基于不同车速的纯电动汽车能耗分析研究①

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(1.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064；2.中国汽车技术研究中心有限公司汽车工程研究院，天津 300300)

0 引 言

随着国内电动汽车政策的激励以及购买者消费观念的转变，近两年纯电动汽车市场一片繁荣景象[1]。目前对电动汽车能耗研究多是以特定循环工况作为运行工况[2～4]，如NEDC，WLTC循环等，以此作为分析测试车辆经济性的基础。然而纯电动汽车中的动力电池、电机以及传动机构的输出特性都与速度有很大联系。通过对测试车辆进行10-80km/h分速能耗测试，分析微型电动汽车在不同车速运行中的细分能量消耗情况，计算各车速下关键用电设备的工作效率，了解测试车辆经济性情况。研究不同行驶速度下测试车辆能量消耗和关键用电设备工作效率，对后续车辆性能优化提升有重要作用。

1 测试车辆相关参数

测试车辆选用一款能量源为三元锂离子电池的微型纯电动汽车，动力电池容量为21kW·h，车辆各相关参数如下表1：

表1 车辆参数

作为数据处理分析的重要依据，根据测试得到的车辆在道路上等速行驶时的阻力，绘制出行驶过程中的道路阻力曲线如图1。

图1 车辆道路阻力曲线

测试在底盘测功机上进行，利用电流探头、功率分析仪监测试验过程中动力电池、电机控制器、DC/DC变换器等主要部件的电流、电压等相关物理量。

2 试验设计与评价指标计算

2.1 实验设计

参考国标《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》，测试前车辆需通过车载充电机加载220V交流电源充满电，静置1-2小时后方可进行能耗测试[5]。

图2 监测点连接图

图2为电信号监测点的连接图，在高压配电盒与动力电池、电机控制器、DC/DC变换器之间分别连接电流传感器和电压传感器；在电机控制器与驱动电机的三相电之间连接电流传感器和电压传感器；在DC/DC变换器与12V蓄电池之间连接电流传感器和电压传感器；在12V蓄电池输出端连接电流传感器和电压传感器。

测试分八个不同车速持续进行，分别是10km/h，20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h，80 km/h。测试过程中车辆在每个速度段运行时间约为2.5min，每一点对应的速度公差应当控制在±2km/h[6]。底盘测功机和功率分析仪的采样频率均为5Hz.测试过程中车速随时间的变化关系如图3所示。

图3 试验行驶工况

2.2 能量消耗、效率分析与计算

分析计算各车速段电机控制器、DC/DC变换器等主要部件的效率以及驱动力耗能、驱动系统耗能占动力电池总耗能的比例有利于为降低整车能耗提升续航里程找到突破口。

2.2.1 行驶阻力与能耗分析

汽车在行驶时受到滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力多重阻力影响，根据车辆行驶阻力方程得汽车行驶的总阻力[7]，即驱动力为

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

式中，Ft为行驶阻力之和，即驱动力，N；Ff为滚动阻力，N；Fw为空气阻力，N；Fi为坡度阻力，N；Fj为加速阻力，N。而Ff、Fw可以用速度的二次多项式函数表示；Fj由平动质量和旋转质量m产生；Fi与坡度相关，在试验时做常数处理[8～9].则车辆行驶阻力方程可整理为

(2)

式中，u为车速，km/h；根据测试得到的道路阻力曲线方程，得到系数A、B、C分别为93.805、0.9888、0.0305。

车辆行驶时各车速段对应的驱动力消耗功率为

(3)

图4 驱动力、加速度变化趋势

图5 动力电池、电机控制器输入、电机输入能量

图6 各车速段驱动能量与驱动系统耗能

行驶过程中各车速段消耗能量为：

(4)

2.2.2 主要机构能耗占比与效率

各车速段驱动力耗能占动力电池耗能比例

(5)

各车速段驱动系统耗能占动力电池耗能比例

(6)

各车速段电机控制器效率。

(7)

各车速段DC/DC变换器效率

(8)

各车速段驱动系统效率

(9)

