提升商用纯电动汽车续驶里程的技术研究

2022-12-02赵建新王自立牛振华

内燃机与配件 2022年19期

赵建新，吴舟，王自立，牛振华

(安阳职业技术学院，河南安阳 455000)

0 引言

作为解决能源匮乏问题和汽车尾气引发的气候问题的最佳方案之一，纯电动汽车已成为红海世界并被世界各国重点关注[1]。到2035年，节能汽车与新能源汽车年销量各占50%，汽车产业实现电动化转型，随着纯电动汽车电池的技术性能等相关技术的不断进步，并逐步走向成熟，纯电动汽车将会接近或者达到燃油汽车的性能水平[2]。

近年来，随着纯电动汽车进入千家万户，由于电池容量的限制，纯电动汽车续驶里程较短，而提高纯电动汽车的续驶里程在很大程度上可以缓解用户的“里程焦虑”，合理的续驶里程可以指导用户出行。尽管我国出台了一系列的补贴政策，但是受限于纯电动汽车一次充电的续驶里程太短、售价过高以及充电设施不健全等因素导致我国消费者对纯电动汽车认可度不高。以往的研究表明行驶工况对纯电动汽车整车的控制策略和能量消耗方面有较大的影响，同一款汽车在不同工况下的续驶里程差异较大[3-5]。除此之外，在行驶的过程中影响车辆续驶里程的因素有多种，包括驾驶员的操作特性、车辆自身的参数、道路及环境等等。本文以某型号商用车为例，根据纯电动商用汽车的控制原理，确定提高续驶里程的措施主要有电机控制、动力电池管理和整车设计方面，分别对其控制策略的优化进行分析，从而提出提高续驶里程的措施。

1 电动汽车控制系统工作原理

要想提高纯电动车续驶里程，首先要知道纯电动汽车控制系统是如何工作，以某款商用车为例，其控制系统工作原理如图1所示，通过驾驶者控制踏板及档位操作、动力系统的相关信息及车辆自身状态的判断，给出模拟电子信号给控制器或处理器，选择驱动模式后，由控制器或处理器将模拟信号处理后控制电动机的输出功率、转速及正反转。纯电动车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆，其由电力驱动及控制系统、驱动力传动机械系统组成[6]。结合控制系统原理图，可知提高措施主要有三方面：1、电机控制；2、动力电池管理；3、整车设计。分别对其介绍如下：

(1)整车控制部分:

整车控制部分主要是判断操纵者意愿，根据车辆行驶状态和电池、电机系统的状态合理分配；

(2)电机及电机驱动部分:

电机及其驱动部分功能是电能和机械能的相互转换的子系统，其功能是接受整车控制器的转矩信号，驱动车辆行驶、转向和再生制动回馈能量，同时监控电机系统状态并故障报警和处理。

(3)电池、电池管理和电压转化部分:

这部分的作用主要是进行能量的贮存及能量的释放、需要电压的转换和电池状态的检测等等。

整车控制(VCU)、电池管理(BMS)及电机管理(MCU)三个部分的结构如图2:

2 电机控制方面

2.1 使电机工作在高效率区间

(1)普通单电机在低速、高速轻载等情况下，效率降低较多

通常电机的最高工作效率区在高转速区域(>4000rpm)，对应的车速大致为65～80km/h，如图3所示。在高效率区间方面，电动机虽然比内燃机大的多，但是汽车对转速和转矩的要求范围太宽：良好的的加速能力和爬坡性能需要大的扭矩，而速度从0到100km/h以上则对转速范围区间有非常高的要求。

虽然在大部分中高速工况下，电动机的效率都能很高，但是在市内低速重载、低速起步、低速轻载、高速轻载等情况下，电动机的效率相对于高效率区间会下降20～30%。因此，使电机工作在高效率区间是很关键的一步。

如果设计单电机能够满足高扭矩和高转速的区间，则设计及制造的困难程度大，车身总重量也会大。

(2)双电机可以提高高效率区间

可以通过搭配不同的电机构成双电机系统，能使系统工作的高效率区间大大增大，提升在低速重载、高速轻载等情况下的效率。双电机系统还可以提高制动时能量回收的效率。驱动效率和回收效率是不同模式下的两种效率，两者其实是一回事，当在电动模式下工作的时候是驱动效率，在发电模式下工作的时候就是回收效率，双电机模式下会拥有更多的高能量回收效率区间，从而可以提高制动能量回收的效率。使用双电机系统还可以解决单电机系统动力中断的问题。单个电机可以通过搭配多档位变速箱达到更高的效率，但是如果搭配变速箱，在变速的过程中就会有换档动力中断的现象，而使用双电机系统协调控制则不会出现此情况。

以某车型为例，以下几种阶段是双电机系统在不同的速度工况下是如何配合工作，从而实现更高的效率，其中TM电机负责主驱，BM电机负责辅助。

在低速范围内，TM 电机工作。当需要全加速时，BM电机与1档连接。两者扭矩耦合，叠加扭矩7S左右即可轻松实现百公里加速；

在中高速范围内，系统根据工作条件自动选择工作电机，使系统始终处于高效率范围内；

在高速轻载范围内，系统将BM电机连接到2档，通过转速耦合，两台电机仍可在高效段工作。

2.1 最大限度增加能量回收

制动能量回收控制的工作原理是电动车在制动和滑行的时候，永磁同步电机变成发电机，发出三相交流电，通过电机控制器转变成动力电池的高压直流电，给动力电池充电，在足够的制动扭矩的基础上最大限度地回收能量，以满足纯电动汽车的制动安全距离和制动性能。

