純電動汽車動力系統(tǒng)效率特性試驗研究與分析

張振鼎 吳杰靈 樊彬 王洪慶 蔡志濤

中國汽車技術(shù)研究中心 天津 300300

純電動汽車動力系統(tǒng)效率特性試驗研究與分析

張振鼎 吳杰靈 樊彬 王洪慶 蔡志濤

中國汽車技術(shù)研究中心 天津 300300

以純電動汽車動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為研究對象，提出了一套評價動力系統(tǒng)效率特性的方法和指標(biāo)，搭建了測試平臺，并利用該平臺對某款純電動汽車動力系統(tǒng)的效率特性進(jìn)行了試驗研究與分析。結(jié)果表明，該動力系統(tǒng)的實時能量輸出效率與電池系統(tǒng)電壓的關(guān)系擬合公式符合二階多項式形式，并且與電機(jī)系統(tǒng)單點結(jié)果吻合度較好；另外，考慮到電池系統(tǒng)充放電能量轉(zhuǎn)化效率的影響，該系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化綜合效率為73.0%，效率相對較低。以上試驗結(jié)果為純電動汽車動力系統(tǒng)產(chǎn)品匹配選型提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

純電動汽車 動力系統(tǒng) 效率特性 能量輸出效率 能量轉(zhuǎn)化綜合效率

1 前言

純電動汽車具有高效、節(jié)能、終端零排放等特點，是解決當(dāng)前能源危機(jī)、環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)的重要途徑。但受電池能量密度和動力系統(tǒng)效率的限制，純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短，充電時間長，制約了純電動汽車的推廣應(yīng)用。因此，針對純電動汽車性能的測試評價工作，逐漸引起了大家的關(guān)注。

作為電動汽車的關(guān)鍵零部件，電池系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)不同的匹配方案，將極大地影響純電動汽車整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、平順性和安全性。因此，合理設(shè)計和測評動力系統(tǒng)至關(guān)重要。目前行業(yè)內(nèi)普遍采用整車及關(guān)鍵零部件分開測評方式，并出臺了多項國家行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)[1,2]。然而，一方面電池系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)層級的單獨測評，不能完全體現(xiàn)實車使用狀態(tài)；另一方面，整車層級測評，其測試成本較高，且延長了產(chǎn)品開發(fā)認(rèn)證周期[3,4]。因此，基于包括電池系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)在內(nèi)的動力系統(tǒng)的測試評價，是今后純電動汽車研發(fā)的熱點方向。

本文將研究分析現(xiàn)有的動力系統(tǒng)的測試方法和評價指標(biāo)，以純電動汽車動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為研究對象，提出一套評價動力系統(tǒng)效率特性的方法和指標(biāo)，搭建基于純電動汽車動力系統(tǒng)輸出特性的測試平臺，并利用該平臺對某款純電動汽車動力系統(tǒng)在恒功率放電工況下的效率特性進(jìn)行試驗研究與分析，為純電動汽車動力系統(tǒng)產(chǎn)品匹配選型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。純電動汽車動力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 純電動汽車動力系統(tǒng)示意圖（紅色框中部分）

2 純電動汽車動力系統(tǒng)效率特性評價方法與指標(biāo)

2.1 純電動汽車動力系統(tǒng)效率特性評價方法

目前國內(nèi)外就如何科學(xué)系統(tǒng)地評價純電動汽車動力系統(tǒng)效率特性尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。但是，在動力系統(tǒng)研究過程中，提出了一些測試評價的方法，主要包括計算機(jī)模擬仿真、整車行駛試驗及系統(tǒng)臺架試驗等3種方法[5]。

計算機(jī)仿真研究廣泛應(yīng)用于純電動汽車動力系統(tǒng)的開發(fā)過程，該方法首先基于仿真分析軟件對純電動汽車動力系統(tǒng)建立模型并進(jìn)行不同運(yùn)行工況的仿真，然后基于仿真結(jié)果對動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制策略進(jìn)行修正，完成對純電動汽車動力系統(tǒng)的優(yōu)化。該方法的執(zhí)行過程基于仿真分析軟件，雖然為研究人員帶來操作上的方便，但仿真分析的結(jié)果與實際情況存在一定的差距[6]。同時，純電動汽車動力系統(tǒng)比較復(fù)雜，基于仿真分析軟件對動力系統(tǒng)建立精確的模型比較困難，模型的模擬結(jié)果很難精確地反映出動力系統(tǒng)的各種性能[7]。

