一種輕型載貨純電卡車(chē)等速工況下的能耗流動(dòng)分析

摘 要：本文以某款輕型純電載貨汽車(chē)為試驗(yàn)研究對(duì)象，基于等速循環(huán)工況下的能量消耗及流動(dòng)情況分析，結(jié)果表明，一方面隨著速度的提升，整車(chē)效率提高的同時(shí)百公里能耗相應(yīng)增加，另一方面單級(jí)主減式純電車(chē)輛不能在全速閾高效率運(yùn)行，且電機(jī)效率最大差異達(dá)10%以上，整車(chē)驅(qū)動(dòng)效率最大差異可達(dá)20%，為進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性水平，提出一方面可增加多級(jí)減速傳動(dòng)裝置，另一方面可優(yōu)化VCU相關(guān)控制策略，避免能耗的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)轂試驗(yàn) 能量流動(dòng) 經(jīng)濟(jì)性 控制策略

隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展及全球?qū)?jié)能減排的日益重視，整車(chē)能耗測(cè)試顯得尤為重要，整車(chē)廠為滿足雙碳政策及法規(guī)要求，電動(dòng)化需求與日俱增，與此同時(shí)，為了更好地了解能耗流動(dòng)路線及衡量?jī)?yōu)化整車(chē)在不同速度下的能效和續(xù)航能力，通常進(jìn)行電動(dòng)車(chē)的等速實(shí)驗(yàn)。那么為消除車(chē)輛本身性能之外的因素影響，要將變量控制在合理范圍內(nèi)，故將人-車(chē)-路三者進(jìn)行部分解耦，通過(guò)轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)進(jìn)行能耗的測(cè)試。

相同控制策略下的等速試驗(yàn)工況能耗流動(dòng)與整車(chē)驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)策略相關(guān)性較低，整車(chē)能耗的高低基本由各系統(tǒng)零部件的效率所決定。本文基于汽車(chē)能量流理論[1]，梳理純電動(dòng)汽車(chē)的能量流動(dòng)主要路徑，系統(tǒng)地分析汽車(chē)能耗在傳遞過(guò)程中的損耗情況，為整車(chē)進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性提供重要參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 整車(chē)參數(shù)

試驗(yàn)選取單級(jí)主減傳動(dòng)比純電動(dòng)汽車(chē)，其動(dòng)力及控制系統(tǒng)主要包括VCU、電機(jī)、電池及其相關(guān)控制器，如圖1所示，其中控制器的實(shí)現(xiàn)方案為集中式控制，具有高執(zhí)行速度低實(shí)現(xiàn)成本的優(yōu)點(diǎn)[2]，整車(chē)電池容量為132kWh，主減傳動(dòng)比為16.193，輪胎半徑為0.376m。

1.2 驗(yàn)證工況及方法

制動(dòng)器拖拽力及輪轂軸承等阻力值難以計(jì)算，為了更真實(shí)地模擬實(shí)車(chē)行駛過(guò)程中的阻力能耗，本文在進(jìn)行轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)前，首先在一定環(huán)境下按照規(guī)定試驗(yàn)流程進(jìn)行整車(chē)滑行阻力曲線試驗(yàn)，測(cè)得車(chē)速與阻力之間的近似關(guān)系[3]，如圖2所示，這樣所測(cè)阻力主要包括滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻、內(nèi)阻等無(wú)法直接測(cè)得的阻力，因此采用整車(chē)滑行阻力曲線計(jì)算整車(chē)行駛阻力方案較為準(zhǔn)確。道路滑行試驗(yàn)結(jié)束后在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行道路滑行阻力復(fù)現(xiàn)，會(huì)給轉(zhuǎn)轂加載一個(gè)用來(lái)補(bǔ)償與道路實(shí)測(cè)阻力之間的差值，經(jīng)過(guò)車(chē)輛在轉(zhuǎn)轂上的多次滑行迭代優(yōu)化以及對(duì)轉(zhuǎn)轂輸入值進(jìn)行校準(zhǔn)，待底盤(pán)測(cè)功機(jī)上的滑行阻力與道路實(shí)測(cè)阻力相等時(shí)，停止調(diào)參，最終，底盤(pán)測(cè)功機(jī)滑行阻力可以與道路實(shí)測(cè)阻力保持基本一致[4]。

阻力能耗采用整車(chē)滑行阻力曲線來(lái)計(jì)算，因此可得整車(chē)滑行阻力Fs與車(chē)速v的關(guān)系如式1所示[5]。

式中：A，B，C為擬合系數(shù)，v為行駛車(chē)速，單位為km/h。

整車(chē)滑行阻力測(cè)試過(guò)程和本文所研究的等速行駛工況均不考慮坡度的影響，因此行駛阻力可去除坡度阻力[6]。整車(chē)滑行阻力曲線測(cè)試完成后進(jìn)入轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)流程，首先確認(rèn)整車(chē)電附件及開(kāi)啟情況，除DCDC之外，其他電附件全部關(guān)閉，整車(chē)試驗(yàn)在25℃環(huán)境中進(jìn)行。將整車(chē)固定在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架上，分別進(jìn)行90、80、70、60、50、40、30km/h的等速工況測(cè)試，保證在每個(gè)階段開(kāi)始前都保持相同的整車(chē)狀態(tài)，包括SOC初始值及冷卻水溫度等因素，試驗(yàn)期間會(huì)對(duì)駕駛員的速度跟隨情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)超過(guò)速度閾值的工況點(diǎn)進(jìn)行懲罰，當(dāng)評(píng)分低于90時(shí)，此組數(shù)據(jù)失去意義，需重新進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)測(cè)試工況重復(fù)進(jìn)行三次，取均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)需使用上位機(jī)在軟件中利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集，明確采集的變量含義及單位如表1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 能耗流動(dòng)情況

