摘要

能量流向分析是新能源汽車能耗的重要分析手段，通過(guò)能量流向分析可全面了解車型電耗的分布情況，定量地找到樣車與標(biāo)桿車型之間的能耗差異，從而確定最有效改善能耗水平的著手點(diǎn)。文章通過(guò)理論分析整車能耗機(jī)理，挖掘能耗的關(guān)鍵控制項(xiàng)；自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)各種能量相關(guān)的物理量的實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理，并作為降能耗措施的最終驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。基于高精度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立并標(biāo)定整車能量流仿真模型，一方面精準(zhǔn)定位潛在的節(jié)能方向；另一方面作為項(xiàng)目開發(fā)早期預(yù)判的理論支撐，對(duì)動(dòng)力總成構(gòu)架、部件選型及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尋找最
利于能耗的解決方案。

關(guān)鍵詞

能量流；阻力分解；仿真分析；降能耗

主要內(nèi)容

在電動(dòng)汽車的發(fā)展中，續(xù)駛里程和能耗是用戶最為關(guān)注的問(wèn)題，里程焦慮成為阻礙電動(dòng)車發(fā)展最主要的瓶頸。目前國(guó)內(nèi)外圍繞電動(dòng)汽車能耗優(yōu)化的研究主要應(yīng)用的方法多數(shù)為整車軟件仿真和系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)。整車試驗(yàn)由于投入成本較高，試驗(yàn)工況復(fù)雜，尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。而且能耗測(cè)試在整車上進(jìn)行時(shí)，影響因素較多，需要控制的變量也很多，某些因素有微小的變化就可能影響試驗(yàn)結(jié)果從而影響工程師的判斷。

能量流向分析是新能源汽車能量消耗的一個(gè)很重要的分析手段。通過(guò)能量流測(cè)試可全面了解車型電耗的分布情況，定量地找到樣車與標(biāo)桿車型之間的能量消耗差異，從而確定最有效改善電耗水平的著手點(diǎn)。另外，根據(jù)能量流測(cè)試得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，搭建、校準(zhǔn)整車仿真模型，能夠預(yù)測(cè)不同改進(jìn)措施對(duì)整車電耗的影響程度，從而大幅減少驗(yàn)證的周期和成本。

1  純電動(dòng)車能量流及能耗理論分析

純電動(dòng)汽車僅采用動(dòng)力電池組作為唯一的動(dòng)力來(lái)源，在行駛的過(guò)程中通過(guò)動(dòng)力電池組向各用電系統(tǒng)輸出能量，同時(shí)也將再生制動(dòng)回收的能量存儲(chǔ)進(jìn)動(dòng)力電池組之中。因此，要建立整車能耗機(jī)理模型，需先進(jìn)行整車能量流分析，如圖1所示。

圖 1 電動(dòng)汽車能量流向分析

電池輸出的有效能量分為三路，分別供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、高壓耗能元件、DC/DC，供給MCU的能量經(jīng)過(guò)MCU、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、傳動(dòng)軸、差速器、半軸到達(dá)輪胎，用于克服車輛行駛阻力，供給DC/DC的能量主要用于給低壓耗電件供電，其余部分用于給高壓耗電件供電。在驅(qū)動(dòng)能量的傳遞過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)損耗，即除了有效能量以外的部分，主要包括充電機(jī)充放電損耗、電池充放電損耗、電機(jī)損耗、減速器損耗、傳動(dòng)系統(tǒng)損耗、輪胎滾阻損耗等。

將上述能量流整理成公式，即純電動(dòng)汽車能量平衡關(guān)系為

Ebattery=Emotor+Eele-Ereg（1）

式中，Ebattery為動(dòng)力電池組輸出的總能量；Emotor為驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)消耗的能量；Eele為電附件系統(tǒng)消耗的能量；Ereg為電機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)回收的能量。