图7 各车速段主要机构能耗占比与工作效率

3 试验结果与数据分析

随着行驶车速逐步提高，测试车辆输出更高的驱动力。由图4可知，测试车辆在各相邻车速段的较低速度向较高速度提速时，加速度和驱动力有明显的快速升高趋势，速度在新的车速段稳定后，驱动力降低，但相对前一个车速段的驱动力有所升高。在测试的最后阶段，为了使车辆快速停车，加速度产生一个非常剧烈的降低，大约为-2.3m/s2，车辆进入制动能量回收模式，轮边制动力为2337N。

为了在不同车速段给予测试车辆足以按目标车速运行的动力，动力电池逐渐提高各车速段输出的能量。各车速段动力电池消耗能量如下，如图5所示。随着车速升高，各主要用电设备的耗能也随之增加。

如图6，测试车辆车轮处的驱动力消耗能量伴随车速的升高而提高。由于测试车辆是前置前驱车辆，驱动系统耗能相对较少，并且随车速升高总体呈上升趋势。但是在50km/h和70km/h车速段驱动系统耗能较之于40km/h和60km/h车速段有所降低，出现这种波动的原因可能是测试车辆传动系统的效率特性和驱动电机MAP特性综合导致。

根据图7(a)可以看到随着车速的升高驱动力耗能占电池耗能比例先提高，到50km/h时有最高的占比，约88%，动力电池输出能量大部分用于克服行驶阻力。在60km/h车速段该占比反而有一明显下降，随后又继续提高。在10km/h车速段该比例有最低值52.03%，此时动力电池消耗的能量有将近一半在能量传输的过程中被消耗掉，没有真正用于克服行驶阻力以驱动车辆前进。在20km/h、30km/h车速段的驱动力耗能占电池耗能比例都在75%-80%之间，车速达到40km/h以后，该比例均在80%以上。

相应的，观察驱动系统耗能占电池耗能比例变化趋势，在10km/h和60km/h车速段占比较高，而在50km/h车速段有较低占比。由于测试车辆前置前驱的布置方式，传动系统没有过长的传动轴，驱动系统能占电池耗能比例总体较低，除过10km/h和60km/h车速段以外，其余车速段该比例均在10%以下。在10km/h车速段，虽然驱动系统耗能很低，但是由于动力电池输出能量也很低导致在该车速段的驱动系统能占电池耗能比例较高。在60km/h车速段驱动系统耗能占电池耗能比例较高，这也正是行驶阻力占电池比例在60km/h车速段出现明显下降的原因。为减少驱动系统耗能占比，应当对传动系统特性或电机效率MAP进行优化。

图7(b)显示电机控制器效率呈现单调上升趋势，低速段上升较快，30km/h后上升缓慢，当车速达到40km/h以后该项效率提高到90%以上。传动系效率除了10km/h和60km/h车速段处于85%左右，其余各车速段效率均在90%以上。DC/DC变换器效率随车速的变化有明显波动，这是由于DCDC效率主要受低压附件需求功率影响，在电动汽车进行转鼓测试时，低压附件能耗很低，DCDC输入端电流极低，受测试仪器精度影响产生较大误差。

在40km/h和50km/h车速段的驱动力能耗占比高，这也迎合了该款车型经常以中低速行驶在城市街道的使用场景。通常车速为60km/h时是高效区典型车速之一，而测试车辆的传动系效率在60km/h车速段较低，不利于提高整车经济性。造成这种情况的原因有：车速为60km/h时对应转速并不在驱动电机的高效区；机械传动部件在该车速下功率损失较大。为了使车辆有更高效的能量利用，应当对电机MAP特性、机械转动部件效率特性进行优化，选用高效工作区更宽驱动电机或优化机械传动部件结构[10]。

4 结 语

对一辆纯电动汽车在底盘测功机上进行10km/h至80km/h的分速能耗测试，最终得到以下结论：

(1)随着车速的升高，为了克服由此升高的行驶阻力，动力电池、电机控制器、驱动电机等主要设备输出能量随之提高。

(2)在10km/h车速段运行时，测试车辆的各部件工作效率均处在最低水平。因此在日常使用中为了使车辆以高效率状态运行提高能量的利用情况，应当避免车辆在10km/h车速段运行。

(3)驱动系统工作效率在60km/h车速段出现明显降低。为了缓解如今纯电动汽车使用者的“里程焦虑症”，提高电池能量利用率，应当优化传动系统结构设计，提高在该速度下的传动系统效率；对驱动电机重新匹配，改善电机运行性能。