速行駛及能耗少時(shí)有助于增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。在60 km/h和80 km/h時(shí)，百公里能耗測(cè)試結(jié)果分別為9.96 kWh和11.85 kWh，但前者的續(xù)駛里程為223 km高于后者的185 km。道路實(shí)車試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)汽車處于滿載狀態(tài)，以60 km/h等速行駛，車速波動(dòng)控制在3 km/h以內(nèi)，試驗(yàn)路面按照交通部規(guī)定的為環(huán)形平坦耐久性路面，試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程達(dá)到了218 km，實(shí)車試驗(yàn)與室內(nèi)臺(tái)架的測(cè)試結(jié)果基本上一致。

利用UDDS工況和ECE+EUDC工況進(jìn)行百公里能耗仿真和續(xù)駛里程計(jì)算。由仿真結(jié)果可知，該純電動(dòng)汽車在UDDS工況下的百公里能耗為11.05 kWh，續(xù)駛里程為205 km。在ECE+EUDC工況下的百公里能耗為12.28 kWh，續(xù)駛里程為180 km。能量消耗少的工況可以認(rèn)為電動(dòng)汽車行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力小、風(fēng)阻小或道路坡度小等。

3.2 整車質(zhì)量對(duì)能耗的影響測(cè)試

純電動(dòng)汽車的能耗與整車質(zhì)量有很大的關(guān)系，要想減少不必要的能耗，應(yīng)在保證安全的前提下盡量減輕整車質(zhì)量。由于汽車質(zhì)量減少時(shí)，其受到的行駛阻力將減小，在能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)上表現(xiàn)為加載扭矩值變小。為了研究整車質(zhì)量對(duì)能耗的具體影響程度，通過改變ECUV的整車質(zhì)量而其它參數(shù)不變進(jìn)行臺(tái)架模擬測(cè)試。當(dāng)整車質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，在臺(tái)架上表現(xiàn)為扭矩加載變化，而轉(zhuǎn)速與車速有關(guān)與質(zhì)量無關(guān)。因此，可以通過在同一車速下改變質(zhì)量，此時(shí)轉(zhuǎn)速保持不變而扭矩加載改變，在臺(tái)架上模擬測(cè)試其百公里能耗，得到在不同車速下的整車質(zhì)量與能耗的關(guān)系，如圖5所示。

從圖5可以看出，在同一車速時(shí)，整車質(zhì)量越大，臺(tái)架模擬測(cè)試百公里能耗越大。在車速60 km/h下行駛百公里，整車質(zhì)量在1 250 kg比850 kg多耗了2.16 kWh的電能，在80 km/h時(shí)，前者比后者多耗了2.48 kWh的電能。在同一循環(huán)試驗(yàn)工況下行駛百公里，整車質(zhì)量越大，能耗越大，在相同的整車質(zhì)量下，汽車在ECE+EUDC工況下行駛百公里能耗比在UDDS工況下要大。ECUV純電動(dòng)汽車采用全鋁車身，質(zhì)量減小10%，百公里能耗降低6%-7%之間,實(shí)車試驗(yàn)車速為60 km/h，其續(xù)駛里程為236 km，比原來提高了13 km。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，整車質(zhì)量減輕能夠節(jié)能，純電動(dòng)汽車質(zhì)量小有助于增加其續(xù)駛里程。

4 結(jié) 語

本文通過建立純電動(dòng)汽車能耗試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)并開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)軟件研究純電動(dòng)汽車的能耗經(jīng)濟(jì)性。在臺(tái)架上測(cè)試了ECUV純電動(dòng)汽車的等速百公里能耗曲線，實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)汽車道路循環(huán)行駛工況百公里能耗仿真及續(xù)駛里程計(jì)算，完成了ECUV車在不同整車質(zhì)量下的等速百公里能耗測(cè)試。通過實(shí)車試驗(yàn)與臺(tái)架測(cè)試結(jié)果比較說明臺(tái)架模擬測(cè)試方法的有效性和可行性。由測(cè)試結(jié)果表明低速行駛、電動(dòng)汽車質(zhì)量小、能量消耗少時(shí)有助于增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，提高能耗經(jīng)濟(jì)性。研究結(jié)果對(duì)于ECUV純電動(dòng)汽車的能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)及進(jìn)一步開發(fā)其它純電動(dòng)汽車具有一定的指導(dǎo)意義。

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