NEDC工況電機系統平均效率優化方法

白志浩，黃銳鋒，陳曉閣，王洪佩

NEDC工況電機系統平均效率優化方法

白志浩，黃銳鋒，陳曉閣，王洪佩

Bai Zhihao，Huang Ruifeng，Chen Xiaoge，Wang Hongpei

（菏澤職業學院 交通工程系，山東 菏澤 274000）

基于NEDC(New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環)工況將某款電機系統的實際工況點分為電動工況點和發電工況點，并采用Python數據處理工具分別計算電動工況點的消耗能量和發電工況點的發電能量，根據二者的能量分布，確定重點優化區間，將優化后數值帶入模型進行仿真，結果表明，優化后電動平均效率提升1%、發電平均效率提升1.58%、續駛里程提升1.3%，驗證了電機系統平均效率優化方法的有效性。

效率優化；Python；平均效率；能量分布

0　引言

隨著我國新能源汽車產業政策的引導以及消費者環保意識的提升，新能源汽車市場蓬勃發展，消費者對純電動汽車的續駛里程尤為關注，廠商也往往將NEDC(New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環)工況下車輛續駛里程作為賣點。提升續駛里程有兩種方法，一是增加電池存儲能量，但這不僅增加了車輛安全隱患，而且使車輛成本升高，一定程度上降低了產品競爭力；二是在不增加電池存儲能量的同時盡可能提升車輛能量使用效率[1-3]，降低整體能耗，這種方法雖不能大幅提升續駛里程，但在不增加車輛成本的前提下實現續駛里程小幅增加，從而提升了產品競爭力。本文針對一款純電動汽車的動力系統，通過Python計算優化其電機部分效率點，提升電機系統在NEDC工況的整體平均效率，提升車輛的續駛里程。

1　電機平均效率優化

1.1　NEDC工況

汽車能量經濟性常用一定工況下汽車行駛一定距離的能量消耗量或者一定能量使汽車行駛的里程值進行衡量。運行工況可以選擇等速行駛工況或者模擬汽車實際行駛的典型工況，其中等速行駛工況與汽車實際道路運行工況有很大出入，前者無法模擬城市道路行駛過程中的頻繁加減速、怠速停車等工況。為了更好地模擬實際道路行駛工況，各國制定出一些典型循環行駛試驗工況，據此進行能量經濟性評價，我國采用NEDC工況。NEDC由4個模擬市區運轉循環和1個模擬市郊運轉循環組成，市區工況的平均車速為19 km/h，總時長為780 s，行駛距離為4.052 km，市郊工況的平均車速為62.6 km/h，最高車速為120 km/h，總時長為400 s，行駛距離為 6.955 km。

1.2　電機效率優化區間

1.2.1NEDC工況離散化

由于NEDC工況包括車輛加減速過程，所以電機效率優化分為電動效率優化和發電效率優化，在選擇電機電動或者發電優化區間之前，首先需要明確哪些工況點屬于加速或者勻速工況，哪些工況點屬于減速工況，本文將加速和勻速工況點設置為電動工況點，將減速工況點設置為發電工況點。此分類需對NEDC工況進行離散處理[4-5]，基本原則是區間設置足夠小，同一區間的系統狀態基本保持不變。本文對NEDC工況進行離散化，將工況總時長劃分為 1 180個區間，每個區間對應的時長為1 s，共得到1 180個工況點，每個工況點以序號、車速、加速度3個參數來表示，見表1。

表1　離散后的NEDC工況點

表2　電動工況點

車輛制動過程中執行整車能量回收策略，需對發電工況點進一步處理。整車能量回收策略規定當車速小于10 km/h或者車輛減速度大于0.15時，車輛停止能量回收，據此剔除部分工況點后得到發電工況點160個，見表3。

表3　發電工況點

1.2.2電機能耗分布計算

將NEDC工況離散后，根據每個工況點的車速、加速度和持續時間計算該點的電機輸出能量[6-7]。

電動工況點電機輸出和輸入能量計算見式（1）～（3）。

=(cos+sin+d2/21.15+

d/d)/3600 （1）

E輸出_電動=×t（2）

E輸入_電動=E輸出_電動/電動（3）

式中：為車輛滿載質量；為滾動阻力系數；為道路坡度；d為風阻系數；為車輛迎風面積；為電動工況下第個工況點電機輸出功率；為重力加速度；為車輛速度；為車輛的轉動慣量系數；E輸出_電動為電動工況下第個工況點電機系統輸出功；t為電動工況下第個工況點對應的時間區間的時長；E輸入_電動為電動工況下第個工況點電機系統輸入功；電動為電動工況下第個工況點電機系統效率。

發電工況點電機輸出和輸入能量計算見式（4）～（6）。

=(cos+sin+d2/21.15+

d/d)/3600 （4）

E輸出_發電=（5）

E輸入_發電=E輸出_發電/發電（6）

式中：T為發電工況下第個工況點對應的時間區間的時長；E輸出_發電為發電工況下第個工況點電機系統輸出功；E輸入_發電為發電工況下第個工況點電機系統輸入功；發電為發電工況下第個工況點電機系統效率。

