李 敏,雍安姣

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與軌道學(xué)院,安徽 蕪湖 241000; 2.奇瑞汽車股份有限公司 研發(fā)總院,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

純電動汽車近年來發(fā)展迅速,但續(xù)航問題仍然是制約其大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。一方面增大電池容量來提高續(xù)航里程[1],但同時整車的質(zhì)量和成本會相應(yīng)增加;另一方面提高各系統(tǒng)的能量利用效率。電動汽車的續(xù)航里程,容易受到溫度影響,相關(guān)研究表明29%的電動汽車消費者擔(dān)心續(xù)航里程易受低溫和高溫影響[2]。因此，有必要研究電動汽車在不同溫度條件下的能量傳遞過程。

一個完整的能量傳遞過程為從電網(wǎng)傳遞到車輪(電網(wǎng)-車輪,plug-to-wheel,P2W),包括電網(wǎng)-電池(plug-to-battery,P2B)和電池-車輪(battery-to-wheel,B2W)兩個過程。張微等[3]針對某款純電動汽車,基于WLTC(worldwide light-duty test cycle,WLTC)工況,建立了整車能量流的數(shù)學(xué)模型,分析計算得出了整車及系統(tǒng)部件級的能量傳遞效率,得到了電池-車輪的能量流。黃偉等[4]針對某款純電動汽車開展了能量流測試，通過分析試驗數(shù)據(jù)得到了車輛常溫NEDC工況運行的電池-車輪能量流、充電過程的電網(wǎng)-電池能量流,選取關(guān)鍵部件的電耗開展了仿真與試驗結(jié)果進(jìn)行比對，對其選定參數(shù)進(jìn)行了定性分析,包括電機(jī)效率、能量回收率和附件的控制策略。但以上能量流研究,僅研究了常溫下的能量流,未涉及高溫、低溫下的能量流研究。

本研究以某純電動標(biāo)桿汽車為測試對象,進(jìn)行能量流測試,通過試驗采集的數(shù)據(jù)逆向分析,重點進(jìn)行了常溫下的電網(wǎng)-車輪的能量流研究,并研究了不同溫度下的電池-車輪的能量流,利于全面了解車輛能耗分布情況。

1 測試總體思路

1.1 測試目的

通過能量流測試與分析,可以準(zhǔn)確掌握車輛能耗的分布情況;可以為能量流模擬分析和參數(shù)敏感性分析提供依據(jù);可以發(fā)現(xiàn)樣車與標(biāo)桿車之間能量消耗的差異,為樣車降低能耗提供參考方向。

本研究對標(biāo)桿車型不同溫度的能量流的測試,分析得出了一系列體現(xiàn)能量流動的關(guān)鍵結(jié)果,例如:車載充電機(jī)效率、電網(wǎng)-電池充電效率、驅(qū)動電量占比、回收效率、每百公里能量消耗量、各環(huán)節(jié)損失的能量等。

1.2 測試原理

車輛的能量流研究,通過試驗測試的方法分析電動汽車在動力傳遞過程中的能量流動過程能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和回收的過程,得到各系統(tǒng)或部件的能量傳遞效率。

車輛在進(jìn)行工況法測試及充電過程中傳遞的能量,主要分為機(jī)械能和電能兩大部分。其中,機(jī)械能通過底盤測功機(jī)計算,電能通過傳感器采集的電壓、電流計算。各系統(tǒng)或零部件的輸出能量與輸入能量之比,即為各系統(tǒng)或零部件的能量傳遞效率。圖1為整車能量流測試原理示意圖。

圖1 能量流測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of energy flow test

1.3 測試方案

1.3.1測試車輛

測試車輛選取市場上電耗表現(xiàn)較優(yōu)的純電動SUV車型,車輛的基本信息如表1所示。

表1 測試車輛具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters of the test vehicle

1.3.2測試設(shè)備

基于測試目的及測試工況,主要使用的試驗設(shè)備為能量流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電壓電流傳感器、轉(zhuǎn)鼓試驗臺、循環(huán)工況預(yù)處理的浸車間,如圖2所示。

圖2 主要測試設(shè)備Fig.2 Main test equipment

圖2 (續(xù))Fig.2 (Continue)

整車在行駛過程中,附件在電器件全關(guān)時的能量消耗相對較小,本文將附件損耗考慮在內(nèi),這對采集電壓、電流傳感器精度提出了較高的要求。本測試采用的為LEM的HO-10P型號傳感器,主要布置在動力電池高壓輸出端、逆變器高壓輸入端、PTC(positive temperature coefficient,PTC)電阻高壓輸入端、空調(diào)壓縮機(jī)高壓輸入端、車載充電機(jī)高壓輸入端和輸出端、DCDC高壓輸入端、12 V蓄電池端,對電壓和電流信息進(jìn)行檢測和采集。在進(jìn)行充電和NEDC工況能量流測試時,主要傳感器布置位置如圖1所示。主要傳感器的量程和精度如表2所示。

