純電動汽車能量流向及降能耗措施分析

純電動汽車能量流向及降能耗措施分析摘要：能量流向分析是新能源汽車能耗的重要分析手段，通過能量流向分析可全面了解車型電耗的分布情況，定量地找到樣車與標(biāo)桿車型之間的能耗差異，從而確定最有效改善能耗水平的著手點(diǎn)。文章通過理論分析整車能耗機(jī)理，挖掘能耗的關(guān)鍵控制項(xiàng)；自動化控制實(shí)現(xiàn)各種能量相關(guān)的物理量的實(shí)時采集和數(shù)據(jù)處理，并作為降能耗措施的最終驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)?；诟呔葘?shí)測數(shù)據(jù)建立并標(biāo)定整車能量流仿真模型，一方面精準(zhǔn)定位潛在的節(jié)能方向；另一方面作為項(xiàng)目開發(fā)早期預(yù)判的理論支撐，對動力總成構(gòu)架、部件選型及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尋找最利于能耗的解決方案。關(guān)鍵詞：能量流；阻力分解；仿真分析；降能耗AnalysisofEnergyFlowDirectionofElectricVehicleandResearchonMeasurestoReduceEnergyConsumptionAbstract:Energyflowanalysisisanimportantanalysismethodofenergyconsumptionofnewenergyvehicles.Throughenergyflowanalysis,wecancomprehensivelyunderstandthedistributionofpowerconsumptionofvehiclemodels,quantitativelyfindtheenergyconsumptiondifferencebetweensamplevehiclesandbenchmarkvehicles,anddeterminethestartingpointforthemosteffectiveimprovementofenergyconsumptionlevel.Inthispaper,theenergyconsumptionmechanismofthewholevehicleisanalyzedtheoretically,andthekeycontrolitemsofenergyconsumptionaremined;automaticcontrolrealizesreal-timecollectionanddataprocessingofvariousenergyrelatedphysicalquantities,andservesasthefinalacceptancestandardofenergyconsumptionreductionmeasures.Basedonthehigh-precisionmeasureddata,theenergyflowsimulationmodelofthewholevehicleisestablishedandcalibrated.Ontheonehand,itaccuratelylocatesthepotentialenergyconservationdirection,andontheotherhand,itservesasthetheoreticalsupportfortheearlypredictionoftheprojectdevelopment,optimizingthepowertrainframework,componentselectionanddesignparameters,andfindingthesolutionmostconducivetoenergy傳動軸MCU半軸蓄電池consumption.傳動軸MCU半軸蓄電池Keywords:Energyflow;Resistancedecomposition;Simulationanalysis;Reduceenergyconsu-mption在電動汽車的發(fā)展中，續(xù)駛里程和能耗是用戶最為關(guān)注的問題，里程焦慮成為阻礙電動車發(fā)展最主要的瓶頸[1]。目前國內(nèi)外圍繞電動汽車能耗優(yōu)化的研究主要應(yīng)用的方法多數(shù)為整車軟件仿真和系統(tǒng)臺架試驗(yàn)。整車試驗(yàn)由于投入成本較高，試驗(yàn)工況復(fù)雜，尚未得到大規(guī)模應(yīng)用[2]。而且能耗測試在整車上進(jìn)行時，影響因素較多，需要控制的變量也很多，某些因素有微小的變化就可能影響試驗(yàn)結(jié)果從而影響工程師的判斷。能量流向分析是新能源汽車能量消耗的一個很重要的分析手段。通過能量流測試可全面了解車型電耗的分布情況，定量地找到樣車與標(biāo)桿車型之間的能量消耗差異，從而確定最有效改善電耗水平的著手點(diǎn)[3]。另外，根據(jù)能量流測試得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，搭建、校準(zhǔn)整車仿真模型，能夠預(yù)測不同改進(jìn)措施對整車電耗的影響程度，從而大幅減少驗(yàn)證的周期和成本。