純電動汽車行駛測試是基于傳統(tǒng)燃油汽車的研究方法發(fā)展而來的，主要包括底盤測功機(jī)測試和道路試驗場測試。該方法根據(jù)純電動汽車在實際行駛中的表現(xiàn)以檢驗動力系統(tǒng)在安全性、動力性方面的性能。但是，行駛測試是在露天的道路上或汽車試驗場中進(jìn)行，受溫度、風(fēng)速等外界環(huán)境因素影響較大，故該方法的可控性及重復(fù)性較差，在測試的過程中需要投入大量的人力、物力和財力；同時純電動汽車在道路行駛測試中動力系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電壓、電流、溫升、動力蓄電池剩余容量等各詳細(xì)參數(shù)無法方便準(zhǔn)確地測得[8,9]。

系統(tǒng)臺架試驗是在室內(nèi)對純電動汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行測試，可以實現(xiàn)對動力系統(tǒng)簡單工況的模擬和性能的測試[10]。該方法對不同運(yùn)行工況的純電動汽車動力系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲，實現(xiàn)動力系統(tǒng)各性能參數(shù)的獲取。該方法可以對純電動汽車動力系統(tǒng)各組成部分進(jìn)行實時有效的性能測試，為研究人員分析和評價動力系統(tǒng)控制策略優(yōu)劣提供依據(jù)，故該方法在純電動汽車動力系統(tǒng)研究中具有不可代替的作用。國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)已經(jīng)陸續(xù)開發(fā)了純電動汽車動力系統(tǒng)的室內(nèi)測試平臺[11,12]。

綜上所述，本文選擇動力系統(tǒng)臺架試驗方法，開展純電動汽車動力系統(tǒng)輸出特性測試平臺的搭建工作，并進(jìn)行進(jìn)一步的效率特性試驗研究和分析。

2.2 純電動汽車動力系統(tǒng)效率特性評價指標(biāo)

本文將以純電動汽車動力系統(tǒng)中不同能量間的轉(zhuǎn)化關(guān)系作為研究對象，提出3種評價動力系統(tǒng)效率特性的指標(biāo)。

2.2.1 動力系統(tǒng)能量吸收效率

動力系統(tǒng)在充電過程中，電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲在電池系統(tǒng)中，在放電過程中，化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能供電機(jī)系統(tǒng)使用。因此，其存在一定的能量轉(zhuǎn)化效率，對動力系統(tǒng)的能量輸出起著重要作用，即能量吸收效率ηbattery，定義為電池系統(tǒng)充放電過程中的放電能量占充電能量的百分比。

式中，Edischarge為 電池系統(tǒng)放電能量， kWh；Echarge為電池系統(tǒng)充電能量， kWh ；Udischarge為電池系統(tǒng)放電過程中的電壓， V；Idischarge為 電池系統(tǒng)放電過程中的電流， A；Ucharge為 電池系統(tǒng)充電過程中的電壓， V； Icharge為 電池系統(tǒng)充電過程中的電流， A。

2.2.2 動力系統(tǒng)能量輸出效率

電池系統(tǒng)的電能通過電氣連接給電機(jī)系統(tǒng)供電，然后電機(jī)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，該部分主要評價動力系統(tǒng)中電機(jī)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，即動力系統(tǒng)能量輸出效率 ηmotor，定義為驅(qū)動過程中輸出機(jī)械能量與輸入電能量的百分比。

式中，Emechanic為 電機(jī)系統(tǒng)輸出機(jī)械能量，kWh； T為電機(jī)系統(tǒng)輸出扭矩，Nm；為電機(jī)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2.3 動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化綜合效率

動力系統(tǒng)中電池系統(tǒng)吸收的能量最終以電機(jī)系統(tǒng)輸出的能量來體現(xiàn)，其能量轉(zhuǎn)化綜合效率定義為驅(qū)動過程中電機(jī)系統(tǒng)輸出能量占電池系統(tǒng)充電能量的百分比。能量轉(zhuǎn)化綜合效率考慮了充電能量由電池系統(tǒng)傳輸至電機(jī)系統(tǒng)，并作為機(jī)械能量輸出全過程中所有的影響因素，反映純電動汽車動力系統(tǒng)實際的能量轉(zhuǎn)化傳遞情況。