表2 主要傳感器信息Tab.2 Main sensor information

1.3.3測試過程

1.3.3.1 循環(huán)工況

NEDC工況包括四個市區(qū)循環(huán)和一個市郊循環(huán),工況曲線如圖3所示。NEDC工況持續(xù)時間1 180 s,由280 s怠速工況、277 s加速工況、445 s勻速工況、178 s減速工況組成,理論行駛距離為11.022 km。

圖3 NEDC工況曲線Fig.3 Curve of NEDC condition

NEDC工況利于進(jìn)行反復(fù)性試驗,是國標(biāo)規(guī)定的電動汽車測試能量消耗率和續(xù)航里程的基準(zhǔn)曲線。本次能量流測試,由駕駛員在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進(jìn)行了不同溫度下的NEDC循環(huán)后停止。

常溫下的車輛狀態(tài)、試驗條件、測試程序等要求參考GB/T 18386-2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》;高溫及低溫測試的浸車及試驗環(huán)境要求,目前無相關(guān)國標(biāo),參考中國汽車技術(shù)研究中心發(fā)布的2017年版《EV-TEST (電動汽車測評)管理規(guī)則》。NEDC測試信息如表3所示。

表3 NEDC測試信息Tab.3 NEDC test information

1.3.3.2 充電測試

車輛行駛在城市道路特定路線上,由100%電量行駛至電量剩余5%時,然后使用充電樁進(jìn)行慢充,分別測試了16 A、32 A兩種充電方式。

2 能量流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

基于上述試驗方案,綜合考慮整車的受力狀態(tài)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣原理,構(gòu)建了能量流的數(shù)學(xué)模型,并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。根據(jù)能量的轉(zhuǎn)換和守恒定律[5],能量流模型主要由機(jī)械能和電能兩部分組成。

2.1 機(jī)械能模型構(gòu)建

車輛在轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行能量流測試前，首先在道路上開展滑行阻力測試，由試驗數(shù)據(jù)處理獲得阻力曲線方程。結(jié)合轉(zhuǎn)鼓工作原理，依據(jù)車輛直線行駛的力學(xué)平衡方程及滑阻曲線[6],得到:

fRL=Ff+Fw+Fj+Fi=A+Bv+Cv2

(1)

式中:fRL為車輛實際道路阻力;Ff為車輪滾動阻力;Fw為空氣阻力;Fj為加速阻力;Fi為坡度阻力,在NEDC循環(huán)工況測試中,無坡道阻力;A,B,C為系數(shù),依據(jù)GB/T 18352.6—2016 《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》,通過道路滑行試驗數(shù)據(jù)處理所得(其中,A為道路阻力系數(shù)常數(shù)項,N;B為一次道路阻力系數(shù),N/(km·h-1);C為二次道路阻力系數(shù),N/(km·h-1))。本試驗中道路阻力系數(shù)A,B,C分別為:127.354,7.623,0.039 7。

依據(jù)道路阻力曲線,在底盤測功機(jī)上滑行得到轉(zhuǎn)鼓加載阻力曲線,從而設(shè)置該參數(shù)以模擬出車輛在道路上的行駛阻力[7]。車輛在底盤測功機(jī)上行駛時,其質(zhì)量主要分為轉(zhuǎn)動質(zhì)量和平移質(zhì)量,即為行駛阻力主要分為轉(zhuǎn)動慣量和道路阻力[3]。

NEDC工況下輪端受到的行駛阻力為:

(2)

在NEDC非減速工況時,輪端輸出的能量為慣性能量與道路阻力能量之和:

(3)

在NEDC減速工況時,可回收的動能為減速時的慣性總能量與道路阻力能量之差:

(4)

2.2 電能模型構(gòu)建

在電能的傳遞路徑上,輸入或輸出電能主要根據(jù)各系統(tǒng)或零部件輸入或輸出的“電壓·電流”瞬時值與累計值計算[8-9]。

2.2.1NEDC循環(huán)工況

在NEDC非減速工況下,動力電池的能量流出時主要有3個路徑,一部分流向DCDC用于低壓負(fù)載供電,一部分用于高壓電負(fù)載供電,另一部分則用于克服行駛時的各種阻力以驅(qū)動車輛。

Ebatt-out=Einverter-d+Edcdc-in+Eac+Eheater

(5)

式中：Ebatt-out為電池實際放電能量(包含電池放電能量和回收能量);Einverter-d為逆變器輸入電量,用于驅(qū)動車輛的能量;Edcdc-in為低壓負(fù)載耗能;Eac、Eheater分別為高壓部件空調(diào)、加熱器耗能(常溫試驗時未開啟,耗能為0)。上述能量均為對“電壓·電流”積分后所得,例如:

