純電動汽車能量消耗優化仿真與試驗研究

張宸維，林方圓

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

純電動汽車零排放、無污染，發展純電動汽車是邁向汽車強國的必由之路[1]。純電動汽車的續駛里程及能量消耗為整車關鍵指標，直接影響用戶購車意愿。

純電動汽車能量消耗的評價指標包括續駛里程、單位里程容量消耗、單位里程能量消耗、單位容量消耗行駛里程和單位能量消耗行駛里程等[2]。

本文在理論分析和實踐基礎上，從能量消耗現狀分析與優化后分析相結合，降低了各主要部件的能量消耗，進而降低了整車的能量消耗，提高了整車的續駛里程，對純電動汽車的能量消耗優化進行仿真和試驗研究。

1 純電動汽車能量消耗計算模型

根據汽車縱向受力確定汽車行駛時驅動力-行駛阻力平衡方程，就可以利用受力關系得出汽車的總阻力。

汽車在水平路面上行駛的總阻力為[5]：

式中：Ff，Fi，Fw，Fj分別為汽車行駛時的滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力、加速阻力；f 為滾動阻力系數；m 為汽車質量；a 為坡度角；CD為空氣阻力系數；A 為迎風面積；u為汽車行駛速度；g 為重力加速度；δ 為汽車旋轉質量換算系數；du/dt 為汽車行駛加速度。

本文主要針對純電動汽車能量消耗進行優化分析。

汽車功率平衡方程式（2）：

式中：Pe——汽車行駛功率，kW；

i——道路坡度值。

若不考慮純電動汽車在行駛中電器附件的能量消耗，純電動汽車單位里程能耗可由式（3）表示[3]：

式中：E 為單位里程能耗；t 為工況行駛時間，S 為工況行駛的距離。

能量消耗是動力電池端輸出功率積分的過程。為驅動車輛，動力電池輸出功率應等于阻尼功率、傳動裝置中的功率損耗、電動機驅動功率以及在電子儀器設備中所含的功率損耗。傳動裝置和電動機驅動中的功率損耗分別通過各自的系數ηt和ηm予以描述，于是，在沒有附加載荷的情況下，動力電池的輸出功率可表達[4]為：

等速行駛S 行程時，其單位里程能量消耗，如式（5）所示：

式中，t 為車輛行駛運行時間。

2 能量消耗優化措施分析

為了優化車輛的整體性能，提升純電動輕型物流車輛在不同工況和環境下的續航里程和經濟性，需要從各個層次來提升各個部件的能效，降低附件的能量消耗占比。

以某純電動汽車為研究對象，從整車阻力、能量回收、動力電池系統、電驅動系統、電氣系統等方面進行分析。

2.1 整車阻力

汽車阻力主要來自滾動阻力、風阻、坡道阻力和加速阻力，風阻與車速的二次方成正比，車輛在高速巡航時空氣阻力顯著增加，滾動阻力變化不大，因此開發低風阻導流罩，降低整車風阻，優化整車能耗及增加整車續駛里程。

車輛在低速行駛時，滾動阻力對整車影響加大，因此需要開發低滾阻輪胎，降低整車滾動阻力。

2.2 能量回收

通過NEDC 工況下制動能量回收電流、電壓采集，確定瞬時回收功率，對時間積分得出整個工況循環中制動能量回收的能量，優化控制能量回收扭矩MAP，將加速踏板用于能量回收，實現車輛減速和滑行，車輛減速與加速踏板的位置有關，加速踏板踩踏越輕微，減速越強烈。在有預見性的駕駛方式下，僅借助于油門踏板就能實現特別高效的動能回收和舒適駕駛。提高NEDC 工況下制動能量回收貢獻率，由7%提升至10%。

2.3 動力電池系統

通過電芯能量密度提升，電池包箱體結構輕量化設計等措施，對動力電池系統能量密度進行提升，由125Wh/kg 提升至140Wh/kg。

動力電池的成組方式、散熱量、電芯類型、電池內阻等影響電池組能量轉換效率，通過成組優化、熱管理優化等措施，常溫下電池組輸入及輸出的能量轉換效率，由93%提升至95%。