当制动强度较小时，再生制动力矩完成制动，保证制动系统的安全性和稳定性。电机制动能力受限于最大制动力矩和功率限制，当制动强度较大，再生制动力矩也不可能超过当前转速下的最大扭矩。当制动强度较大，即当地面附着力增加时，电机的最大再生制动力只能满足部分制动强度需求，其他制动需求由液压制动系统提供。电机再生制动和液压制动的结合使得制动力的分配控制策略更加的复杂，必须在保证车辆运行安全的基础上进行合理分配，否则会影响实际的控制效果，具体是否需要电机制动，且能否满足能量回收条件，取决于车辆实时运行工况。若只以增大能量回收为目标，会严重降低整车动力性和舒适性，甚至影响其它零部件寿命和人身安全。能量回收条件较为苛刻，如果回收能量≤回收过程所消耗的能量，能量回收得不偿失。此外，能量回收还受当前动力电池允许的最大回充电流和SOC限制。

3 动力电池管理方面

3.1 续驶里程估算

续航里程计算功能，根据BMS剩余电量和单位能耗行驶的里程数，计算出车辆的续驶里程。

计算公式：

总能量=SOC*当前电池最大电压(V)*电池额定电量(Ah)

单位能耗 = SOC变化量*电压变化量*电量变化量

续航里程Sres=单位能耗行驶里程*(总能量-∑单位能耗)

从公式可知，续驶里程取决于动力电池总能量，重点影响参数为电池电压和电量；因此，当电池匹配和选型确定后，从整车能量管理角度考虑，续驶里程几乎没有太大优化空间。

3.2 改善能量管理，降低不必要能量使用率

(1)适当提高动力电池SOC的使用范围

适当提高动力电池SOC使用窗口，如[10, 100]%。需要注意动力电池在低SOC情况下的输出电流/功率限制，需要保证输出的功率限制能够满足固定匀速时的功率需求；同时为了尽可能多的接受回收的能量，应满足所设定的峰值充电功率/回充功率要求。

各单体SOC一致性很大程度上决定了动力电池组放电能力，因此动力电池的充放电能力受单体充放电能力的影响，其中在低温、低SOC的情况下，单体电池的充点电能力会受到限制；在低温、高SOC的情况下，单体电池的充电/回充功率也会受到影响[7]。因此，动力电池SOC的设定范围应结合整车动力系统峰值功率需求确定。

SOC可用范围的大小关键还取决于锂离子电池参数的准确性和BMS算法的准确性。同时在确保电池安全运行的前提下，面对各种工作条件，BMS策略和算法不能一刀切，需在多个层次上准确实施[8]。在锂离子电池安全运行的前提下最大限度的发挥电池能力，优化最大化SOC使用范围。

(2)降低车辆附件能耗

在车辆行驶过程中，车辆上的其他电气设备的功率需求会消耗一部分电能。这些电气设备包括除了由用户操作的空调、娱乐系统和照明系统之外，还有车辆运行过程中自身需要消耗的电能，例如各个控制器的电源消耗，热管理系统的消耗(比如冷却电机，水泵、冷却风扇)等等[9]。在保证车辆正常运行的情况下，降低这部分的电气附件能耗或者使用更加节能的硬件，也有利于提高续航里程。

4 整车设计方面

能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。整车行驶的续驶里程便是电池供给电机的能量克服整车的行驶阻力产生位移的一个过程。因此要想提升续驶里程，最核心也是最基础的方式就是开源节流，所谓节流之一就是降低整车的行驶阻力。

由整车动力学模型可得整车阻力公式如下：

因此，降低能耗的方式就是降低各个部件的阻力：在轮胎和地面的阻力方面，如使用低滚阻轮胎、整车轻量化；在车辆自身阻力方面，通过优化电机控制策略、由IGBT到SIC的转变等提高控制器的效率，通过合理选择线型材料、优化热管理、合理选择电机、多电机功率分配等来提高电机自身效率，另外还可以从减速器、差速器、轮毂及传动轴等方面进行优化，提升效率；在风阻系数方面，如使用更加平整的底盘、低风阻车轮、整车造型优化、电子后视镜优化等；在迎风面积方面，例如可以优化乘坐空间、降低车高等；此外，在高低压电器、电池放电效率及策略、能量回收等方面进行优化。

在整车控制策略优化方面，可使车辆运行于经济模式。经济模式主要是指车辆以较低的速度在平直路面上行驶，速度没有太大变化或尽可能的匀速行驶模式，此时可以使电机工作在高效区，提高能量利用率，延长电动车的续驶里程；同时整车降低或关闭其它用电设备。若为测试工况可设置为匀速行驶；但如果是实际行驶工况，经济模式下动力性大大降低。或可以考虑的方面包括：减小力矩输出；如果行驶工况有较多的大距离滑行，可以减小或关闭滑行制动回馈。