1純電動車能量流及能耗理論分析純電動汽車僅采用動力電池組作為唯一的動力來源，在行駛的過程中通過動力電池組向各用電系統(tǒng)輸出能量，同時也將再生制動回收的能量存儲進(jìn)動力電池組之中。因此，要建立整車能耗機(jī)理模型，需先進(jìn)行整車能量流分析，如圖1所半耗能元件半(壓耗能元件(低壓)DC/耗能元件(低壓)圖1電動汽車能量流向分析電池輸出的有效能量分為三路，分別供給驅(qū)動電機(jī)控制器（MotorControlUni,MCU）、高壓驅(qū)動電機(jī)、減速器、傳動軸、差速器、半軸到達(dá)輪胎，用于克服車輛行駛阻力，供給DC/DC的能量主要用于給低壓耗電件供電，其余部分用于給高壓耗電件供電。在驅(qū)動能量的傳遞過程中，會出現(xiàn)損耗，即除了有效能量以外的部分，主要包括充電機(jī)充放電損耗、電池充放電損耗、電機(jī)損耗、減速器損耗、傳動系統(tǒng)損耗、輪胎滾阻損耗將上述能量流整理成公式[4]，即純電動汽車能量平衡關(guān)系為Ebattery=Emotor+Eele-Ereg（1）式中，Ebattery為動力電池組輸出的總能量；Emotor為驅(qū)動及傳動系統(tǒng)消耗的能量；Eele為電附件系統(tǒng)消耗的能量；Ereg為電機(jī)進(jìn)行再生制動時回收的能按照車輛運(yùn)行機(jī)理，將上述的三部分能量流信息進(jìn)行分解，即可以得到純電動汽車整車能量耗散機(jī)理模型，即 vt2vt2V＋v＋ma＋airind-V＋v＋ma＋airind2t2acacacactdifac P1＋p)-mvat t2acacacactdifac P1＋p)-mvatbwerbwerfanreg式中，假設(shè)車輛在平坦路面行駛，忽略坡度，為了簡化模型，僅考慮低壓附件系統(tǒng)中最主要的能耗部件（鼓風(fēng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)并將其視為恒功率耗能部件。m為整備質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)；k1、k2分別為滾動阻力系數(shù)中的速度的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)；Cx為空氣阻力系數(shù)；ρa(bǔ)ir為空氣密度；A為車輛的迎風(fēng)面積；v為車速；vwind為ηb為電池放電效率；ηm為電機(jī)效率；ηt為傳動效率；v為行駛過程中的平均車速；Iac為經(jīng)過空調(diào)壓縮機(jī)的電流；Uac為空調(diào)壓縮機(jī)的端電壓；Rac為空調(diào)壓縮機(jī)的內(nèi)阻；kt為反電動勢系數(shù)；ωdif為-33.0kwh25.3kwhPEU減速器車輪MCU＋電機(jī)86.4kwh82.92kwh72.3kwh69.92kwhkwh61.8DC/DC蓄電池輪邊阻力2.64kwh153W 13.4W-33.0kwh25.3kwhPEU減速器車輪MCU＋電機(jī)86.4kwh82.92kwh72.3kwh69.92kwhkwh61.8DC/DC蓄電池輪邊阻力2.64kwh153W 13.4W 3.6W8.2W對標(biāo)車S常溫能量流-21.15kwh-25.21kwhPEU車輪減速器MCU＋電機(jī) 76.65kwh 72.98kwh 60.95kwh 15.75W 0.77W2.57W-29.87kwh-26.59kwh空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速；Pblower和Pfan為為鼓風(fēng)機(jī)和冷卻風(fēng)扇的功率；ηreg為驅(qū)動電機(jī)用于再生制動發(fā)電時的平均效率；v和v'分別為制動前后的車速。2能量流測試2.1能量流測試及結(jié)果分析整車能量流測試在轉(zhuǎn)轂測功機(jī)上進(jìn)行，同時利用功率分析儀采集電池輸出端、MCU輸入端、DC/DC輸入端、電機(jī)輸出端、減速器輸出端以及輪端的功率，進(jìn)而得到能量流向測試數(shù)據(jù)。選取降能耗目標(biāo)車型X和對標(biāo)車S、對標(biāo)車A同時進(jìn)行測試，整車主要參數(shù)如表1所示。目標(biāo)車X常溫能量流表1目標(biāo)車X及對標(biāo)車主要參數(shù)參數(shù)對標(biāo)車S對標(biāo)車A整備質(zhì)量/kg純電續(xù)航里程/km501510500電池標(biāo)稱電量/kWh61.058.861.9風(fēng)阻系數(shù)0.3000.2450.238滾阻系數(shù)/‰6.56.76.7為了轉(zhuǎn)轂上模擬車輛實(shí)際的行駛過程，需要先在道路上進(jìn)行滑行阻力測試，得到整車的行駛阻力曲線并進(jìn)行轉(zhuǎn)轂加載，從而得到常溫中國輕型汽車行駛工況（ChinaLight-dutyVehicleTestCycle,CLTC）行車能量流測試結(jié)果。為找到常溫能耗優(yōu)化方向，選取常溫能耗比較優(yōu)秀的對標(biāo)車S進(jìn)行常溫能量流對比，如圖2所示。