3 純電動汽車動力系統(tǒng)輸出特性測試平臺搭建

依據(jù)提出的動力系統(tǒng)效率特性評價指標(biāo)，為研究純電動汽車動力系統(tǒng)的輸出特性，評價動力系統(tǒng)的匹配效果，驗證動力系統(tǒng)各控制單元的有效性，需要開發(fā)建立由電源系統(tǒng)、被測動力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、測功機(jī)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)構(gòu)成的純電動汽車動力系統(tǒng)輸出特性測試平臺。

圖2 動力系統(tǒng)輸出特性測試平臺

搭建的動力系統(tǒng)輸出特性測試平臺如圖2所示。由于測試平臺集成的各設(shè)備分別采用CAN總線、485總線或232總線等不同的通信方式，為實現(xiàn)測試平臺數(shù)據(jù)的集中采集及對測試平臺各設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，需要開發(fā)以單片機(jī)為核心、并且基于CAN總線的信息采集及通信方式轉(zhuǎn)換信息單元，將各設(shè)備通信方式統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為CAN總線通信方式，構(gòu)建測試平臺CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，如圖3所示。

電源系統(tǒng)包括電池系統(tǒng)充放電設(shè)備和能夠模擬電池性能的直流輸出電源。其中，電池充放電設(shè)備主要用于給電池系統(tǒng)充放電，通過不同的充放電方式，對電池系統(tǒng)本征特性進(jìn)行測試評價研究；直流輸出電源主要用于給電機(jī)系統(tǒng)供電，通過改變供電電壓，對電機(jī)系統(tǒng)本征特性進(jìn)行測試評價研究。

被測動力系統(tǒng)包括電池系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)，用于動力系統(tǒng)輸出特性的測試評價研究。

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器、功率分析儀和工控機(jī)等，主要采用CAN總線進(jìn)行各設(shè)備間輸入輸出數(shù)據(jù)交互，從而進(jìn)行各類相關(guān)參數(shù)的采集和控制。

測功機(jī)系統(tǒng)可以按照設(shè)定的規(guī)律對驅(qū)動電機(jī)施加阻力，模擬車輛加速及勻速行駛時的負(fù)載，也可按設(shè)定的規(guī)律對驅(qū)動電機(jī)提供動力，模擬車輛減速、下坡及剎車時車輛的慣性，從而保證被試電機(jī)系統(tǒng)處于合適的工作狀態(tài)。

輔助系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)、可編程電源等，用于動力系統(tǒng)的輔助測試。

4 純電動汽車動力系統(tǒng)效率特性測試

4.1 測試樣品選定

利用搭建的純電動汽車動力系統(tǒng)輸出特性測試平臺，對某款純電動汽車的動力系統(tǒng)效率特性進(jìn)行試驗研究分析，試驗樣品參數(shù)如表1所示。

表1 動力系統(tǒng)試驗樣品參數(shù)

圖3 動力系統(tǒng)輸出特性平臺通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.2 測試臺架搭建

根據(jù)純電動汽車輸出特性測試平臺硬件連接方案，結(jié)合試驗對象的自身特性及參數(shù)，建立該款動力系統(tǒng)測試平臺如圖4所示。該平臺包括電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、測功機(jī)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等組成部分，各組成部分通過機(jī)械連接方式和電氣連接方式連接。

圖4 某款純電動汽車動力系統(tǒng)測試臺架

4.3 試驗流程確定

根據(jù)試驗需求，確定的試驗流程如下。

流程一：使用電池充放電設(shè)備，以恒流恒壓充電方式對電池系統(tǒng)進(jìn)行完全充電，然后以恒功率放電方式對電池系統(tǒng)進(jìn)行完全放電；

流程二：使用直流輸出電源，給電機(jī)系統(tǒng)提供恒定的不同工作電壓，電機(jī)系統(tǒng)工作在額定工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)，并控制電位器以保持輸出機(jī)械功率不變；

流程三：使用完全充電的電池系統(tǒng)作為供電電源，電機(jī)系統(tǒng)工作在額定工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)，并控制電位器以保持輸出機(jī)械功率不變，直至電池系統(tǒng)持續(xù)完全放電至最低工作電壓。