純電動(dòng)汽車(chē)能耗為等速行駛工況能耗，此種狀態(tài)下的能量流動(dòng)路徑如圖3所示。

從圖中可以看出，能耗分為正向驅(qū)動(dòng)能量及逆向回收能量，由于試驗(yàn)按照等速工況行駛，無(wú)逆向制動(dòng)再生能量，其中正向驅(qū)動(dòng)能量從能源端電池進(jìn)行輸出，流動(dòng)方向基本可以分為三部分，一部分用于整車(chē)驅(qū)動(dòng)需求，一部分用于傳動(dòng)摩擦損失，另一部分用于電附件損耗，其中整車(chē)需求及傳動(dòng)損失部分由整車(chē)滑行阻力曲線計(jì)算，DCDC損耗由輸入電壓及電流計(jì)算，空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)，不計(jì)算能耗。

各測(cè)試工況下的數(shù)據(jù)采用部件能耗功率積分的方法來(lái)獲得該部件的能耗值及整車(chē)能耗分布狀態(tài)，計(jì)算方法如式（2）～（6）所示。

式中：為電機(jī)輸入端電能，單位kWh，為電機(jī)母線電壓，為電機(jī)母線電流，為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)刻，為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻，單位為s。

式中：為電機(jī)機(jī)械輸出耗能，單位kWh，為電機(jī)輸出扭矩，為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

式中：為DCDC輸入電能，單位kWh，為DCDC輸入端電壓，為DCDC輸入端電流。

式中：為DCDC輸出電能，單位kWh，為DCDC輸出端電壓，為DCDC輸出端電流。

式中：為整車(chē)需求端的能耗，包含傳動(dòng)效率損失能耗，單位kWh。

為了更好地統(tǒng)計(jì)能耗流動(dòng)及傳遞效率情況，將能量在傳遞過(guò)程中的單位統(tǒng)一用kWh/100km表示，按照式2至式6方法計(jì)算得到的能耗情況如表2所示。

從表2中可以看出，整個(gè)駕駛循環(huán)下的駕駛得分均大于90分，滿足試驗(yàn)要求，按照表2數(shù)據(jù)分析可知，隨著車(chē)速的升高，整車(chē)正向驅(qū)動(dòng)能耗隨之上升，為了進(jìn)一步分析能量在整車(chē)傳遞過(guò)程中的損耗及效率情況，按照效率定義，由式（7）～（8）確定能耗傳遞過(guò)程中的效率數(shù)值。

式中：為電機(jī)整體效率，由和值決定。

式中：為驅(qū)動(dòng)能耗傳遞效率，由和值決定，繪制電機(jī)及驅(qū)動(dòng)效率如圖4。

轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)難以保證其他未知因素對(duì)結(jié)果的影響，因此會(huì)有異常點(diǎn)存在，但不影響趨勢(shì)分析，從圖4中可以看出在30-90km/h的速度區(qū)間內(nèi)，一方面電機(jī)效率均在85%以上，且隨著車(chē)速的上升電機(jī)的效率先增后降，在50km/h左右電機(jī)效率到頂峰，達(dá)到95%以上，但此時(shí)對(duì)應(yīng)的整車(chē)效率并非最高，表明主減效率此時(shí)不高，隨后效率慢慢降低，整個(gè)速度區(qū)間內(nèi)效率最大差異達(dá)10%以上；另一方面主減效率及驅(qū)動(dòng)效率隨車(chē)速升高先增后穩(wěn)，整車(chē)驅(qū)動(dòng)效率在低速階段40km/h以下時(shí)，效率較低，基本在80%以下，在到達(dá)60km/h左右時(shí)，達(dá)到頂峰88%，之后基本穩(wěn)定，整個(gè)速度區(qū)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)效率最大差異可達(dá)20%。

2.2 結(jié)論

從數(shù)據(jù)結(jié)果分析來(lái)看，對(duì)于單級(jí)主減傳動(dòng)比的純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，很難做到在全速閾區(qū)間內(nèi)均達(dá)到很高的效率，整車(chē)若想充分發(fā)揮電機(jī)等零部件在不同速度區(qū)間下的效率，從軟硬件方向出發(fā)，一方面可通過(guò)硬件解決，即可通過(guò)增加雙級(jí)等多級(jí)減速機(jī)構(gòu)，以此來(lái)擴(kuò)大高效速度區(qū)間；另一方面可通過(guò)軟件優(yōu)化，即通過(guò)VCU控制策略，比如油門(mén)解析策略優(yōu)化、扭矩平順策略優(yōu)化以及降低非必要寄生功耗等措施進(jìn)一步降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張雄飛，徐文婷，顧國(guó)微，等.基于能量流方法的某純電重卡多環(huán)溫CHTC工況能耗測(cè)試與分析研究[J].中國(guó)汽車(chē)，2024（09）：55-63.

[2]賈瑞，潘秉鈺，王金鑫.電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)研究[J].時(shí)代汽車(chē)，2023（18）：106-108.

[3]汽車(chē)道路試驗(yàn)方法通則：GB/T12534-90[S].

[4]于洋洋，于志鵬.汽車(chē)在道路及底盤(pán)測(cè)功機(jī)上的受力分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2018（15）：136-137+149.

[5]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6]季孟淵，左印波，焦治國(guó).基于汽車(chē)能量流理論的純電動(dòng)汽車(chē)行駛工況能耗極值分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2023，48（23）：19-25.