電池(可用電量61.11kwh)33.0621kwh177W控制器與儀表等低壓輔件電機(jī)水泵電池水泵散熱風(fēng)扇電池(可用電量55.5kwh)56.5kwh控制器與儀表等低壓輔件輪邊阻力控制器與儀表等低壓輔件輪邊阻力電機(jī)水泵電池水泵散熱風(fēng)扇圖2目標(biāo)車X與對標(biāo)車S常溫能量流測試結(jié)果常溫測試詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。其中，一級分解指標(biāo)中，目標(biāo)車X輪邊能耗和總驅(qū)動效率弱輪邊能量差異約6.0%，主要來源于整車其中目標(biāo)車X風(fēng)阻系數(shù)比對標(biāo)車S大55counts，為主要優(yōu)化方向；目標(biāo)車X總驅(qū)動效率（MCU輸入至輪邊）比對標(biāo)車S低2.9%，其中半軸至輪邊的驅(qū)動效率明顯低于對標(biāo)車S，需要進(jìn)一步阻力分解進(jìn)行分析。此外，充電過程中DC/DC輸出功率較對標(biāo)車仍有優(yōu)化空間。表2常溫測試數(shù)據(jù)序號參數(shù)對標(biāo)車序號參數(shù)1CLTC里程/km5044892能耗/(kWh/100km)13.813.23輪邊能耗/(kWh/100km)12.311.64總驅(qū)動效率/%74.577.45整車充電效率/%87.786.16能量回收率/%29.327.67風(fēng)阻系數(shù)0.3000.2458滾阻系數(shù)/‰6.56.79動力系統(tǒng)效率/%84.383.510半軸至輪邊驅(qū)動效率/%88.492.711充電DC/DC功率/W9329低溫能量流測試結(jié)果顯示，對標(biāo)車A低溫里程保持率相對高，且有電機(jī)余熱利用功能，選取圖3目標(biāo)車X與對標(biāo)車A低溫能量流測試結(jié)果溫里程保持率整體高于對標(biāo)車A,但對標(biāo)車電池能量保持率明顯高于目標(biāo)車X，評估余熱利用為低溫續(xù)航提升的關(guān)鍵方向。表3低溫測試數(shù)據(jù)序號參數(shù)對標(biāo)車A1CLTC里程/km2892722里程保持率/%57.352.73能量保持率/%93.197.14WTC耗電/kW2.2整車阻力分解測試動效率明顯低于對標(biāo)車S，需進(jìn)一步進(jìn)行整車阻力分解確定問題部件，進(jìn)而針對性提升。(a)目標(biāo)車X及對標(biāo)車卡鉗測試結(jié)果765、4320軸承力矩對比 EX3前軸承EX3后軸承 對標(biāo)車S前軸承對標(biāo)車S后軸承(b)目標(biāo)車X及對標(biāo)車軸承測試結(jié)果圖4目標(biāo)車X及對標(biāo)車測試結(jié)果通過測試，目標(biāo)車X有優(yōu)化空間的部件為輪轂軸承和卡鉗拖滯力矩，測試結(jié)果如圖4所示，目標(biāo)車X除后卡鉗拖滯力矩外全部大于對標(biāo)車阻力，需要進(jìn)一步優(yōu)化。2.3優(yōu)化方向由前述能量流測試和整車阻力分解測試可知，目標(biāo)車X常溫能耗優(yōu)化方向有降風(fēng)阻、卡鉗拖滯力矩、降低輪轂軸承力矩及降低充電過程低壓功耗；低溫續(xù)駛里程保持率提升主要措施是優(yōu)化熱管理架構(gòu)，采用電機(jī)余熱等先進(jìn)技術(shù)。3仿真模型搭建及校準(zhǔn)通過對目標(biāo)車X進(jìn)行工況試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集，(a)仿真模型20.1540.1410.0490.5320.1831.0710.2940.6550.14310.043I0I.4430.1530.17313.4713.34 2.18920.1540.1410.0490.5320.1831.0710.2940.6550.14310.043I0I.4430.1530.17313.4713.34 2.189模型精度對比2.1941.083試驗(yàn)結(jié)果仿真結(jié)果(b)MCU能耗值仿真試驗(yàn)對比圖5仿真模型及MCU能耗值仿真試驗(yàn)對比圖得到車輛的能量流向、熱管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立高精度仿真模型，對零部件的進(jìn)一步優(yōu)化以及優(yōu)化后的車輛性能評估進(jìn)行指導(dǎo)，本文中采用AMESim軟件建立整車電耗優(yōu)化的仿真分析模型，包含整車動力經(jīng)濟(jì)性模型和熱管理模型，用于仿真常溫及低溫經(jīng)濟(jì)性，其中熱管理模型需要根據(jù)關(guān)鍵部件的臺架測試數(shù)據(jù)和能量流測試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，模型如圖5所示。使用試驗(yàn)實(shí)測的數(shù)據(jù)對模型精度進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)的效能優(yōu)化分析提供基礎(chǔ)模型。