在試驗過程中采集電池系統(tǒng)直流母線電壓和電流、電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得到純電動汽車動力系統(tǒng)實際的能量轉(zhuǎn)化性能，并分析其變化規(guī)律。

4.4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗流程一，對電池系統(tǒng)進(jìn)行試驗的試驗結(jié)果曲線如圖5所示。

由試驗結(jié)果可知，該電池系統(tǒng)在恒流恒壓充電階段，總充電容量為201.11 Ah，總充電能量為12.25 kWh。其中，恒流充電階段的充電容量為179.53 Ah，充電能量為10.84 kWh，恒流階段充電能量占總充電能量的88.5%；恒壓充電階段的充電容量為21.58 Ah，充電能量為1.41 kWh，恒壓階段充電能量占總充電能量的11.5%。在3.2 kW恒功率放電階段，該電池系統(tǒng)總放電容量為199.98 Ah，放電能量為11.60 kWh。

圖5 電池系統(tǒng)容量能量測試曲線

由此可以計算得到，該動力系統(tǒng)的能量吸收效率為94.7%。

根據(jù)試驗流程二，將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定在2 350 r/min，扭矩設(shè)定在10 Nm，即保持電機(jī)輸出功率不變，電機(jī)系統(tǒng)輸入工作電壓分別設(shè)定在55 V、60 V、65 V，分析電機(jī)系統(tǒng)輸出效率隨工作電壓變化的變化情況，得到的結(jié)果如表2、圖6所示。

表2 不同工作電壓條件下電機(jī)系統(tǒng)輸出特性參數(shù)表

圖6 不同工作電壓條件下電機(jī)系統(tǒng)輸出特性曲線

根據(jù)試驗流程三，對動力系統(tǒng)進(jìn)行試驗的試驗結(jié)果曲線如圖7～9所示。

圖7 試驗過程中電池系統(tǒng)電壓和電流變化曲線

圖8 試驗過程中電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和扭矩變化曲線

圖9 動力系統(tǒng)輸入功率和輸出功率變化曲線

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到動力系統(tǒng)實時能量輸出效率隨電池系統(tǒng)電壓的變化關(guān)系曲線，進(jìn)而對該動力系統(tǒng)放電過程中的能量輸出效率進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合（見圖10），可以看出實時能量輸出效率與電池系統(tǒng)電壓的關(guān)系擬合公式符合二階多項式形式，具體如下：

將此模擬計算結(jié)果與之前得到的電機(jī)系統(tǒng)單獨測試時的不同工作電壓狀態(tài)下的輸出效率進(jìn)行對比分析，可知該擬合公式可以很好地模擬該電機(jī)系統(tǒng)輸出效率隨電壓的實時變化規(guī)律：在低電壓下效率較低，隨著電壓的升高輸出效率逐漸升高，到達(dá)一定峰值后，輸出效率隨著電壓的升高又逐漸降低。

圖10 動力系統(tǒng)實時能量輸出效率隨電壓變化曲線及擬合對比結(jié)果

另外，通過分析可知，動力系統(tǒng)在該運(yùn)行工況下，測功機(jī)轉(zhuǎn)速恒定在2 350 r/min，電機(jī)扭矩調(diào)節(jié)至10 Nm左右并保持輸出功率穩(wěn)定，從電池系統(tǒng)滿電態(tài)完全放電至電機(jī)系統(tǒng)最低工作電壓55 V，測試總計運(yùn)行218 min，因此動力系統(tǒng)總輸出機(jī)械能量為8.94 kWh；由之前電池系統(tǒng)恒功率放電測試數(shù)據(jù)，可知電池恒功率放電的總放電能量為11.60 kWh。因此，該運(yùn)行工況下的動力系統(tǒng)全過程能量輸出效率為77.1%。

綜上所述，考慮到動力系統(tǒng)能量吸收特性對于動力系統(tǒng)輸出特性的影響，由之前電池系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)可知，動力系統(tǒng)能量吸收效率為94.7%，由此可以分析得到，在恒流恒壓充電工況和恒功率放電工況疊加的狀態(tài)下，該動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化綜合效率ηsystem=73.0%，具體計算公式如下：

可見，該動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化綜合效率相對較低，有待于進(jìn)一步通過系統(tǒng)匹配提升其輸出效率特性。