(6)

式中：U、I分別為布置在動力電池與逆變器處的傳感器采集的電壓、電流。

在減速工況能量回收過程中,需要克服道路阻力及傳遞路徑中其它損失,剩余的能量回收至電池。因此,單個NEDC工況的耗電量,為電池實際放電能量與電池回收能量的差值。

Ebatt-discharge=Ebatt-out-Ebatt-r

(7)

式中：Ebatt-discharge為單個NEDC耗電量;Ebatt-r為電池回收的能量。

根據(jù)電動汽車在NEDC工況下的能量傳遞路徑,利用采集的數(shù)據(jù)處理后所得能量,得到以下四個關(guān)鍵能量傳遞效率。

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：ηpercent-d為驅(qū)動電量占比;ηinverter-wheel為逆變器—輪端驅(qū)動效率;ηwheel-inverter為輪端-逆變器回收效率;ηreg為制動能量回收效率[10-11]。

2.2.2充電過程

在充電工況下,電網(wǎng)的能量經(jīng)過車載充電機(jī)后,由交流電轉(zhuǎn)換為直流電,直流電能主要有動力電池、低壓電負(fù)載和高壓電負(fù)載三大流向。

(12)

式中：ηOBC為車載充電機(jī)效率;EDC為車載充電機(jī)輸出的直流電能;EAC為車載充電機(jī)輸入端的交流電能,即為交流電網(wǎng)輸出的能量。EDC、EAC均通過布置在車載充電機(jī)出口、入口處采集的“電壓·電流”進(jìn)行積分獲得。

充電過程中從電網(wǎng)至電池的能量傳遞效率為:

(13)

式中：EDC-discharge為電池SOC從100%～5%消耗的電量;ηbattery為電池充電時的效率;ηcoupling為耦合處效率,一般認(rèn)為100%。

2.2.3整車能量消耗率

依據(jù)GB/T 1836-2017標(biāo)準(zhǔn)[12],計算電動汽車能量消耗率公式為:

C=E/D

(14)

式中:E代表充電過程中消耗掉電網(wǎng)的能量,W·h;D代表車輛循環(huán)工況試驗運行的總里程,km；C為能量消耗率(即:電耗),W·h/km,但國家工信部公布的電動汽車能耗采用每百公里電耗來表示。

3 常溫能量流結(jié)果分析

3.1 電池-車輪能量流

常溫下NEDC工況能量流測試結(jié)束時,對轉(zhuǎn)鼓及傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到純電動車單個循環(huán)的能量流動情況如表4所示。

表4 常溫能量流動情況Tab.4 Energy flow at normal temperatures

根據(jù)能量流動的路徑及數(shù)據(jù)分析過程,得到純電動汽車在常溫下的NEDC能量流如圖4所示。

圖4 電池-車輪能量流Fig.4 Battery-to-wheel energy flow

根據(jù)表4及圖4的試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果,可得出能量流的一些關(guān)鍵信息:(1)常溫NEDC工況時,電池實際放出電量中96%的電量用于驅(qū)動,而另外4%的功率則用于低壓負(fù)載耗電(包括熱管理系統(tǒng)的水泵、電池管理系統(tǒng)控制器、儀表顯示等)。(2)逆變器-車輪驅(qū)動效率86%(此競品車驅(qū)動系統(tǒng)效率較高,少數(shù)高水平車型能達(dá)到89%[4]。);輪端-逆變器回收效率74%;(3)該車常溫制動能量回收效率約20%。

3.2 電網(wǎng)-電池能量流

慢充時,以32 A慢充為例,對采集的“電壓·電流”數(shù)據(jù)進(jìn)行積分,得到充電過程中的能量流向如圖5所示(圖中數(shù)字單位均為kW·h)。

圖5 32 A交流慢充的能量流動Fig.5 Energy flow of AC slow charging

由圖5所示能量流可得到,整個交流慢充充電過程中,高壓負(fù)載部件空調(diào)壓縮機(jī)保持關(guān)閉狀態(tài)。結(jié)合圖5能量數(shù)據(jù),由公式(12)得車載充電機(jī)效率92%;依據(jù)公式(13),可得出充電系統(tǒng)的充電效率約為87%。

通過對試驗測試數(shù)據(jù)分析,得出了兩種交流慢充電流下的車載充電機(jī)效率、充電系統(tǒng)的效率(包含電池管理系統(tǒng)和充電效率),如表5所示。

表5 不同充電電流下的P2B效率Tab.5 P2B efficiency under different charging currents

根據(jù)表5結(jié)果,兩種充電方式的效率大于92%,充電系統(tǒng)效率為85%～87%。文獻(xiàn)[13]研究的慢速充電系統(tǒng)的效率為80%～86%。與文獻(xiàn)研究數(shù)據(jù)相比,并結(jié)合工程經(jīng)驗,車輛充電系統(tǒng)效率表現(xiàn)較好。