按照車輛運(yùn)行機(jī)理，將上述的三部分能量流信息進(jìn)行分解，即可以得到純電動(dòng)汽車整車能量耗散機(jī)理模型，即

式中，假設(shè)車輛在平坦路面行駛，忽略坡度，為了簡(jiǎn)化模型，僅考慮低壓附件系統(tǒng)中最主要的能耗部件（鼓風(fēng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)），并將其視為恒功率耗能部件。m為整備質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)；k1、k2分別為滾動(dòng)阻力系數(shù)中的速度的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)；Cx為空氣阻力系數(shù)；ρa(bǔ)ir為空氣密度；A為車輛的迎風(fēng)面積；v為車速；vwind為風(fēng)速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a為車輛的加速度；ηb為電池放電效率；ηm為電機(jī)效率；ηt為傳動(dòng)效率；v為行駛過(guò)程中的平均車速；Iac為經(jīng)過(guò)空調(diào)壓縮機(jī)的電流；Uac為空調(diào)壓縮機(jī)的端電壓；Rac為空調(diào)壓縮機(jī)的內(nèi)阻；kt為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；ωdif為空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速；Pblower和Pfan為為鼓風(fēng)機(jī)和冷卻風(fēng)扇的功率；ηreg為驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于再生制動(dòng)發(fā)電時(shí)的平均效率；v和v'分別為制動(dòng)前后的車速。

2能量流測(cè)試

2.1能量流測(cè)試及結(jié)果分析

整車能量流測(cè)試在轉(zhuǎn)轂測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，同時(shí)利用功率分析儀采集電池輸出端、MCU輸入端、DC/DC輸入端、電機(jī)輸出端、減速器輸出端以及輪端的功率，進(jìn)而得到能量流向測(cè)試數(shù)據(jù)。選取降能耗目標(biāo)車型X和對(duì)標(biāo)車S、對(duì)標(biāo)車A同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，整車主要參數(shù)如表1所示。

為了轉(zhuǎn)轂上模擬車輛實(shí)際的行駛過(guò)程，需要先在道路上進(jìn)行滑行阻力測(cè)試，得到整車的行駛阻力曲線并進(jìn)行轉(zhuǎn)轂加載，從而得到常溫中國(guó)輕型汽車行駛工況（ChinaLight-dutyVehicleTestCycle,CLTC）行車能量流測(cè)試結(jié)果。為找到常溫能耗優(yōu)化方向，選取常溫能耗比較優(yōu)秀的對(duì)標(biāo)車S進(jìn)行常溫能量流對(duì)比，如圖2所示。

圖 2 目標(biāo)車 X 與對(duì)標(biāo)車 S 常溫能量流測(cè)試結(jié)果

常溫測(cè)試詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。其中，一級(jí)分解指標(biāo)中，目標(biāo)車X輪邊能耗和總驅(qū)動(dòng)效率弱于對(duì)標(biāo)車，可進(jìn)一步優(yōu)化。目標(biāo)車X與對(duì)標(biāo)車S輪邊能量差異約6.0%，主要來(lái)源于整車阻力差異，其中目標(biāo)車X風(fēng)阻系數(shù)比對(duì)標(biāo)車S大55counts，為主要優(yōu)化方向；目標(biāo)車X總驅(qū)動(dòng)效率（MCU輸入至輪邊）比對(duì)標(biāo)車S低2.9%，其中半軸至輪邊的驅(qū)動(dòng)效率明顯低于對(duì)標(biāo)車S，需要進(jìn)一步阻力分解進(jìn)行分析。此外，充電過(guò)程中DC/DC輸出功率較對(duì)標(biāo)車仍有優(yōu)化空間。

低溫能量流測(cè)試結(jié)果顯示，對(duì)標(biāo)車A低溫里程保持率相對(duì)高，且有電機(jī)余熱利用功能，選取對(duì)標(biāo)車A進(jìn)行低溫能量流對(duì)比分析，如圖3所示。

 圖 3 目標(biāo)車 X 與對(duì)標(biāo)車 A 低溫能量流測(cè)試結(jié)果

常溫測(cè)試詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示，目標(biāo)車X低溫里程保持率整體高于對(duì)標(biāo)車Ａ，但對(duì)標(biāo)車電池能量保持率明顯高于目標(biāo)車X，評(píng)估余熱利用為低溫續(xù)航提升的關(guān)鍵方向。

2.2整車阻力分解測(cè)試

整車能量流對(duì)比測(cè)試顯示，目標(biāo)車X整車驅(qū)動(dòng)效率明顯低于對(duì)標(biāo)車S，需進(jìn)一步進(jìn)行整車阻力分解確定問(wèn)題部件，進(jìn)而針對(duì)性提升。