由式（7）、（8）得出NEDC工況電機電動總輸出總輸出_電動和總輸入總輸入_電動，由式（9）計算出電動平均效率電動_平均。

總輸出_電動=1輸出_電動+2輸出_電動+…+

995輸出_電動（7）

總輸入_電動=1輸入_電動+2輸入_電動+…+

995輸入_電動（8）

電動_平均=總輸出_電動/總輸入_電動（9）

同理，由式（10）、（11）得出NEDC工況電機發電總輸出總輸出_發電和總輸入總輸入_發電，由式（12）計算出發電平均效率發電_平均。

撬出來的榕樹震了一下，紛黃的泥土噴了滿街，那些人卻沒有動，我瞇著眼吐著泥塵，仰起頭，卻發現我媽的眼里飛過一道水光，她很快抬起手擦了擦。

總輸出_發電=1輸出_發電+2輸出_發電+…+

160輸出_發電（10）

總輸入_發電=1輸入_發電+2輸入_發電+…+

160輸入_發電（11）

發電_平均=總輸出_發電/總輸入_發電（12）

電動、發電可通過插值法得到，本文采用Python結合第三方庫NumPy和Pandas編程，得到插值程序，插值方法為“最近取值法”，如圖1所示，并根據電機效率實測數據對電動和發電工況點插值計算，得到每個工況點的效率。

圖1　基于Python的工況點效率插值程序

將計算出的每個工況點的輸入和輸出能量按照轉速和扭矩進行劃分，得出整個NEDC工況電機系統特定轉速和扭矩范圍的輸出能量分布。

將電動工況轉速劃分為0～＜500 r/min， 500～＜1 000 r/min，…，9 500～10 000 r/min，將扭矩劃分為0～＜10 Nm，10～＜20 Nm，…，60～70 Nm。

將發電工況轉速劃分為0～＜500 r/min，500～＜1 000 r/min，…，9 500～10 000 r/min，將扭矩劃分為＞－10～0 Nm，＞－20～－10 Nm，…，－50～－40 Nm。

上述工況點樣本量較大，進行電機特定轉速和扭矩范圍的輸出能量分布計算時，采用Python結合第三方庫Openpyxl編程，如圖2所示。

經過計算得出NEDC工況下電動能量和發電能量的分布，見表4、表5。

表4　電動工況點能量分布

注：電動工況點能量分布=區間能量/總輸出_電動×100%。

1.2.3電機效率區間選擇

從表4、表5可以看出各區間的能量分布情況，其中電動能量占比前20的區間累積占比電動總能量85%，發電能量占比前20的區間累積占比發電總能量73%，可將占比前20的區間作為電機電動和發電效率的優化區間，結合能量分布和電機實測效率值，選取部分工況點進行效率提升，將選取的效率可優化工況點輸入給電機工程師進行專業調校。

表5　發電工況點能量分布

注：發電工況點能量分布=區間能量/總輸出_發電×100%。

2　電機平均效率提升驗證

部分工況點提升效率之后，需對電機系統的電動和發電平均效率進行仿真，確認平均效率是否提升以及效率優化方法是否有效。

表6　優化前、后電機系統效率

仿真計算時，首先將電機系統NEDC工況下電動和發電工況點離散化，其次采用插值程序和優化后的電機效率數值計算各工況點的新效率值電動′、發電′，然后由式（3）、（6）計算優化后電動和發電工況下電機輸入能量和輸出能量，最后根據式（9）、（12）計算NEDC工況下電機系統電動和發電平均效率。

優化前、后電機系統電動和發電效率對比見表6。

根據電機的電動和發電能量以及附件消耗能量附件，計算出單一NEDC工況的總能耗單一NEDC（式13），根據電池總能量總能量以及SOC（State of Charge，荷電狀態）使用范圍（SOC初始－SOC截止），通過式（14）計算得到車輛NEDC工況續駛里程，具體參數見表7。

單一NEDC=總輸入_電動－總輸出_發電+附件（13）

=總能量×（SOC初始－SOC截止）/單一NEDC×11（14）

式中：單一NEDC工況的運行里程為11 km。

通過計算得到優化前、后車輛續駛里程，見表8。

表8　NEDC工況續駛里程仿真對比

注：變化率=（優化后－優化前）/優化前×100%。

由表8可知，優化后續駛里程提高了1.5%，說明所采用的電機系統平均效率優化方法有效。

3　結束語

對某純電動汽車的動力模塊進行優化，采用Python數據處理工具計算NEDC工況下電機系統電動和發電能量分布，確定效率優化區間，提升電機部分效率點。通過仿真驗證，確認優化方法可以提升電機系統的平均效率和整車的續駛里程。

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2022-11-07

1002-4581（2023）02-0011-05

U462.3+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.003