車載終端在電動汽車能耗經(jīng)濟(jì)性評價體系中的初步研究

梁 濤 ，孟祥軍 ，張華棟 ，李建祥 ，付崇光

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

能源和環(huán)保問題使近年電動汽車研究深入而廣泛開展，在電動汽車產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的進(jìn)程中，純電動汽車能耗經(jīng)濟(jì)性問題被日趨重視，急需確立一套純電動汽車能耗經(jīng)濟(jì)性的評價體系[1]。在電動汽車能耗評價體系中，車載終端作為研究電動汽車能耗經(jīng)濟(jì)性的主要載體，起著數(shù)據(jù)采集，分析單車能耗經(jīng)濟(jì)性評價參數(shù)等功能。

以臨沂市電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理系統(tǒng)為研究平臺，介紹了車載終端的定制功能業(yè)務(wù)以及電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能耗經(jīng)濟(jì)性評價體系，綜合分析了國內(nèi)外文獻(xiàn)中提到的車輛動能能耗經(jīng)濟(jì)性評價參數(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的車載終端功能模塊進(jìn)行電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能耗經(jīng)濟(jì)性評價。

1 車載終端

車載終端是安裝在電動汽車上完成運(yùn)營管理系統(tǒng)對車輛控制功能的裝置。其主要功能是采集車輛GPS信息和電池運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送至運(yùn)營管理系統(tǒng)，運(yùn)營管理系統(tǒng)存儲接收到的GPS信息和電池數(shù)據(jù)，可實時展示和歷史查詢車輛運(yùn)行軌跡及電池數(shù)據(jù)，為車輛運(yùn)營及電池運(yùn)行狀況分析提供第一手的數(shù)據(jù)資料。

車載終端主要由GPS模塊、GPRS模塊、視頻采集模塊、存儲模塊、電源模塊、顯示模塊、主控板和監(jiān)控板組成。車載終端組成框圖如圖1所示。

2 電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能耗經(jīng)濟(jì)性評價體系

經(jīng)濟(jì)、高效是電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能耗經(jīng)濟(jì)性評價體系研究的內(nèi)在驅(qū)動力。目前存在兩個評價視角，一個以電能在電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)消費(fèi)過程中的流動為主線，一個以動力電池組的全生命周期為主線。

圖1 車載終端功能框架

2.1 智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)過程評價體系

按照電這種特殊商品在配電、充電、用電、充換電輔助設(shè)施各個環(huán)節(jié)的流動和消費(fèi)作為主線，如圖2所示。

圖2 電的流動環(huán)節(jié)

配電環(huán)節(jié)主要是配電變壓器的能耗經(jīng)濟(jì)性評價。綜合計算配電變壓器的初始投資，以及在使用期內(nèi)因空載損耗和負(fù)載損耗產(chǎn)生的損耗費(fèi)用。通過合理配置變壓器，優(yōu)化選擇運(yùn)行方式，協(xié)調(diào)下游充電環(huán)節(jié)負(fù)載實施經(jīng)濟(jì)調(diào)整，最大限度的降低變壓器的電能損耗。

充電環(huán)節(jié)主要是充電機(jī)的能耗經(jīng)濟(jì)性評價。通過提高充電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，以及對充電計劃合理調(diào)度，降低整個環(huán)節(jié)的電能損耗。通過對動力電池組的荷電能力優(yōu)化控制，保持動力電池組充放電性能最優(yōu)。

動力電池組作為電動汽車的唯一能量來源，用電環(huán)節(jié)能耗經(jīng)濟(jì)性評價可以分為動力電池組的電能能耗經(jīng)濟(jì)性評價和車輛的動能能耗經(jīng)濟(jì)性評價兩部分。動力電池組通過增加直流電能表，完成輸出電能直流計量，車載終端采集并上送運(yùn)營管理系統(tǒng)。所以該環(huán)節(jié)的研究重點放在車輛的動能能耗經(jīng)濟(jì)性評價上。

2.2 動力電池組全生命周期評價體系

動力電池組全生命周期包括電池采購、編組、入站、充電、放電、配送、換電、維護(hù)、梯次利用、報廢等環(huán)節(jié)，如圖3所示。

建立動力電池組能耗經(jīng)濟(jì)性評價體系，在充放電各環(huán)節(jié)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、性能分析，提高電池的整體性能和延長使用壽命，降低運(yùn)營成本。

圖3 動力電池組全生命周期

3 用電環(huán)節(jié)能耗經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)

