NEDC工况电机系统平均效率优化方法

2023-04-28白志浩黄锐锋陈晓阁王洪佩

北京汽车 2023年2期

关键词：里程电动区间

白志浩，黄锐锋，陈晓阁，王洪佩

NEDC工况电机系统平均效率优化方法

白志浩，黄锐锋，陈晓阁，王洪佩

Bai Zhihao，Huang Ruifeng，Chen Xiaoge，Wang Hongpei

（菏泽职业学院交通工程系，山东菏泽 274000）

基于NEDC(New European Driving Cycle，新欧洲驾驶循环)工况将某款电机系统的实际工况点分为电动工况点和发电工况点，并采用Python数据处理工具分别计算电动工况点的消耗能量和发电工况点的发电能量，根据二者的能量分布，确定重点优化区间，将优化后数值带入模型进行仿真，结果表明，优化后电动平均效率提升1%、发电平均效率提升1.58%、续驶里程提升1.3%，验证了电机系统平均效率优化方法的有效性。

效率优化；Python；平均效率；能量分布

0　引言

随着我国新能源汽车产业政策的引导以及消费者环保意识的提升，新能源汽车市场蓬勃发展，消费者对纯电动汽车的续驶里程尤为关注，厂商也往往将NEDC(New European Driving Cycle，新欧洲驾驶循环)工况下车辆续驶里程作为卖点。提升续驶里程有两种方法，一是增加电池存储能量，但这不仅增加了车辆安全隐患，而且使车辆成本升高，一定程度上降低了产品竞争力；二是在不增加电池存储能量的同时尽可能提升车辆能量使用效率[1-3]，降低整体能耗，这种方法虽不能大幅提升续驶里程，但在不增加车辆成本的前提下实现续驶里程小幅增加，从而提升了产品竞争力。本文针对一款纯电动汽车的动力系统，通过Python计算优化其电机部分效率点，提升电机系统在NEDC工况的整体平均效率，提升车辆的续驶里程。

1　电机平均效率优化

1.1　NEDC工况

汽车能量经济性常用一定工况下汽车行驶一定距离的能量消耗量或者一定能量使汽车行驶的里程值进行衡量。运行工况可以选择等速行驶工况或者模拟汽车实际行驶的典型工况，其中等速行驶工况与汽车实际道路运行工况有很大出入，前者无法模拟城市道路行驶过程中的频繁加减速、怠速停车等工况。为了更好地模拟实际道路行驶工况，各国制定出一些典型循环行驶试验工况，据此进行能量经济性评价，我国采用NEDC工况。NEDC由4个模拟市区运转循环和1个模拟市郊运转循环组成，市区工况的平均车速为19 km/h，总时长为780 s，行驶距离为4.052 km，市郊工况的平均车速为62.6 km/h，最高车速为120 km/h，总时长为400 s，行驶距离为 6.955 km。

1.2　电机效率优化区间

1.2.1NEDC工况离散化

由于NEDC工况包括车辆加减速过程，所以电机效率优化分为电动效率优化和发电效率优化，在选择电机电动或者发电优化区间之前，首先需要明确哪些工况点属于加速或者匀速工况，哪些工况点属于减速工况，本文将加速和匀速工况点设置为电动工况点，将减速工况点设置为发电工况点。此分类需对NEDC工况进行离散处理[4-5]，基本原则是区间设置足够小，同一区间的系统状态基本保持不变。本文对NEDC工况进行离散化，将工况总时长划分为 1 180个区间，每个区间对应的时长为1 s，共得到1 180个工况点，每个工况点以序号、车速、加速度3个参数来表示，见表1。

表1　离散后的NEDC工况点

表2　电动工况点

车辆制动过程中执行整车能量回收策略，需对发电工况点进一步处理。整车能量回收策略规定当车速小于10 km/h或者车辆减速度大于0.15时，车辆停止能量回收，据此剔除部分工况点后得到发电工况点160个，见表3。