圖 4 目標(biāo)車 X 及對(duì)標(biāo)車測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試，目標(biāo)車X有優(yōu)化空間的部件為輪轂軸承和卡鉗拖滯力矩，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，目標(biāo)車X除后卡鉗拖滯力矩外全部大于對(duì)標(biāo)車阻力，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3優(yōu)化方向

由前述能量流測(cè)試和整車阻力分解測(cè)試可知，目標(biāo)車X常溫能耗優(yōu)化方向有降風(fēng)阻、降低卡鉗拖滯力矩、降低輪轂軸承力矩及降低充電過(guò)程低壓功耗；低溫續(xù)駛里程保持率提升主要措施是優(yōu)化熱管理架構(gòu)，采用電機(jī)余熱等先進(jìn)技術(shù)。

3  仿真模型搭建及校準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)目標(biāo)車X進(jìn)行工況試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集，得到車輛的能量流向、熱管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立高精度仿真模型，對(duì)零部件的進(jìn)一步優(yōu)化以及優(yōu)化后的車輛性能評(píng)估進(jìn)行指導(dǎo)，本文中采用AMESim軟件建立整車電耗優(yōu)化的仿真分析模型，包含整車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性模型和熱管理模型，用于仿真常溫及低溫經(jīng)濟(jì)性，其中熱管理模型需要根據(jù)關(guān)鍵部件的臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)和能量流測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，模型如圖5所示。

(a) 仿真模型

圖 5 仿真模型及 MCU 能耗值仿真試驗(yàn)對(duì)比圖

使用試驗(yàn)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)的效能優(yōu)化分析提供基礎(chǔ)模型。選取初始SOC=50%的一個(gè)完整CLTC循環(huán)，分為低速、中速、高速、超高速四個(gè)階段，以MCU驅(qū)動(dòng)回收能量為研究對(duì)象，試驗(yàn)、仿真結(jié)果誤差較小，基本上在2%以內(nèi)，同時(shí)低溫工況時(shí)熱管理系統(tǒng)水溫及耗能部件功率均與試驗(yàn)值有較好的吻合度，模型可以用于后續(xù)的能耗優(yōu)化工作。

4  降能耗措施研究及優(yōu)化

4.1仿真優(yōu)化

根據(jù)前述測(cè)試得到的常溫能耗影響因素，應(yīng)用前述校準(zhǔn)后的仿真模型得到各因素對(duì)能耗的影響比例如表4所示。針對(duì)目標(biāo)車X車型有優(yōu)化空間的降能耗措施進(jìn)行仿真分析。

4.1.1風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化

風(fēng)阻系數(shù)與造型相關(guān)，針對(duì)造型已凍結(jié)的車型，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化主要從細(xì)節(jié)及先進(jìn)技術(shù)入手，本文共提供兩個(gè)風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化方案，方案一：引入主動(dòng)進(jìn)氣格柵并優(yōu)化開關(guān)策略，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化10count，能耗優(yōu)化0.18kWh/100km，方案二：以電子后視鏡替代傳統(tǒng)后視鏡，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化7count，能耗優(yōu)化0.15kWh/100km。

4.1.2制動(dòng)卡鉗、輪轂軸承優(yōu)化

根據(jù)測(cè)試，目標(biāo)車X制動(dòng)卡鉗單個(gè)平均拖滯力矩比對(duì)標(biāo)車高0.785Nm，輪轂軸承單個(gè)平均損失力矩比對(duì)標(biāo)車高1.79Nm，若目標(biāo)車X損失力矩能夠與對(duì)標(biāo)車S持平，整車能耗優(yōu)化0.42kWh/100km。

4.1.3充電過(guò)程低壓功耗優(yōu)化

目標(biāo)車X充電過(guò)程中低壓功耗較對(duì)標(biāo)車高29W，分析其原因主要是大屏持續(xù)開啟和部分充電不相關(guān)控制器耗電，應(yīng)用分網(wǎng)段休眠技術(shù)，對(duì)大屏、影音娛樂等控制器進(jìn)行休眠處理，可使整車低壓功耗降至與對(duì)標(biāo)車相當(dāng)水平，能耗優(yōu)化0.2kWh/100km。

上述常溫優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖 6 目標(biāo)車 X 常溫優(yōu)化措施效果圖