用電環(huán)節(jié)能耗經(jīng)濟(jì)性評價以車輛的動能能耗經(jīng)濟(jì)性評價為核心，常用的指標(biāo)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或一定能量使車輛可行駛的里程衡量[5]。為了使車輛動能能耗經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)具有普遍性，其評價指標(biāo)應(yīng)該滿足以下3個條件：①可以對不同類型的電動汽車經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較；②指標(biāo)參數(shù)數(shù)值與整車儲存能量總量無關(guān)；③可以直接從參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行能耗經(jīng)濟(jì)性判斷。下面分別介紹常用的能耗經(jīng)濟(jì)性評價參數(shù)[1]。

3.1 續(xù)駛里程

續(xù)駛里程是指電動汽車在動力電池組完全充電狀態(tài)下，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離，單位為km，可以分為等速續(xù)駛里程和循環(huán)工況續(xù)駛里程。此項指標(biāo)對于綜合評價動力電池組、電機(jī)及傳動系效率、電動汽車實用性具有積極意義[2]。但此指標(biāo)與動力電池組容量及電壓水平有關(guān)，在不同車型和裝配不同容量動力電池組的同種車型間不具有可比性。即使裝配相同容量同種動力電池組的同一車型，續(xù)駛里程也受到動力電池組狀態(tài)、天氣、環(huán)境因素等使用條件影響而有一定的波動。

剩余里程是指電動汽車在當(dāng)前情況下，保持現(xiàn)有駕駛方式還能行駛的里程，不僅與動力電池組的剩余容量、能量有關(guān)，而且與駕駛方式、駕駛環(huán)境也有很大關(guān)系。

對比來看，續(xù)駛里程是實驗測試數(shù)據(jù)，剩余里程是動態(tài)估算數(shù)據(jù)。

3.2 單位里程容量消耗

車輛等速或按工況行駛單位里程消耗的動力電池組容量為單位里程容量消耗，單位為（A·h）/km。

動力電池組在不同的放電深度，端電壓有明顯的變化；在相同放電功率下動力電池組放電電流有相應(yīng)的變化。從容量消耗計算公式可知[3]，在不同的動力電池組放電深度，行駛相同里程消耗的動力電池組容量不同。所以單位里程容耗作為經(jīng)濟(jì)性的評價參數(shù)在不同的動力電池組使用條件下存在一定的誤差，在不同車型間不具有可比性，僅適用于電壓等級相同，車型相似情況下能耗經(jīng)濟(jì)性能的比較或同一車型能耗水平隨動力電池組壽命變化周期分析。而且動力電池組容量的計算還存在很多精確性問題，該參數(shù)不能作為準(zhǔn)確的對比依據(jù)。

3.3 單位里程能量消耗

單位里程能量消耗也稱能量消耗率，可以分為單位里程電網(wǎng)交流電量消耗和動力電池組直流電量消耗，單位為（kW·h）/km。交流電量消耗受到不同類型充電設(shè)備的效率影響，無法直觀的評估用電環(huán)節(jié)，故放到充電環(huán)節(jié)評估使用。直流電量消耗僅以動力電池組的能量狀態(tài)作為標(biāo)準(zhǔn)，脫離了充電機(jī)的影響，可以比較直接地反映電動汽車的實際性能。

3.4 單位容量和單位能量消耗行駛里程

這兩種能耗經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)分別是單位里程容量消耗和單位里程能量消耗的倒數(shù)。單位分別為（A·h）/km，km/（kW·h）。

3.5 等速能耗經(jīng)濟(jì)特性曲線

通常以測出速度間隔為5 km/h或10 km/h的等速行駛能耗量為標(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，但這種評價方法不能反映汽車實際行駛中受工況變化的影響，特別是市區(qū)行駛中頻繁出現(xiàn)的加速，減速，怠速及停車等行駛工況，故不予采納。

3.6 直流比容耗和比能耗

不同車型的電動汽車總質(zhì)量相差很大，因此單位里程能量消耗也有很大差別[4]。為了進(jìn)行不同車型間的能耗水平分析和比較，采用直流比能耗，即單位質(zhì)量在單位里程的能耗，單位為（kW·h）/（km·t），此參數(shù)可以體現(xiàn)不同車型間傳動系匹配優(yōu)化程度和能量利用效果。

在電壓等級相同的情況下，采用比容耗，即單位質(zhì)量在單位里程的容量消耗。 單位為（A·h）/（km·t）。

3.7 能耗評價參數(shù)關(guān)系

能耗經(jīng)濟(jì)性評價參數(shù)之間相互轉(zhuǎn)換的計算關(guān)系如圖4所示。動力電池組可放出的有效能量、有效容量、單位里程能耗及單位里程容耗是電動汽車?yán)m(xù)駛里程的決定性因素[5-6]。車輛的整備質(zhì)量把單位里程能耗、容耗與比能耗、比容耗聯(lián)系起來。單位里程容耗和能耗的區(qū)別在于計算中是否考慮動力電池組電壓變化的影響。

