基于能量流分析的電動汽車整車能耗研究

馬歡歡，石攀，樊金娜

基于能量流分析的電動汽車整車能耗研究

馬歡歡，石攀，樊金娜

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

電動汽車能耗水平是限制其快速發展的關鍵因素。開展基于整車能量流分析的車輛能耗因素研究有助于提升電動車能量管理策略，能夠更好地進行整車目標分解，同時有助于提升自主品牌技術提升。文章以某款先進純電動汽車能量流測試為例。通過對車輛構型分析、對標方案設計、總線信號解析及關鍵部件傳感器安裝，實現對車輛高壓系統、低壓附件系統、機械系統等開展能量流分析，對提升能耗水平具有重要意義。

電動汽車；能量流測試；對標測試分析

前言

電動汽車的技術發展是汽車行業重要趨勢，電耗水平是電動汽車的重要考核指標，是制約車輛性能提升的關鍵因素[1]。電動汽車能量流分析需要全面了解整車能量傳遞過程，不僅要對主要能量消耗系統進行監控，還需要對低壓系統進行分析，同時要對機械和熱能損失進行計算，從而更加全面地對車輛各系統的能量消耗情況和能量轉化效率進行深度分析[2]。

開展新能源汽車能量流測試分析可以優化各部件的匹配，提升各部件運行效率，為各部件的選型設計提供指導[3]。同時提高系統的整體效率，以增加電動汽車的續駛里程。開展工況下的高溫、低溫、常溫循環工況測試，其目的是分析由動力電池提供的能量分配到各部件的有效功率、熱損耗以及其他低壓附件能量損耗等各部分的情況，從系統集成的角度分析電動汽車中能量的轉換和傳遞過程[3]。整車能量流系統測試可以與競品車型對比優勢和劣勢，更好地進行整車目標分解，同時有助于提升自主品牌技術提升。

1 整車能量流測試概述

能量流測試原理如下：

車輛在行駛過程中，能量消耗主要為三部分，即高壓系統能耗、低壓附件能耗、內部機械阻力能耗。其中，在不同工況下車輛主要的能量傳遞路線為動力電池—PDU—電機控制器—驅動電機—減速器—車輪，低壓附件能耗較低，熱管理系統在高溫或低溫狀態下能耗較高[4]。

圖1 車輛能量傳遞流程圖

高壓部件測試主要包括動力電池、驅動電機、逆變器、空調壓縮機、PTC等高壓耗電部件，通過測量高壓部件的輸入、輸出端的能耗，分析高壓部件的能量傳遞效率及能量損失情況。低壓附件測試主要是測量整車低壓耗電部件的耗電情況，計算低壓部件的能耗占比情況。內部機械阻力測試主要是測試車輛在不同車速、溫度下的內部機械阻力，包括制動卡鉗阻力、減速器阻力、半軸阻力等。

2 能量流測試方案設計

2.1 車輛構型分析

車輛構型分析是能量流測試分析的基礎，通過對車輛機械結構的連接方式獲取機械能量傳遞路徑，對車輛的高壓架構分析可以獲取各高壓部件的連接和布置形式，比如是否存在多個功能部件整合的情況[5]。車輛構型分析對能量測試方案的制定至關重要。

2.2 關鍵信號解析

總線信號解析是進行車輛性能和控制策略解析的重要前提[6]。新能源汽車信號解析過程如圖2所示，主要包括車輛總線信號采集、網絡拓撲結構分析、車輛信號解析與標定三部分。

圖2 新能源汽車關鍵信號解析過程

表1 關鍵信號解析列表

類型序號信號名稱 整車1車速信號 2汽車減速度信號 3加速踏板開度 4制動踏板開度 5擋位 6駕駛模式 系統7電池電壓信號 8電池電流信號 10電機轉速 11制動液壓 12電池SOC ………………

根據上述分析，選取的信號見表1所示，測試信號以CAN總線信號為主，主要包括整車及系統級信號兩部分。

2.3 測試設備及工況分析

新能源汽車對標測試需要安裝數據采集設備，能量流測試設備主要有兩驅/四驅底盤測功機、高低溫環境艙、CAN總線記錄儀、電壓傳感器、電流傳感器、駕駛機器人、交/直流充電樁等設備[7]。

3 能量流數據分析/指標分析

3.1 高壓系統

3.1.1電池

E=U*Idt （1）

E、U、I為電池輸出能量、輸出電壓、輸出電流。

3.1.2電機/控制器

U、I、U、I為電機控制器輸出電壓、電流，輸入電壓、輸入電流。

3.1.3 OBC

η、U、I、P為OBC系統效率、輸出電壓、輸出電流、充電樁功率。

3.2 低壓系統

η、U、I、I、U為DCDC效率、輸出電壓、輸出電流、輸入電流、輸入電壓。

3.3 機械內部阻力分析

車輛內部機械阻力主要包括總成阻力、傳動軸阻力、制動鉗阻力、軸承摩擦阻力，但是電動車阻力無法進行逐級拆解分析，因此在考慮能量流測試分析過程中，重點關注車輛制動鉗阻力、動力總成阻力[8]。