4.1.4低溫續(xù)航保持率優(yōu)化方向

低溫續(xù)駛里程下降主要來(lái)自于整車阻力的增加、低溫電池能量回收能力減弱、電池放電容量降低和空調(diào)高低壓部件耗電，其中整車阻力的增加不可避免，目標(biāo)車X的低溫能量回收能力和空調(diào)系統(tǒng)耗電均優(yōu)于對(duì)標(biāo)車，故優(yōu)化方向主要集中于提高電池放電容量，本文主要通過(guò)優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，加入電機(jī)余熱利用功能實(shí)現(xiàn)，保證電池在更合理的溫度范圍內(nèi)放電，提高電池的放電容量，節(jié)省水加熱控制器（WaterThermalController,WTC）功率，電機(jī)余熱利用的熱管理架構(gòu)圖如圖7所示。

圖 7 加入電機(jī)余熱利用功能的熱管理架構(gòu)圖

優(yōu)化后的熱管理回路構(gòu)型，通過(guò)三通閥的控制，可以將動(dòng)力總成回路和電池包回路工作模式調(diào)整為串聯(lián)和并聯(lián)，基本控制思路如下：

（1）電池溫度低于5℃，采取并聯(lián)模式，使用WTC同時(shí)給乘員艙和電池包加熱，使電池包溫度迅速上升；

（2）電池溫度高于5℃，采用串聯(lián)模式，WTC只對(duì)乘員艙進(jìn)行加熱，電池包利用電機(jī)及三合一余熱進(jìn)行加熱；

（3）電機(jī)水泵和電池水泵保持適當(dāng)流量，保證整個(gè)回路溫度均勻上升。

經(jīng)仿真計(jì)算，優(yōu)化后續(xù)駛里程為311km，相比于優(yōu)化前仿真結(jié)果289km，提高了7.6%。其中，WTC功率為1.332kW，較優(yōu)化前1.53kW節(jié)省13.7%，電池放電量增加了1.17kWh。三合一發(fā)熱量為237.6W（平均），電機(jī)發(fā)熱量為448.7W（平均），模組被防凍液加熱功率為375.5W（平均），模組自發(fā)熱功率為107.5W（平均）。余熱利用率為47%，余熱利用能量流如圖8所示。

圖 8 優(yōu)化后目標(biāo)車 X 能量流

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1常溫能耗驗(yàn)證

按照優(yōu)化要求選取制動(dòng)卡鉗和輪轂軸承樣件，并將分網(wǎng)段休眠策略在樣車上體現(xiàn)，因風(fēng)阻優(yōu)化方案短期內(nèi)不容易實(shí)現(xiàn)，且容易受道路滑行阻力測(cè)試誤差影響，按照阻力曲線理論分析進(jìn)行曲線擬合，在轉(zhuǎn)轂測(cè)功機(jī)上進(jìn)行能耗試驗(yàn)，續(xù)駛里程為536km，能耗為12.72kWh/100km，較基礎(chǔ)車降低了7.8%。

4.2.2低溫續(xù)駛里程保持率驗(yàn)證

對(duì)整車進(jìn)行熱管理系統(tǒng)改制并刷新控制策略后進(jìn)行低溫復(fù)測(cè)，試驗(yàn)測(cè)得續(xù)駛里程為305km，與仿真值有2%的差異，較基礎(chǔ)車提高了5.2%。

5結(jié)論

選取了目標(biāo)車X和兩款對(duì)標(biāo)車進(jìn)行能量流測(cè)試和阻力分解測(cè)試，得到了能量流向差異，并定位到具體差異部件，為能耗優(yōu)化提供方向，并為標(biāo)準(zhǔn)仿真模型的搭建提供了數(shù)據(jù)支撐；搭建常溫和低溫經(jīng)濟(jì)性仿真模型，校核顯示模型精度均在2%以內(nèi)，對(duì)后續(xù)性能夠開發(fā)有指導(dǎo)意義。

通過(guò)風(fēng)阻優(yōu)化、制動(dòng)卡鉗優(yōu)化、輪轂軸承優(yōu)化、分網(wǎng)段休眠技術(shù)、電機(jī)余熱利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了能耗和續(xù)駛里程的提升，優(yōu)化后常溫能耗降低了7.8%，低溫續(xù)航保持率提高了5.2%，該方法對(duì)于降能耗工作效果及效率提升均有借鑒意義。

內(nèi)容來(lái)源于鳳珠.純電動(dòng)汽車能量流向及降能耗措施分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2023,48(03):20-27.；