程慶湖，肖文龍，黃炯，陳瑤，高少俊，顏溯，石玉瑋

基于能量流分析的純電動車電耗關(guān)鍵技術(shù)研究

程慶湖，肖文龍，黃炯，陳瑤，高少俊，顏溯，石玉瑋

（江鈴汽車股份有限公司整車性能及測試部，江西 南昌 330000）

所謂電動汽車整車能量流研究，就是從系統(tǒng)集成的角度出發(fā)分析電動汽車動力總成中能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和回收過程。為全面了解車型能耗的分布情況，以及識別出對能耗影響的相關(guān)因子。文章在動力總成臺架上對純電動汽車進(jìn)行了能量流測試，同時在單體電機(jī)臺架上對電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行效率測試。通過對整車能量流的測試對純電動車型降低能耗提出了關(guān)鍵技術(shù)路徑。文章以重型車在CWTVC工況下的能耗測試為例，研究出該車型的能耗優(yōu)化路徑。

整車能量流；動力總成臺架；單體電機(jī)臺架；CWTVC工況

前言

環(huán)境污染與能源危機(jī)是我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)[1-2]。探究汽車節(jié)能技術(shù)，提高電動汽車能耗利用率具有重要戰(zhàn)略意義[3]。目前根據(jù)個人駕駛習(xí)慣，制動損失的能量約占汽車總能耗的30%。因此，增設(shè)制動能量回收與再利用系統(tǒng)，具有重大現(xiàn)實及深遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義[4]。如何提高整車能耗利用率，是目前所有工程師需要解決的問題，整車能量流的測試對研究電動汽車的能耗分析有重要作用，首先通過能量流測試可以全面了解車型能耗的分布情況；其次定量地找到樣車與標(biāo)桿車型之間的能量消耗差異；最后確定最有效改善能耗水平的著手點同時預(yù)測不同的改進(jìn)措施對整車能耗的影響程度。

目前針對BEV的能量流分析主要以can報文采集數(shù)據(jù)分析或者Advisor和Cruise仿真分析為主，前者因Can數(shù)據(jù)的濾波會與實際測試的有所偏差，后者則主要用于趨勢性分析或者對標(biāo)。兩者測試效果均不佳，本文通過實際搭建動力總成臺架測試分析平臺，并利用功率分析儀/數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行實測，同時對電機(jī)系統(tǒng)總成進(jìn)行效率測試。本文通過模擬實車行駛狀態(tài)來獲取相關(guān)測試數(shù)據(jù)，基于實測結(jié)果進(jìn)一步提出降能耗優(yōu)化建議。

1 臺架搭建及測試原理介紹

1.1 動力總成臺架搭建

電動汽車的能量傳遞主要是通過動力總成傳遞，動力總成主要由電池、電控、電機(jī)、傳動系統(tǒng)組成。在動力傳遞的每一個環(huán)節(jié)都會有能量的損失，實際整車行駛過程中附件也會消耗電池能量，但是由于在CWTVC工況下電器件是全關(guān)狀態(tài)，故附件損耗相對較小，本文未將其考慮在內(nèi)，做能量流分析時需要把每一部分損耗的能量都測試出來，這對臺架測試設(shè)備測試精度提出了較高要求。本文的動力總成臺架能量流測試原理圖如下圖1所示；動力總成臺架如下圖2所示。

圖1 動力總成臺架測試原理圖

圖2 動力總成臺架

上圖1 電池包模塊是由專門的供電柜模擬電池包供電，在供電柜與電控（MCU）之間以及MCU與電機(jī)之間通過電流鉗及功率分析儀來采集輸入/回收的電壓電流，在輸出的傳動軸上貼扭矩應(yīng)變片傳感器用于采集電機(jī)輸出扭矩，在傳動系統(tǒng)的驅(qū)動半軸兩端連接有兩個高精度測功機(jī)可以采集到傳遞過來的轉(zhuǎn)速及扭矩。圖1中藍(lán)線為驅(qū)動工況下能量流動方向，綠線為回收狀態(tài)下能量流動方向。為了能夠更加真實的模擬出樣車在實際道路行駛狀態(tài)，臺架上專門配備了如圖2藍(lán)色水管所示的冷卻水對電機(jī)及其控制器進(jìn)行冷卻，冷卻水有專門的控制柜進(jìn)行控制，可隨時調(diào)整進(jìn)入電機(jī)系統(tǒng)的溫度，故能夠更好的模擬出實際行駛狀態(tài)。

1.2 單體電機(jī)臺架搭建

將整車電機(jī)系統(tǒng)拆卸下來后，直接安裝在如下圖3所示的單體電機(jī)臺架上進(jìn)行測試，測試原理圖如下圖4所示，單體電機(jī)臺架前半部分與動力總成臺架相似：供電柜模擬電池包進(jìn)行供電，通過專門的冷卻水控制裝置調(diào)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)冷卻水路溫度和流量，在供電柜、MCU、電機(jī)三者之間連接電流鉗和功率分析儀測試輸入輸出電壓、電流信號，電機(jī)輸出軸上安裝應(yīng)變片裝置測試電機(jī)輸出扭矩。另外，電機(jī)輸出軸承上安裝溫度及振動位移傳感器監(jiān)測臺架在安全范圍內(nèi)運行。通過臺架控制系統(tǒng)控制電機(jī)工作扭矩，加載測功機(jī)控制電機(jī)工作轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)系統(tǒng)冷卻水溫和流量，比較不同溫度下電機(jī)全轉(zhuǎn)速、扭矩范圍內(nèi)電機(jī)系統(tǒng)能量傳遞、轉(zhuǎn)化效率。分別測試了15℃和35℃循環(huán)水溫下的電機(jī)效率map。

