基于能量流分析的纯电动车电耗关键技术研究

程庆湖，肖文龙，黄炯，陈瑶，高少俊，颜溯，石玉玮

基于能量流分析的纯电动车电耗关键技术研究

程庆湖，肖文龙，黄炯，陈瑶，高少俊，颜溯，石玉玮

（江铃汽车股份有限公司整车性能及测试部，江西 南昌 330000）

所谓电动汽车整车能量流研究，就是从系统集成的角度出发分析电动汽车动力总成中能量的转换、传递和回收过程。为全面了解车型能耗的分布情况，以及识别出对能耗影响的相关因子。文章在动力总成台架上对纯电动汽车进行了能量流测试，同时在单体电机台架上对电机系统进行效率测试。通过对整车能量流的测试对纯电动车型降低能耗提出了关键技术路径。文章以重型车在CWTVC工况下的能耗测试为例，研究出该车型的能耗优化路径。

整车能量流；动力总成台架；单体电机台架；CWTVC工况

前言

环境污染与能源危机是我国汽车产业发展所面临的巨大挑战[1-2]。探究汽车节能技术，提高电动汽车能耗利用率具有重要战略意义[3]。目前根据个人驾驶习惯，制动损失的能量约占汽车总能耗的30%。因此，增设制动能量回收与再利用系统，具有重大现实及深远战略意义[4]。如何提高整车能耗利用率，是目前所有工程师需要解决的问题，整车能量流的测试对研究电动汽车的能耗分析有重要作用，首先通过能量流测试可以全面了解车型能耗的分布情况；其次定量地找到样车与标杆车型之间的能量消耗差异；最后确定最有效改善能耗水平的着手点同时预测不同的改进措施对整车能耗的影响程度。

目前针对BEV的能量流分析主要以can报文采集数据分析或者Advisor和Cruise仿真分析为主，前者因Can数据的滤波会与实际测试的有所偏差，后者则主要用于趋势性分析或者对标。两者测试效果均不佳，本文通过实际搭建动力总成台架测试分析平台，并利用功率分析仪/数据采集设备进行实测，同时对电机系统总成进行效率测试。本文通过模拟实车行驶状态来获取相关测试数据，基于实测结果进一步提出降能耗优化建议。

1 台架搭建及测试原理介绍

1.1 动力总成台架搭建

电动汽车的能量传递主要是通过动力总成传递，动力总成主要由电池、电控、电机、传动系统组成。在动力传递的每一个环节都会有能量的损失，实际整车行驶过程中附件也会消耗电池能量，但是由于在CWTVC工况下电器件是全关状态，故附件损耗相对较小，本文未将其考虑在内，做能量流分析时需要把每一部分损耗的能量都测试出来，这对台架测试设备测试精度提出了较高要求。本文的动力总成台架能量流测试原理图如下图1所示；动力总成台架如下图2所示。

图1 动力总成台架测试原理图

图2 动力总成台架

上图1 电池包模块是由专门的供电柜模拟电池包供电，在供电柜与电控（MCU）之间以及MCU与电机之间通过电流钳及功率分析仪来采集输入/回收的电压电流，在输出的传动轴上贴扭矩应变片传感器用于采集电机输出扭矩，在传动系统的驱动半轴两端连接有两个高精度测功机可以采集到传递过来的转速及扭矩。图1中蓝线为驱动工况下能量流动方向，绿线为回收状态下能量流动方向。为了能够更加真实的模拟出样车在实际道路行驶状态，台架上专门配备了如图2蓝色水管所示的冷却水对电机及其控制器进行冷却，冷却水有专门的控制柜进行控制，可随时调整进入电机系统的温度，故能够更好的模拟出实际行驶状态。

1.2 单体电机台架搭建

将整车电机系统拆卸下来后，直接安装在如下图3所示的单体电机台架上进行测试，测试原理图如下图4所示，单体电机台架前半部分与动力总成台架相似：供电柜模拟电池包进行供电，通过专门的冷却水控制装置调节电机系统冷却水路温度和流量，在供电柜、MCU、电机三者之间连接电流钳和功率分析仪测试输入输出电压、电流信号，电机输出轴上安装应变片装置测试电机输出扭矩。另外，电机输出轴承上安装温度及振动位移传感器监测台架在安全范围内运行。通过台架控制系统控制电机工作扭矩，加载测功机控制电机工作转速，控制电机系统冷却水温和流量，比较不同温度下电机全转速、扭矩范围内电机系统能量传递、转化效率。分别测试了15℃和35℃循环水温下的电机效率map。