表2 能量流對標測試主要設備

設備名稱設備型號制造廠家測量參數測量范圍測量精度 底盤測功機48"MIM 4WDAVL車速/(km/h)0～250 環境艙763’/40-60/Ro,SoWEISS溫度/℃?40～60±0.5 濕度/(%RH)10～90±5 數據采集儀MW100Yokogawa 總線采集CANoeVector 溫度傳感器K型熱電偶歐亞溫度/℃?200～1 300I級 CAN總線記錄儀 駕駛機器人Stahle-AP GB 電壓傳感器TRION-1820德維創 電流傳感器HIOKI日置 交/直流充電樁CT6844-05

4 典型案例分析

4.1 能量流測試方案

根據項目要求，按照《EV-TEST電動汽車測試規程》開展測試，制定實驗方案如表3所示。分別開展車輛的高溫、低溫、常溫CLTC工況下的經濟性與能耗試驗。

表3 測試方案

序號實驗項目實驗條件備注 1高溫續駛里程轉鼓實驗CLTC 2高溫浸車35 ℃浸車充電 3低溫續駛里程轉鼓實驗CLTC 4低溫浸車?7 ℃浸車充電 5常溫續駛里程耐久實驗CLTC 6常溫浸車25 ℃浸車充電

4.2 車輛構型分析

根據構型分析，車輛動力系統采用雙電機驅動系統，主驅電機通過齒輪系統始終連接車輪，在中低扭矩需求的時候提供常規的驅動。輔助驅動電機，在扭矩需求較大的時候介入。為了達到高效的耦合設計了兩個擋位，高速行駛時換入二擋，左右兩電機協調控制提升驅動效率，實現整車驅動行駛。

圖3 動力系統構型圖

圖4 電機工作情況

車輛在循環工況行駛過程中，車速與左電機、右電機的工作情況如圖3、圖4所示。可以得到，車輛左電機為主要動力源，車輛在中低速行駛時由左電機驅動車輛，即電驅動系統一擋；當車速達到82 km/h時，此時左電機不能夠滿足車輛動力性需求，右電機開始介入，即電驅動系統升入二擋，左電機、右電機共同工作滿足車輛動力需求。

4.3 設備安裝

如圖5所示為電流傳感器安裝位置。其中，分別對動力系統、熱管理系統等高壓部件和DCDC、低壓電池等低壓附件安裝了電壓、電流傳感器。

圖5 電流、電壓傳感器布置方案

表4 試驗傳感器列表

測點測量數據測試設備精度 A電池輸出功率、總量、制動能量回收電量電壓傳感器0.50% 電流傳感器0.40% B電機1功率、消耗總電量、能量回收電量電流傳感器0.40% C電機2功率、消耗總電量、能量回收電量電流傳感器0.40% D高低壓用電器功率、消耗總電量電流傳感器0.40% E壓縮機功率、消耗總電量電流傳感器0.40% F低壓用電器功率、消耗總電量電壓傳感器0.50% 電流傳感器0.40% GDCDC入口功率、消耗總電量電流鉗0.50%

根據測試方案設計，分別在車輛前后安裝傳感器，對動力電池輸出電流、左右驅動電機輸入母線電流、PDU之間、DCDC高低壓、空調壓縮機以及低壓電源安裝電流傳感器，在低壓電源安裝電壓傳感器。

圖6 前機艙傳感器安裝

圖7 后機艙傳感器安裝

4.4 數據采集與融合

通過傳感器的安裝，對數據采集設備調試。分別對圖8中功率分析儀進行調試，并通過數據采集設備將車輛CAN總線數據與傳感器數據進行融合，如圖9所示。

圖8 數采設備

圖9 總線信號與數采數據融合

圖10 轉鼓測試

5 測試結果分析

為了更加直觀地對車輛的能耗情況，分別選取SOC在80%、50%、30%的循環，分析每一個工況的總體及個部件的能量消耗、能量損失情況，并對每一個循環的平均能耗進行分析。下面以常溫25 ℃工況為例，進行不同SOC下的單一循環過程進行分析，同時橫向對比不同SOC下的耗電情況。

圖11 滑行曲線

圖12 動力電池、電機耗電情況

圖13 熱管理系統、低壓附件耗電況

圖14 常溫單一循環電池消耗與回收能量

表5 單一循環的能量流動

SOCPACK輸出電機輸入PDU輸入DCDC輸入低壓電池輸入電機輸出 80%2.792.630.130.120.122.33 50%2.832.670.130.120.112.33 30%2.972.680.120.110.112.32 平均2.862.660.120.120.112.33

