纯电动汽车能量消耗优化仿真与试验研究

2019-09-21张宸维林方圆

汽车实用技术 2019年17期

关键词：能量消耗动力电池里程

张宸维，林方圆

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥 230601）

前言

纯电动汽车零排放、无污染，发展纯电动汽车是迈向汽车强国的必由之路[1]。纯电动汽车的续驶里程及能量消耗为整车关键指标，直接影响用户购车意愿。

纯电动汽车能量消耗的评价指标包括续驶里程、单位里程容量消耗、单位里程能量消耗、单位容量消耗行驶里程和单位能量消耗行驶里程等[2]。

本文在理论分析和实践基础上，从能量消耗现状分析与优化后分析相结合，降低了各主要部件的能量消耗，进而降低了整车的能量消耗，提高了整车的续驶里程，对纯电动汽车的能量消耗优化进行仿真和试验研究。

1 纯电动汽车能量消耗计算模型

根据汽车纵向受力确定汽车行驶时驱动力-行驶阻力平衡方程，就可以利用受力关系得出汽车的总阻力。

汽车在水平路面上行驶的总阻力为[5]：

式中：Ff，Fi，Fw，Fj分别为汽车行驶时的滚动阻力、坡度阻力、空气阻力、加速阻力；f 为滚动阻力系数；m 为汽车质量；a 为坡度角；CD为空气阻力系数；A 为迎风面积；u为汽车行驶速度；g 为重力加速度；δ 为汽车旋转质量换算系数；du/dt 为汽车行驶加速度。

本文主要针对纯电动汽车能量消耗进行优化分析。

汽车功率平衡方程式（2）：

式中：Pe——汽车行驶功率，kW；

i——道路坡度值。

若不考虑纯电动汽车在行驶中电器附件的能量消耗，纯电动汽车单位里程能耗可由式（3）表示[3]：

式中：E 为单位里程能耗；t 为工况行驶时间，S 为工况行驶的距离。

能量消耗是动力电池端输出功率积分的过程。为驱动车辆，动力电池输出功率应等于阻尼功率、传动装置中的功率损耗、电动机驱动功率以及在电子仪器设备中所含的功率损耗。传动装置和电动机驱动中的功率损耗分别通过各自的系数ηt和ηm予以描述，于是，在没有附加载荷的情况下，动力电池的输出功率可表达[4]为：

等速行驶S 行程时，其单位里程能量消耗，如式（5）所示：

式中，t 为车辆行驶运行时间。

2 能量消耗优化措施分析

为了优化车辆的整体性能，提升纯电动轻型物流车辆在不同工况和环境下的续航里程和经济性，需要从各个层次来提升各个部件的能效，降低附件的能量消耗占比。

以某纯电动汽车为研究对象，从整车阻力、能量回收、动力电池系统、电驱动系统、电气系统等方面进行分析。

2.1 整车阻力

汽车阻力主要来自滚动阻力、风阻、坡道阻力和加速阻力，风阻与车速的二次方成正比，车辆在高速巡航时空气阻力显著增加，滚动阻力变化不大，因此开发低风阻导流罩，降低整车风阻，优化整车能耗及增加整车续驶里程。

车辆在低速行驶时，滚动阻力对整车影响加大，因此需要开发低滚阻轮胎，降低整车滚动阻力。

2.2 能量回收

通过NEDC 工况下制动能量回收电流、电压采集，确定瞬时回收功率，对时间积分得出整个工况循环中制动能量回收的能量，优化控制能量回收扭矩MAP，将加速踏板用于能量回收，实现车辆减速和滑行，车辆减速与加速踏板的位置有关，加速踏板踩踏越轻微，减速越强烈。在有预见性的驾驶方式下，仅借助于油门踏板就能实现特别高效的动能回收和舒适驾驶。提高NEDC 工况下制动能量回收贡献率，由7%提升至10%。

2.3 动力电池系统

通过电芯能量密度提升，电池包箱体结构轻量化设计等措施，对动力电池系统能量密度进行提升，由125Wh/kg 提升至140Wh/kg。

动力电池的成组方式、散热量、电芯类型、电池内阻等影响电池组能量转换效率，通过成组优化、热管理优化等措施，常温下电池组输入及输出的能量转换效率，由93%提升至95%。

2.4 电驱动系统

通过分析PCU 母线上的电压、电流确定电驱动系统的瞬时功率，对时间积分得出工况下电驱动系统能量消耗，对电驱动系统MAP 进行优化，驱动电机系统最高效率由93%提升至95%，电驱动系统效率大于80%的区域由80%提升至85%。

2.5 电气系统

通过分析高压盒连接电动转向泵DCAC、DCDC 等电气附件线缆上的电压、电流确定电气附件的瞬时功率，对时间积分得出工况下电气附件能量消耗，根据车辆运行需求优化电气附件开关状态及控制策略，降低电气附件消耗能量。

2.6 充电系统

通过分析充电时各部件能量消耗，研究充电时各部件电流和内阻、接触电阻，特别是水泵消耗电量。研究充电时，充入电池能量、高压线缆消耗能量、充电桩消耗能量、充电器消耗能量、电池组消耗能量、DCDC 输入端能量、热管理和空调消耗能量等，优化充电策略，结合动力电池组输入及输出的能量转换效率提升，整车充电效率由88%提升至90%。

表1 能量消耗优化措施分析

以上各工况复测3 次记录结果，测试结果表明：部分负载加速性能扭矩跟随踏板需求，过程无异常抖动。

3 能量消耗优化仿真分析

AVL-CRUISE 软件是研究汽车能量消耗的高级模拟分析软件。本文将应用CRUISE 软件对纯电动汽车进行能量消耗分析。

基于CRUISE 仿真软件，建立整车仿真模型，对车辆中影响功率分配和能量消耗的关键部件进行建模，针对被控对象模型和控制模型进行多特性的分析，选择设定的能量消耗计算任务和工况，研究能量消耗优化后的参数分析。整车仿真模型如图1 所示。

图1 纯电动汽车仿真模型

纯电动汽车每百公里能耗对电动汽车的能量消耗评价十分重要，而电动汽车各参数对每百公里能耗的影响也不一样。

本文选择NEDC 工况为道路循环行驶工况在CRUISE 仿真环境里进行仿真，NEDC（New European Driving Cycle。新欧洲循环工况），它由4 个ECE 工况与1 个EUDC 工况叠加而成[5]。

表2 能量消耗优化前后仿真分析

由表2 可知，该纯电动汽车在能量消耗优化前整车续驶里程仿真值为252km，百公里能耗为38.5kWh/100km，从整车阻力、能量回收、动力电池系统、电驱动系统、电气系统等措施进行优化后，整车续驶里程仿真值提升为为271km，百公里能耗降为35.8kWh/100km，效果明显。

4 能量消耗优化试验分析

结合以上能量消耗优化措施分析和仿真分析，本文基于整车转毂对纯电动汽车进行能量消耗分析。

表3 能量消耗优化前后试验分析

由表3 可知，该纯电动汽车在能量消耗优化前整车续驶里程试验值为254km，百公里能耗为38.2kWh/100km，从整车阻力、能量回收、动力电池系统、电驱动系统、电气系统等措施进行优化后，整车续驶里程试验值提升为为273km，提升了7.5%，百公里能耗降为35.5kWh/100km，降低了7.6%，实车试验结果与仿真分析结果一致性很好。