圖3 單體電機(jī)測試臺架

圖4 單體電機(jī)臺架測試原理圖

2 試驗測試分析

2.1 動力總成能量流測試結(jié)果分析

臺架測試主要邊界條件如下：模擬整車測試質(zhì)量：3510kg；摸底道路阻力加載系數(shù)：a=0.0634，b=0.1749，c=330.6707；后橋速比：4.556。如下圖5- 7分別測試了MCU單點效率，電機(jī)單點效率，傳動系統(tǒng)單點效率。

圖5 MCU單點效率

圖6 電機(jī)單點效率

圖7 傳動系統(tǒng)單點效率

在單點效率基礎(chǔ)上，分別對各個模塊的功率積分，就可以得到整個工況下各模塊效率值，計算公式如下所示：

上式（1）（2）（3）（4）中：U、I為MCU輸入電壓電流；三相電功率為MCU輸出功率即電機(jī)輸入功率；Ttq，n為電機(jī)輸出扭矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速；T'tq，n'為測功機(jī)兩端吸收的扭矩和轉(zhuǎn)速，F(xiàn)abc為加載的道路行駛阻力，V為車速。根據(jù)上述計算方式得出了整車臺架能量流測試結(jié)果如下圖8所示，從測試結(jié)果來看：整車能耗有10%是電驅(qū)系統(tǒng)的損耗，69%是用于克服道路行駛阻力，另外9%是制動損失，能量回收占12%。

2.2 單電機(jī)臺架測試結(jié)果分析

圖9 不同溫度下的電機(jī)效率圖

單電機(jī)臺架上分別測試了在循環(huán)水溫為15℃和35℃下的電機(jī)效率map，圖9是使用Unniplot軟件繪制的電機(jī)系統(tǒng)效率map圖，為了體現(xiàn)實際運行工況時候的效率，在如下電機(jī)系統(tǒng)map上增加了樣車在CWTVC工況下的工況點。從下圖9對比發(fā)現(xiàn)電機(jī)在35℃的循環(huán)水溫下效率要高于電機(jī)在15℃的循環(huán)水溫下的效率。

3 結(jié)論

整車能量管理平臺進(jìn)一步的應(yīng)用是體現(xiàn)在整車及系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化升級、節(jié)能及實車驗證等方面。本文所搭建的動力總成臺架及單體電機(jī)臺架能夠?qū)崟r、同步采集多通道電壓和電流、扭矩、瞬時轉(zhuǎn)速等信息，測試系統(tǒng)集成度高，擴(kuò)展性好，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。針對該車的能量流測試主要結(jié)論及建議如下：

（1）動力總成臺架測試中，該車有69%的能耗損耗在行駛阻力上，故要減少能耗必須降低樣車行駛阻力，可以通過降低空氣阻力，滾動阻力達(dá)到降低樣車行駛阻力的目的。

（2）動力總成臺架測試中，能量回收只有12%，同時制動損耗還有9%，為提高能量利用率，可以適當(dāng)?shù)脑龃竽芰炕厥諟p少制動損失能耗損失的比例。

（3）單體電機(jī)臺架測試中，為使得電機(jī)處于更加高效的運轉(zhuǎn)區(qū)間，在整車系統(tǒng)控制策略制定時應(yīng)該通過熱管理系統(tǒng)[5]使電機(jī)溫度包持在合適的溫度區(qū)間。

[1] 胡曉春,張寶吉,蔣?？?汽車節(jié)油迫在眉睫[J].中國工程科學(xué),2013, 15(10): 10 -15.

[2] 劉蘭劍.中國汽車節(jié)能減排政策與美日比較研究[J]中國科技論壇, 2010 (6) :155 -160.

[3] 吳媞,劉鵬飛,張小龍,等.車輛部件節(jié)油虛擬測試系統(tǒng)設(shè)計與快速分析.汽車工程.2016,38(4),515-520.

[4] 李欣,王佳節(jié).能汽車制動能量回收與再利用,機(jī)械設(shè)及與制造. 2016,(4),91-97.

[5] 戴鑫鑫,李紅洲,陳海娥,等.整車熱管理分析在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用.中國汽車工程學(xué)會年會論文集,2010.

Research on Technologies of Electric Power Consumption of Battery Electric Vehicle

Cheng Qinhu, Xiao Wenlong, Huang Jiong, Chen Yao, Gao Shaojun, Yan Su, Shi Yuwei

( Jiangling Motors Co., Ltd.,Vehicle Performance and Testing Department, Jiangxi Nanchang 330000 )

The research on the energy flow of electric vehicle is to analyze the process of energy conversion, transmission and recovery in the power assembly of electric vehicle from the perspective of system integration. In order to fully understand the distribution of vehicle energy consumption and identify the relevant factors affecting energy consumption. In this paper, the energy flow of pure electric vehicle is tested on the power assembly bench, and the efficiency of the motor system is tested on the single motor bench. By testing the energy flow of the whole vehicle, the key technology paths for reducing energy consumption of pure electric vehicles are put forward. Taking the energy consumption test of heavy-duty vehicle under CWTVC condition as an example, this paper also can give the suggest of improve the energy consumption.

Vehicle Energy Flow; Power Assembly Bench; Motor Bench; CWTVC

U469.7

A

1671-7988(2019)14-07-03

U469.7

A

1671-7988(2019)14-07-03

程慶湖，本科，工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司整車性能及測試部，研究方向：整車屬性集成。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.002