常溫循環中每個循環測試點的能量流動情況見表5所示，其中每個循環能量的平均值為：動力電池輸出能量為2.86 kWh，電機輸入能量為2.66 kWh，PDU2輸入能量為0.12 kWh，DCDC輸入能量為0.12 kWh，低壓附件輸入能量為0.11 kWh。此外，通過CAN總線數據計算得到電機輸出機械能為2.33 kWh。

表6 不同部件的能耗與損耗

系統電量/kWh占比 PACK輸出2.864 8100.00% DCDC損耗0.006 80.24% 低壓附件耗電0.1113.87% 電機損耗0.3311.52% 電機輸出2.32881.26% PDU損耗0.0893.11%

圖15 車輛能耗分布情況

全部能量損耗情況如表7所示。其中每個循環的全部能量損失為0.425 8 kWh，占全部能量的14.86%。能量損耗部分，電機損耗最多為0.33 kWh，占全部損耗能量的77.50%，DCDC損耗0.006 8 kWh占全部損耗能量的1.60%，其他損耗部分主要是各部件散熱及效率損耗，占全部損耗能量20.9。

表7 不同部件的能耗與損耗

能量損耗電量/kWh占比 損耗總量0.43100.00% 電機損耗0.3377.50% DCDC損耗0.011.60% 其他損耗0.0920.90%

6 不同工況結果對比分析

為進一步分析車輛在不同工況下的能量變化，下面選取中國工況中高溫、低溫、常溫工況中車輛加速段進行分析，分析加速過程中，整車能量流動情況。

從能量分布角度，主要的能耗為驅動電機，超過電池電量70%，其次是熱管理系統和低壓附件耗電；能量方面，電機效率損失超過7%，其次是DCDC損失和其他管路、系統損失。

圖16 常、高、低溫環境下動力電池能量分布

圖17 熱管理系統及低壓附件功率

圖18 不同溫度下個部件效率分布

7 結論

本文展開了基于能量流分析的電動汽車能耗測試方法研究。對電動汽車能量流測試的原理、測試方案設計與分析、數據分析與指標分析等方面進行了分析。并結合典型車型的對標車型，對電動汽車能量流測試進行了深入的研究。通過測試分析，可以得到各系統在不同溫度工況下的表現并針對性地進行改進，從而為車型改進提供了優化思路與方法。因此，基于能量流的車輛能耗測試技術對于新能源汽車能耗水平提升具有重要意義。

[1] 宋政委.純電動汽車能量流分析研究[D].西安:長安大學,2019.

[2] 張微,徐金波,王旭,等.基于WLTC工況的電動汽車能量流測試與分析[J].汽車技術,2019(11):6-9.

[3] 程慶湖,肖文龍,黃炯,等.基于能量流分析的純電動車電耗關鍵技術研究[J].汽車實用技術, 2019(14):7-9.

[4] 黃瑞,沈天浩,陳芬放,等.電動汽車動力總成能量流試驗研究[J].實驗室研究與探索,2018, 37(11):15-20.

[5] Bo Zhu, Peng Zhang,JiuJian Chang, et al. Electric Vehicle Energy Flow Analysis and Energy Saving Technology Research[C].DES- tech Transactions on Environment,Energy and Earth Sciences,2018.

[6] Suzuki,Keisuke.Analysis Concerning Vehicle Dynamics of Semi Trailer in Terms of Energy Flow[J].A Bulletin of Daido Technical College,2006(42):37-43.

[7] 南金瑞,王建群,孫逢春.電動汽車能量管理系統的研究[J].北京理工大學學報,2005, 025(005):384-389.

[8] 陸訓,劉敏,汪躍中,等.純電動汽車能量管理仿真分析研究[J].汽車電器,2019(8):19-23.

Research on Electric Vehicle Energy Consumption Based on Vehicle Energy Flow Analysis

MA Huanhuan, SHI Pan, FAN Jinna

（China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300）

The energy consumption level of electric vehicles is a key factor that restricts their rapid development. The research on vehicle energy consumption factors based on the analysis of vehicle energy flow is conducive to improving the energy management strategy of electric vehicles, better decomposes the vehicle target, and improves the technology of self-owned brands. This paper takes the energy flow test of an advanced pure electric vehicle as an example. Through vehicle configuration analysis, benchmarking scheme design, bus signal analysis and key component sensor installation, the energy flow analysis of the vehicle's high-voltage system, low-voltage accessory system and mechanical system is realized, which is of great significance to the improvement of energy consumption.

Electric vehicles; Energy flow test; Benchmarking test analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.001

U469.7

B

1671-7988(2021)21-01-06

U469.7

B

1671-7988(2021)21-01-06

馬歡歡，研究生，工程師，就職于中國汽車技術研究中心有限公司，主要從事新能源汽車深度對標工作。