3.3 電網(wǎng)-車輪能量流

結(jié)合整車循環(huán)工況電池-車輪能量流和充電時電網(wǎng)-電池能量流,以NEDC常溫單循環(huán)工況為例,依據(jù)32 A充電方式P2B傳遞效率為87%進(jìn)行分析,得出單個NEDC工況下的電網(wǎng)-車輪能量流如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)-車輪能量流Fig.6 Plug-to-wheel energy flow

整車NEDC循環(huán)實際行駛了11.007 km,結(jié)合圖6中數(shù)據(jù)及公式(14)可分析整車電耗。不考慮充電系統(tǒng)效率,單個循環(huán)耗電量1.371 kW·h,每百公里能量消耗量為12.4 kW·h?？紤]充電系統(tǒng)效率,單個循環(huán)耗電量為1.575 kW·h,每百公里能量消耗量為14.3 kW·h,預(yù)估NEDC工況續(xù)航里程480 km。

通過分析電網(wǎng)-車輪的各系統(tǒng)或部件的能量流動效率,可明確找出提高能量傳輸效率的改進(jìn)方向,為純電動汽車能耗達(dá)成開發(fā)目標(biāo)提供參考,進(jìn)而提高續(xù)航里程。

4 不同溫度能量流結(jié)果分析

對能量流分析采集的不同溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,能量流評價關(guān)鍵指標(biāo)與常溫相同,得到電池-車輪能量流數(shù)據(jù)的關(guān)鍵結(jié)果,如表6所示。其中低溫NEDC試驗時,前兩個循環(huán)過程中電池加熱器開啟,后兩個循環(huán)加熱器關(guān)閉,低溫列寫了兩種情況的結(jié)果。

表6 不同溫度的能量流關(guān)鍵結(jié)果Tab.6 Key results of energy flow at different temperatures

根據(jù)表6中結(jié)果分析可得:

驅(qū)動電量占比一般大于96%(除低溫開啟電池加熱器時驅(qū)動效率衰減15%);逆變器與輪端的效率相比較于常溫,低溫時平均衰減約13%,高溫時平均提升約10%。

對比高溫、低溫整車每百公里能量消耗量相對于常溫的變化,如圖7所示。由對比結(jié)果得出,低溫下加熱器未開啟時高于常溫約30%(電池加熱器開啟時高于常溫能耗70%),高溫時每百公里能量消耗量反而較常溫低了約10%。由每百公里能量消耗量推測,低溫下空調(diào)關(guān)閉時NEDC工況續(xù)航里程衰減約30%,如果低溫開啟空調(diào)供暖,則續(xù)航里程衰減更嚴(yán)重。

圖7 整車能耗對比Fig.7 Comparison of vehicle energy consumption

常溫下制動能量回收效率可達(dá)20%;30 ℃時制動回收率優(yōu)于常溫性能。在低溫下,電池加熱器未開啟時,制動能量回收效率較常溫差25%。這主要是由于低溫下“逆變器+電動機(jī)+主減”的損耗大,且電池低溫時充放電內(nèi)阻較大。如果低溫時電池加熱器開啟,則導(dǎo)致較常溫回收效率降低40%。

通過對低溫、高溫能量流動效率與常溫結(jié)果的對比,可為純電動汽車設(shè)定不同溫度下的能量消耗率開發(fā)目標(biāo)提供參考,制定有效提高能量傳遞效率方案,進(jìn)而提高用戶實際的續(xù)航里程。

5 結(jié)論

基于NEDC工況,對某純電動汽車進(jìn)行能量流測試,建立車輛能量流數(shù)學(xué)模型,并對能量流進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

1)能量流數(shù)學(xué)模型可以從整車、系統(tǒng)和部件層面分析特定能量流的效率,實現(xiàn)了對純電動汽車經(jīng)濟(jì)性的評價。

2)通過能量流圖直觀展示了常溫條件下的能量流分布情況,量化各部件傳遞的能量,并得到了如下關(guān)鍵結(jié)果:整車每百公里能量消耗量為14.3 kW·h,驅(qū)動電量占比達(dá)96%,能量回收率約20%,充電系統(tǒng)效率約85%～87%。

3)與常溫時電池-車輪能量流結(jié)果相比,低溫時驅(qū)動電量占比相當(dāng)、制動能量回收效率變差25%、整車能耗增幅約30%;高溫下總體性能不弱于常溫,其中整車高溫能耗低于常溫約10%。

4)通過標(biāo)桿車的能量流分析,可以找出樣車與標(biāo)桿車之間能耗差異,從而改善能量傳遞效率;不同溫度下能量流的對比,對純電動汽車用戶續(xù)航里程開發(fā)有一定的參考意義。