選取初始SOC=50%的一個完整CLTC循環(huán)，分為低速、中量為研究對象，試驗(yàn)、仿真結(jié)果誤差較小，基本上在2%以內(nèi)，同時低溫工況時熱管理系統(tǒng)水溫及耗能部件功率均與試驗(yàn)值有較好的吻合度，模型可以用于后續(xù)的能耗優(yōu)化工作。4降能耗措施研究及優(yōu)化4.1仿真優(yōu)化根據(jù)前述測試得到的常溫能耗影響因素，應(yīng)用前述校準(zhǔn)后的仿真模型得到各因素對能耗的影響比例如表4所示。針對目標(biāo)車X車型有優(yōu)化空間的降能耗措施進(jìn)行仿真分析。1.風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化風(fēng)阻系數(shù)與造型相關(guān)，針對造型已凍結(jié)的車型，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化主要從細(xì)節(jié)及先進(jìn)技術(shù)入手，本文共提供兩個風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化方案，方案一：引入主動進(jìn)氣格柵并優(yōu)化開關(guān)策略，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化10count，能耗優(yōu)化0.18kWh/100km，方案二：以電子后視鏡替代傳統(tǒng)后視鏡，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化7count，能耗優(yōu)化0.15kWh/100km。表4常溫降能耗措施貢獻(xiàn)比例序號分類影響因素優(yōu)化量能耗貢獻(xiàn)比/%1電機(jī)系統(tǒng)效率234效率減速器效率驅(qū)動軸效率電池充放電效率0.925充電系統(tǒng)效率0.976風(fēng)阻系數(shù)0.017滾阻系數(shù)2.708制動鉗拖滯力矩2.109輪轂軸承損失力矩2.10其他重量能量回收率DC/DC耗電量3.903.102.制動卡鉗、輪轂軸承優(yōu)化根據(jù)測試，目標(biāo)車X制動卡鉗單個平均拖滯力矩比對標(biāo)車高0.785Nm，輪轂軸承單個平均損失力矩比對標(biāo)車高1.79Nm，若目標(biāo)車X損失力矩能夠與對標(biāo)車S持平，整車能耗優(yōu)化0.42kWh/100km。3.充電過程低壓功耗優(yōu)化目標(biāo)車X充電過程中低壓功耗較對標(biāo)車高29W，分析其原因主要是大屏持續(xù)開啟和部分充電不相關(guān)控制器耗電，應(yīng)用分網(wǎng)段休眠技術(shù)，對大屏、影音娛樂等控制器進(jìn)行休眠處理，可使整車低壓功耗降至與對標(biāo)車相當(dāng)水平，能耗優(yōu)化0.2kWh/100km。上述常溫優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。優(yōu)化措施效果圖535525535495485原始風(fēng)阻優(yōu)化卡鉗優(yōu)化軸承優(yōu)化低壓優(yōu)化圖6目標(biāo)車X常溫優(yōu)化措施效果圖4.低溫續(xù)航保持率優(yōu)化方向低溫續(xù)駛里程下降主要來自于整車阻力的增加、低溫電池能量回收能力減弱、電池放電容量降低和空調(diào)高低壓部件耗電，其中整車阻力的增加不可避免，目標(biāo)車X的低溫能量回收能力和空調(diào)系統(tǒng)耗電均優(yōu)于對標(biāo)車，故優(yōu)化方向主要集中于提高電池放電容量，本文主要通過優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，加入電機(jī)余熱利用功能實(shí)現(xiàn)，保證電池在更合理的溫度范圍內(nèi)放電，提高電池的放電容量，節(jié)省水加熱控制器（WaterThermalController,WTC）功率，電機(jī)余熱利用的熱管理架構(gòu)圖如圖冷凝器散熱器新增回路PEU電機(jī)PEU蒸發(fā)器暖風(fēng)熱交換器PTCrchillerrchillerchiller熱器chiller電池加熱器chiller電池圖7加入電機(jī)余熱利用功能的熱管理架構(gòu)圖上箱體三合一殼體14.17W上箱體三合一殼體14.17W222.17W222.78W222.17W冷卻液377.03W377.03W電機(jī)殼體側(cè)箱體下箱體側(cè)箱體圖8優(yōu)化后目標(biāo)車X能量流優(yōu)化后的熱管理回路構(gòu)型，通過三通閥的控制，可以將動力總成回路和電池包回路工作模式調(diào)整為串聯(lián)和并聯(lián)，基本控制思路如下：用WTC同時給乘員艙和電池包加熱，使電池包溫度迅速上升；只對乘員艙進(jìn)行加熱，電池包利用電機(jī)及三合一余熱進(jìn)行加熱；（3）電機(jī)水泵和電池水泵保持適當(dāng)流量