圖4 電動汽車能耗參數(shù)關(guān)系示意圖

4 車載終端能耗經(jīng)濟(jì)性評價模塊設(shè)計

在電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能耗經(jīng)濟(jì)性評價體系中，車載終端作為研究用電環(huán)節(jié)能效經(jīng)濟(jì)性的主要載體，起著數(shù)據(jù)采集，分析動力電池組及車輛動能能耗經(jīng)濟(jì)性等功能。其模塊流程如圖5所示。

圖5 模塊流程圖

車載終端根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算單位里程容量消耗（4.3），單位里程能量消耗（4.4），繼而計算單位容量和單位能量消耗行駛里程（3.4），以及直流比容耗和比能耗（3.6）。根據(jù)單位容量和單位能量消耗行駛里程以及車輛當(dāng)前的可用電池容量、可用能量，在工況一定時可以計算出剩余里程（4.5）。

車載終端可以在車輛正常運(yùn)營工況行駛下記錄其行駛路線、行駛里程、行駛時間、最高車速、平均車速，以及每一階段工況的操作狀態(tài)、加速度、速度、操作時間、工況時間、累計時間，并統(tǒng)計停車、加速、等速、減速的時長。以及直流電量、充電交流電量，能耗經(jīng)濟(jì)性評價參數(shù)計算，從而為充電導(dǎo)引調(diào)度，充電站提示，最短路線提示、能耗經(jīng)濟(jì)性評價體系等增值業(yè)務(wù)服務(wù)。

4.1 動力電池組的初次充電

動力電池組的初次充電指車輛入網(wǎng)以后動力電池組的第一次充電。此時車輛行駛里程為D0，補(bǔ)充的電網(wǎng)交流電量為E0，動力電池組直流電量G0，動力電池組容量 Q0。

4.2 動力電池組正常充電和能量測量

正常運(yùn)營后，動力電池組與充電機(jī)連接，直到充滿電。此時車輛行駛里程為Di，補(bǔ)充的電網(wǎng)交流電量為Ei，動力電池組直流電量累計值Gi，動力電池組容量Qi。

4.3 單位里程能量消耗的計算

使用下式計算單位里程能量消耗F，單位（A·h）/km：

式中：△Q為運(yùn)營期間消耗的電池組容量（Qi-Qi-1），A·h；△D為運(yùn)營期間行駛的總距離即續(xù)駛里程（Di-Di-1），km。

4.4 能量消耗率的計算

使用下式計算能量消耗率C，單位（kW·h）/km：

式中：△G為運(yùn)營期間動力電池組直流電量（Gi-Gi-1），kW·h；△D為運(yùn)營期間行駛的總距離即續(xù)駛里程（Di-Di-1），km。

4.5 剩余里程的計算

車輛在行駛時消耗的功率P為[6]：

式中：m為電動汽車的質(zhì)量，kg；F為電動汽車重力，F(xiàn)=mg；vn為車輛行駛速度，km/h。那么動力電池組還可以持續(xù)放電的時間為：

η為機(jī)械效率和驅(qū)動電機(jī)的總效率；那么可行駛里程為：

4.6 在臨沂電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

升級后的車載終端已經(jīng)應(yīng)用于臨沂市電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理系統(tǒng)中，監(jiān)控著7條公交線路，100多輛運(yùn)營車輛，為電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營、能效評估提供有力支撐。尤其是在電池性能狀態(tài)檢修和駕駛員行為分析方面發(fā)揮了非常重要的作用。例如，2011年“五一”期間一批新駕駛員上崗，車載終端反饋運(yùn)營管理系統(tǒng)的能耗經(jīng)濟(jì)性參數(shù)明顯降低，而且相關(guān)的BMS系統(tǒng)經(jīng)常提示“單體電池電壓低”和“單體電池電壓高”故障。運(yùn)營管理系統(tǒng)監(jiān)控中心通過回調(diào)車載終端記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)存在異常加速、減速等指令，建議駕駛員加強(qiáng)操作學(xué)習(xí)，很快車輛的能耗經(jīng)濟(jì)性參數(shù)明顯回復(fù)平穩(wěn)。這種數(shù)據(jù)交互手段的常態(tài)化、狀態(tài)化，大大提高了電動汽車的工作運(yùn)行效率。

5 結(jié)束語

車載終端作為運(yùn)營管理系統(tǒng)的電動汽車監(jiān)控設(shè)備，有完備的數(shù)據(jù)采集能力和強(qiáng)大的自主分析功能，對于動力電池組全生命周期管理和車輛動能能耗經(jīng)濟(jì)性評價具有重要意義。