5 結(jié)語

a.本文選取的動力系統(tǒng)臺架試驗方法，操作靈活，可以對不同運(yùn)行工況的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實時有效的測試分析，充分反映動力系統(tǒng)特性的各種影響因素，能夠彌補(bǔ)軟件仿真和整車測試的不足，可以全方位的檢測純電動汽車動力系統(tǒng)的性能，為研究人員調(diào)節(jié)模型控制參數(shù)、制定最佳控制策略提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

b.搭建了純電動汽車動力系統(tǒng)輸出特性測試平臺，提出了基于能量轉(zhuǎn)化的能量吸收效率、能量輸出效率、能量綜合轉(zhuǎn)化效率的評價指標(biāo)，全面系統(tǒng)地分析評價動力系統(tǒng)效率特性的影響因素和不同能量間的轉(zhuǎn)化效率。

c.通過試驗研究分析，在恒流恒壓充電工況和恒功率放電工況疊加的狀態(tài)下，該動力系統(tǒng)的能量吸收效率為94.7%，實時能量輸出效率與電池系統(tǒng)電壓的關(guān)系擬合公式符合二階多項式形式，全過程能量輸出效率為77.1%，最終得到該動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化綜合效率為73.0%，效率相對較低，有待于進(jìn)一步通過系統(tǒng)匹配提升其輸出效率特性。

d.后續(xù)工作需要基于該純電動汽車動力系統(tǒng)輸出特性測試平臺，進(jìn)一步研究純電動汽車動力系統(tǒng)在各種復(fù)雜工況條件下的能量驅(qū)動特性及能量回饋特性，為純電動汽車動力系統(tǒng)產(chǎn)品匹配選型提供更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

[1] GB/T 31467.2-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程[S],2015.

[2]GB/T 18488.2-2015 電動汽車用電機(jī)系統(tǒng)第2部分:試驗方法[S],2015.

[3]張瓊,高松,王玉成等.純電動大客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真分析[J].山東理工大學(xué)學(xué)報,2016(01):12-17.

[4]李俊義.電動汽車動力系統(tǒng)控制研究[J].機(jī)械管理開發(fā), 2016(05):106-108.

[5]陶銀鵬,張曉玉,徐賢亞.純電動客車動力系統(tǒng)集成試驗臺的研發(fā)與應(yīng)用[J].客車技術(shù)與研究,2014:50-53.

[6]周飛鯤.純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究[D].吉林大學(xué),2013.

[7]黃萬友.純電動汽車動力總成系統(tǒng)匹配技術(shù)研究[D].山東大學(xué),2012.

[8]劉平,劉和平,郭強(qiáng)等.電池組直接供電對電動汽車驅(qū)動性能的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2011,15(11):27-32.

[9]張賓,郭連兌,崔忠彬等.電動汽車用動力鋰離子電池的電壓特性[J].電池工業(yè),2009(6):398-403.

[10]丁婷婷,王秀和.供電電壓變化對永磁同步電動機(jī)性能的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2015(11):596-599.

[11]樊曉松,邵華,邢進(jìn)進(jìn).新能源汽車動力總成測試系統(tǒng)平臺[J].汽車技術(shù), 2014(9):39-43.

[12]呂奇奇.純電動城市微型物流車能源與動力系統(tǒng)設(shè)計[D].太原理工大學(xué),2016.

Experimental Study and Analysis on the Efficiency Characteristics of Power System for Electric Vehicle

ZHANG Zhen-ding et al

With the energy conversion relations of the electric vehicle power system as the research object, this paper presents a set of evaluation methods and indicators for the power system efficiency, and builds a test platform. The efficiency characteristics of a power system for electric vehicle is studied and analyzed. The results show that the relation between the real-time energy output efficiency and the battery voltage follows with second order polynomial form, and the fitting result has good consistency with the motor individual test result; in addition, considering the influence of the battery charge and discharge energy transformation efficiency, the total energy conversion efficiency is 73.0%. The above test results provide basic data support for the matching and selection of the electric vehicle power system.

electric vehicle; power system; efficiency characteristic; energy output efficiency; energy conversion efficiency

U469.72.06

A

1004-0226(2017)03-0082-06

張振鼎，男，1984年生，工程師，主要從事汽車整車、零部件產(chǎn)品的檢測及新能源汽車方面的試驗研究工作。

2017-01-16