图3 单体电机测试台架

图4 单体电机台架测试原理图

2 试验测试分析

2.1 动力总成能量流测试结果分析

台架测试主要边界条件如下：模拟整车测试质量：3510kg；摸底道路阻力加载系数：a=0.0634，b=0.1749，c=330.6707；后桥速比：4.556。如下图5- 7分别测试了MCU单点效率，电机单点效率，传动系统单点效率。

图5 MCU单点效率

图6 电机单点效率

图7 传动系统单点效率

在单点效率基础上，分别对各个模块的功率积分，就可以得到整个工况下各模块效率值，计算公式如下所示：

上式（1）（2）（3）（4）中：U、I为MCU输入电压电流；三相电功率为MCU输出功率即电机输入功率；Ttq，n为电机输出扭矩和电机转速；T'tq，n'为测功机两端吸收的扭矩和转速，Fabc为加载的道路行驶阻力，V为车速。根据上述计算方式得出了整车台架能量流测试结果如下图8所示，从测试结果来看：整车能耗有10%是电驱系统的损耗，69%是用于克服道路行驶阻力，另外9%是制动损失，能量回收占12%。

2.2 单电机台架测试结果分析

图9 不同温度下的电机效率图

单电机台架上分别测试了在循环水温为15℃和35℃下的电机效率map，图9是使用Unniplot软件绘制的电机系统效率map图，为了体现实际运行工况时候的效率，在如下电机系统map上增加了样车在CWTVC工况下的工况点。从下图9对比发现电机在35℃的循环水温下效率要高于电机在15℃的循环水温下的效率。

3 结论

整车能量管理平台进一步的应用是体现在整车及系统控制策略的优化升级、节能及实车验证等方面。本文所搭建的动力总成台架及单体电机台架能够实时、同步采集多通道电压和电流、扭矩、瞬时转速等信息，测试系统集成度高，扩展性好，采集数据准确、可靠。针对该车的能量流测试主要结论及建议如下：

（1）动力总成台架测试中，该车有69%的能耗损耗在行驶阻力上，故要减少能耗必须降低样车行驶阻力，可以通过降低空气阻力，滚动阻力达到降低样车行驶阻力的目的。

（2）动力总成台架测试中，能量回收只有12%，同时制动损耗还有9%，为提高能量利用率，可以适当的增大能量回收减少制动损失能耗损失的比例。

（3）单体电机台架测试中，为使得电机处于更加高效的运转区间，在整车系统控制策略制定时应该通过热管理系统[5]使电机温度包持在合适的温度区间。

[1] 胡晓春,张宝吉,蒋福康.汽车节油迫在眉睫[J].中国工程科学,2013, 15(10): 10 -15.

[2] 刘兰剑.中国汽车节能减排政策与美日比较研究[J]中国科技论坛, 2010 (6) :155 -160.

[3] 吴媞,刘鹏飞,张小龙,等.车辆部件节油虚拟测试系统设计与快速分析.汽车工程.2016,38(4),515-520.

[4] 李欣,王佳节.能汽车制动能量回收与再利用,机械设及与制造. 2016,(4),91-97.

[5] 戴鑫鑫,李红洲,陈海娥,等.整车热管理分析在产品开发中的应用.中国汽车工程学会年会论文集,2010.

Research on Technologies of Electric Power Consumption of Battery Electric Vehicle

Cheng Qinhu, Xiao Wenlong, Huang Jiong, Chen Yao, Gao Shaojun, Yan Su, Shi Yuwei

( Jiangling Motors Co., Ltd.,Vehicle Performance and Testing Department, Jiangxi Nanchang 330000 )

The research on the energy flow of electric vehicle is to analyze the process of energy conversion, transmission and recovery in the power assembly of electric vehicle from the perspective of system integration. In order to fully understand the distribution of vehicle energy consumption and identify the relevant factors affecting energy consumption. In this paper, the energy flow of pure electric vehicle is tested on the power assembly bench, and the efficiency of the motor system is tested on the single motor bench. By testing the energy flow of the whole vehicle, the key technology paths for reducing energy consumption of pure electric vehicles are put forward. Taking the energy consumption test of heavy-duty vehicle under CWTVC condition as an example, this paper also can give the suggest of improve the energy consumption.

Vehicle Energy Flow; Power Assembly Bench; Motor Bench; CWTVC

U469.7

A

1671-7988(2019)14-07-03

U469.7

A

1671-7988(2019)14-07-03

程庆湖，本科，工程师，就职于江铃汽车股份有限公司整车性能及测试部，研究方向：整车属性集成。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.002