2.4 電驅動系統

通過分析PCU 母線上的電壓、電流確定電驅動系統的瞬時功率，對時間積分得出工況下電驅動系統能量消耗，對電驅動系統MAP 進行優化，驅動電機系統最高效率由93%提升至95%，電驅動系統效率大于80%的區域由80%提升至85%。

2.5 電氣系統

通過分析高壓盒連接電動轉向泵DCAC、DCDC 等電氣附件線纜上的電壓、電流確定電氣附件的瞬時功率，對時間積分得出工況下電氣附件能量消耗，根據車輛運行需求優化電氣附件開關狀態及控制策略，降低電氣附件消耗能量。

2.6 充電系統

通過分析充電時各部件能量消耗，研究充電時各部件電流和內阻、接觸電阻，特別是水泵消耗電量。研究充電時，充入電池能量、高壓線纜消耗能量、充電樁消耗能量、充電器消耗能量、電池組消耗能量、DCDC 輸入端能量、熱管理和空調消耗能量等，優化充電策略，結合動力電池組輸入及輸出的能量轉換效率提升，整車充電效率由88%提升至90%。

表1 能量消耗優化措施分析

以上各工況復測3 次記錄結果，測試結果表明：部分負載加速性能扭矩跟隨踏板需求，過程無異常抖動。

3 能量消耗優化仿真分析

AVL-CRUISE 軟件是研究汽車能量消耗的高級模擬分析軟件。本文將應用CRUISE 軟件對純電動汽車進行能量消耗分析。

基于CRUISE 仿真軟件，建立整車仿真模型，對車輛中影響功率分配和能量消耗的關鍵部件進行建模，針對被控對象模型和控制模型進行多特性的分析，選擇設定的能量消耗計算任務和工況，研究能量消耗優化后的參數分析。整車仿真模型如圖1 所示。

圖1 純電動汽車仿真模型

純電動汽車每百公里能耗對電動汽車的能量消耗評價十分重要，而電動汽車各參數對每百公里能耗的影響也不一樣。

本文選擇NEDC 工況為道路循環行駛工況在CRUISE 仿真環境里進行仿真，NEDC（New European Driving Cycle。新歐洲循環工況），它由4 個ECE 工況與1 個EUDC 工況疊加而成[5]。

表2 能量消耗優化前后仿真分析

由表2 可知，該純電動汽車在能量消耗優化前整車續駛里程仿真值為252km，百公里能耗為38.5kWh/100km，從整車阻力、能量回收、動力電池系統、電驅動系統、電氣系統等措施進行優化后，整車續駛里程仿真值提升為為271km，百公里能耗降為35.8kWh/100km，效果明顯。

4 能量消耗優化試驗分析

結合以上能量消耗優化措施分析和仿真分析，本文基于 整車轉轂對純電動汽車進行能量消耗分析。

表3 能量消耗優化前后試驗分析

由表3 可知，該純電動汽車在能量消耗優化前整車續駛里程試驗值為254km，百公里能耗為38.2kWh/100km，從整車阻力、能量回收、動力電池系統、電驅動系統、電氣系統等措施進行優化后，整車續駛里程試驗值提升為為273km，提升了7.5%，百公里能耗降為35.5kWh/100km，降低了7.6%，實車試驗結果與仿真分析結果一致性很好。

5 結論

（1）建立純電動汽車能量消耗數學計算模型，包括動力電池的輸出功率計算模型和純電動汽車單位里程能量消耗計算模型等。

（2）以某純電動汽車為例，研究了整車阻力、能量回收、動力電池系統、電驅動系統、電氣系統、充電系統等6 個方面對能量消耗的影響，通過能量消耗分析，可以針對性地改進車輛能量消耗，提升整車續駛里程，為純電動汽車整車性能設計與優化提供了依據。

（3）從仿真分析和試驗分析兩方面研究了純電動汽車能量消耗優化的措施，通過能量消耗優化分析，可以提升整車續駛里程、降低能量消耗，為純電動汽車各系統的參數設計與優化提供了依據。