表3　发电工况点

1.2.2电机能耗分布计算

将NEDC工况离散后，根据每个工况点的车速、加速度和持续时间计算该点的电机输出能量[6-7]。

电动工况点电机输出和输入能量计算见式（1）～（3）。

=(cos+sin+d2/21.15+

d/d)/3600 （1）

E输出_电动=×t（2）

E输入_电动=E输出_电动/电动（3）

式中：为车辆满载质量；为滚动阻力系数；为道路坡度；d为风阻系数；为车辆迎风面积；为电动工况下第个工况点电机输出功率；为重力加速度；为车辆速度；为车辆的转动惯量系数；E输出_电动为电动工况下第个工况点电机系统输出功；t为电动工况下第个工况点对应的时间区间的时长；E输入_电动为电动工况下第个工况点电机系统输入功；电动为电动工况下第个工况点电机系统效率。

发电工况点电机输出和输入能量计算见式（4）～（6）。

=(cos+sin+d2/21.15+

d/d)/3600 （4）

E输出_发电=（5）

E输入_发电=E输出_发电/发电（6）

式中：T为发电工况下第个工况点对应的时间区间的时长；E输出_发电为发电工况下第个工况点电机系统输出功；E输入_发电为发电工况下第个工况点电机系统输入功；发电为发电工况下第个工况点电机系统效率。

由式（7）、（8）得出NEDC工况电机电动总输出总输出_电动和总输入总输入_电动，由式（9）计算出电动平均效率电动_平均。

总输出_电动=1输出_电动+2输出_电动+…+

995输出_电动（7）

总输入_电动=1输入_电动+2输入_电动+…+

995输入_电动（8）

电动_平均=总输出_电动/总输入_电动（9）

同理，由式（10）、（11）得出NEDC工况电机发电总输出总输出_发电和总输入总输入_发电，由式（12）计算出发电平均效率发电_平均。

撬出来的榕树震了一下，纷黄的泥土喷了满街，那些人却没有动，我眯着眼吐着泥尘，仰起头，却发现我妈的眼里飞过一道水光，她很快抬起手擦了擦。

总输出_发电=1输出_发电+2输出_发电+…+

160输出_发电（10）

总输入_发电=1输入_发电+2输入_发电+…+

160输入_发电（11）

发电_平均=总输出_发电/总输入_发电（12）

电动、发电可通过插值法得到，本文采用Python结合第三方库NumPy和Pandas编程，得到插值程序，插值方法为“最近取值法”，如图1所示，并根据电机效率实测数据对电动和发电工况点插值计算，得到每个工况点的效率。

图1　基于Python的工况点效率插值程序

将计算出的每个工况点的输入和输出能量按照转速和扭矩进行划分，得出整个NEDC工况电机系统特定转速和扭矩范围的输出能量分布。

将电动工况转速划分为0～＜500 r/min， 500～＜1 000 r/min，…，9 500～10 000 r/min，将扭矩划分为0～＜10 Nm，10～＜20 Nm，…，60～70 Nm。

将发电工况转速划分为0～＜500 r/min，500～＜1 000 r/min，…，9 500～10 000 r/min，将扭矩划分为＞－10～0 Nm，＞－20～－10 Nm，…，－50～－40 Nm。

上述工况点样本量较大，进行电机特定转速和扭矩范围的输出能量分布计算时，采用Python结合第三方库Openpyxl编程，如图2所示。

经过计算得出NEDC工况下电动能量和发电能量的分布，见表4、表5。

表4　电动工况点能量分布

注：电动工况点能量分布=区间能量/总输出_电动×100%。

1.2.3电机效率区间选择

从表4、表5可以看出各区间的能量分布情况，其中电动能量占比前20的区间累积占比电动总能量85%，发电能量占比前20的区间累积占比发电总能量73%，可将占比前20的区间作为电机电动和发电效率的优化区间，结合能量分布和电机实测效率值，选取部分工况点进行效率提升，将选取的效率可优化工况点输入给电机工程师进行专业调校。