新能源汽車綜合能量需求計算方法研究

張雪釗

摘要： 在車輛動力性經濟性開發流程中，需要明確車輛在運動過程中對動力系統的能量需求，以便根據此需求進行動力系統參數匹配和能量管理策略分析。本文提出了一種新能源汽車綜合能量需求計算方法，根據車輛在運動過程的車速時間歷程，分析車輛在加速、勻速和減速3種情況下的能量消耗，結合制動能量回收對能量消耗的影響，計算車輛的輪端功率需求和能量需求。

Abstract： In the development process of vehicle dynamics and economy， it is necessary to clarify the energy demand of the powertrain during the movement of the vehicle， so that powertrain parameter matching and energy management strategy analysis can be carried out according to this demand. This paper proposes a new energy vehicle comprehensive energy demand calculation method. According to the vehicle's speed in the movement process， the energy consumption of the vehicle under three conditions of acceleration， constant speed and deceleration is analyzed， combined with the impact of braking energy recovery on energy consumption. Calculate the wheel end power and energy demand of the vehicle.

關鍵詞： 新能源汽車;能量需求;制動回收;車輛阻力計算

Key words： new energy vehicles;energy demand;brake recovery;vehicle resistance calculation

中圖分類號：U469.722????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0039-02

0? 引言

在車輛動力性經濟性開發流程和能量管理策略分析中，首先需要明確車輛在一個完整運行過程中的真實能量需求情況。在以前的研究中，通常只是計算車輛在一個瞬時狀態下的功率需求，并沒有考慮車輛在一個運動周期的完整能量消耗情況。因而，按照此功率計算的動力系統參數只能滿足某一時刻的需求，按照此功率得出的能量管理策略是瞬時較優的策略。下面將車輛從一個靜止狀態變化到另一個靜止狀態（完整循環工況）或保持某一個穩定狀態（勻速行駛）的過程作為一個完整分析單元，分析車輛能量需求情況。

1? 循環工況能量需求分析

目前在汽車能量管理策略的評估中，一般采用車速隨時間變化的歷程作為車輛行駛的典型工況。

根據GB 18352.5-2013 《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》[1]規定的試驗循環NEDC工況，可以得到其車速時間歷程，見圖1。

根據GB 18352.6-2016 《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[2]規定的試驗循環WLTC工況，同樣可以得到其車速時間歷程，見圖2。

輕型車能耗測試工況的調整，更加符合用戶實際使用的情況，也更能體現實際的能量消耗。

循環工況包含加速、勻速和減速3種情況。加速工況，車輛一方面需要克服加速阻力提升車輛動能，另一方面需要克服空氣阻力、滾動阻和機械損失造成的能量消耗。勻速工況，車輛僅需克服空氣阻力、滾動阻和機械損失造成的能量消耗。減速工況，造成車輛減速的除了空氣阻力、滾動阻和機械損失造成的能量消耗，還有制動能量消耗。制動能量消耗是對車輛加速過程積累動能的再次利用，如果以電機回收形式消耗則可以存儲在電池中再利用，如果通過機械摩擦消耗則無法再利用。結合以上分析，能量消耗公式如下：

E1=Eacc+Ef（1）

E2=Ef（2）

E3=Ef-Eebrk+Embrk（3）

式中：

E1：加速過程能量消耗;

E2：勻速過程能量消耗;

E3：減速過程能量消耗;

Eacc：車輛加速轉換為動能的能量消耗;

Ef：車輛在一定車速時對應的風阻、滾阻和機械損失的能量消耗;

Eebrk：車輛減速時的電制動回收能量;

Embrk：車輛在減速時機械制動能量消耗。

2? 制動能量回收分析

當前主流車型為了最大限度發揮混動的節能優勢，均采用全解耦的制動能量回收系統，在沒有緊急制動的情況下基本可以實現全部回收[3，4]，即Eebrk=Eacc且Embrk=0。某款插電式混合動力汽車制動強度工作點分布，等高線為可以回收的比例，可以看出，大部分工作點都可以全部回收（即處于1的等高線內），只有當制動強度大于0.21g時不能全部回收（即處于0.8和1之間的工作點，可回收80%以上的能量），見圖3。因此，在沒有緊急制動的情況下可以將可回收能量全部回收。

車輛在加速階段消耗的能量在減速階段可以進行回收（Eebrk=Eacc且Embrk=0），那么在整個過程中，車輛運行消耗的能量即為空氣阻力、滾動阻力和內部機械損失等阻力消耗的能量。

E=E1+E2+E3=Eacc+Ef1+Ef2+Ef3-Eebrk+Embrk=Ef1+Ef2+Ef3=Ef（4）

3? 車輛阻力計算

理論公式計算要想獲得精確的空氣阻力、滾動阻力和內部機械損失等阻力，需要較多的試驗數據來支撐，如輪胎滾阻參數、風阻系數以及傳動系統的拖滯力等，目前主機廠也難以獲得完全的參數。因此，對整車進行阻力測試直接獲得基于車速的三參數阻力數據在實際工程實踐中更加常見。

基于三參數的車輛阻力的數學模型：

F=F0+F1*V+F2*V2（5）

其中：F為車輛阻力;

F0為阻力常數項;

F1為阻力一次項;

F2為阻力二次項。

4? 車輛輪端能量需求計算

車輛在運動過程中實際消耗的能量即為克服車輛阻力消耗的能量，其計算數學模型為：

平均功率計算如公式：根據某款車型的阻力參數，經過計算可得不同工況下的阻力計算結果，見表1。

從循環工況和常用勻速工況（<100km/h）的平均功率來看，需求較低，完全不能使發動機運行在其高效區域。在總能量不變的情況下，通過減少發動機實際運行時間，可以提高發動機功率，使發動機工作點調整到高效區域。

5? 結論

通過對新能源汽車綜合能量需求的研究，得出了3個結論：①循環工況包含加速、勻速和減速3種情況。加速工況，車輛需要克服加速阻力和空氣阻力、滾動阻和機械損失。勻速工況，車輛僅需克服空氣阻力、滾動阻和機械損失造成的能量消耗。減速工況，造成車輛減速的除了空氣阻力、滾動阻和機械損失造成的能量消耗，還有制動能量消耗。②由于新能源汽車普遍存在的制動能量回收系統，車輛在加速階段消耗的能量在減速階段可以進行回收，車輛加速阻力可以認為不消耗能量。在整個過程中，車輛運行消耗的能量即為空氣阻力、滾動阻力和內部機械損失等阻力消耗的能量。③整車阻力計算通過基于車速的三參數阻力數據來進行，該計算方法在僅有車速時間歷程的情況下即可計算車輛輪端的功率和能量需求情況。

參考文獻：

[1]GB 18352.5-2013，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）[S].

[2]GB 18352.6-2016，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

[3]朱波，陳超，徐益勝，等.純電動汽車再生制動與ESC液壓制動協調控制[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2020，43（11）：7-15.

[4]朱紹鵬，江旭東，王燕然，等.分布式四驅電動汽車并聯制動控制研究[J].汽車工程，2020，42（11）：1506-1512.