輕量化技術(shù)對純電動客車的節(jié)能影響分析

李桉楠， 周雯雯， 季金強， 戴世佳

(揚州亞星客車股份有限公司， 江蘇 揚州 225000)

純電動客車的節(jié)能方式有很多種，如電機系統(tǒng)效率提升，制動能量回收控制、熱管理、車輛造型設(shè)計、低滾阻輪胎的使用、充電機充放電效率提升、整車輕量化技術(shù)、輔機控制技術(shù)等。其中輕量化技術(shù)被很多企業(yè)作為節(jié)能省電的重要手段[1-2]。特別是新能源客車補貼標(biāo)準(zhǔn)中將Ekg(單位載質(zhì)量能量消耗量)作為了中央財政補貼調(diào)整系數(shù)[3]，這就需要整車在節(jié)能的同時還要關(guān)注通過輕量化技術(shù)提升載質(zhì)量。但輕量化也有一定的局限性，它會在一定程度上影響整車的動靜態(tài)剛度、安全強度、耐碰撞性能、振動、噪聲及平順性[4]。

1 純電動客車輕量化現(xiàn)狀

為了選擇比較具有代表性的車型，對2019年1-5月銷售的純電動客車進行統(tǒng)計分析，銷售最多的純電動城市客車為8～9 m車型(以下簡稱A車型)，占純電動城市客車銷量的42%；銷售最多的純電動公路客車為10～11 m車型(以下簡稱B車型)，占純電動公路客車銷量的61%。為體現(xiàn)行業(yè)輕量化水平，選取其中銷量排名靠前的幾個廠家的相應(yīng)車型進行對比。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 主流廠家產(chǎn)品整備質(zhì)量 kg

2 輕量化節(jié)能效果仿真分析

傳統(tǒng)車輛質(zhì)量每減輕10%可降低6%～8%的油耗[5-7]。由于動力總成不一樣，雖節(jié)能原理一致，但具體節(jié)能效果還是存在差別。通過AVL Cruise軟件分別對8.1 m A車型和10.7 m B車型不同整備質(zhì)量進行工況能耗仿真分析[8]。

2.1 8.1 m純電動城市客車節(jié)能仿真分析

搭建8.1 m A車型整車模型仿真分析，整車基本參數(shù)如下：整備質(zhì)量6 400～7 100 kg(見表1)；總質(zhì)量12 500 kg，多數(shù)廠家所用方案；迎風(fēng)面積6.28 m2；后橋速比6.143；載荷65%，載質(zhì)量的65%[9]；空氣阻力系數(shù)0.65；滾動阻力系數(shù)0.007 6+0.000 056V[10]，國標(biāo)推薦阻力；輪胎半徑452 mm；工況CCBC，中國典型城市公交循環(huán)工況；電機額定功率90 kW，電機最大功率165 kW。

其中90 kW永磁同步直驅(qū)電機的效率MAP圖如圖1所示。

圖1 90 kW直驅(qū)電機效率MAP

整備質(zhì)量初始值設(shè)置為表1中8.1 m A車型最低值6 400 kg，以Δ=100 kg往上加直至7 100 kg，計算CCBC工況下的電耗。以7 100 kg的電耗為基準(zhǔn)質(zhì)量計算輕量化節(jié)能率(節(jié)能比例/減重比例)，電耗及輕量化節(jié)能率結(jié)果見表2，相應(yīng)的趨勢如圖2所示。

表2 8.1 m A車型電耗及節(jié)能率統(tǒng)計

圖2 8.1 m車型趨勢圖

由圖2可知，電耗和整備質(zhì)量增加并不是線性關(guān)系，甚至出現(xiàn)了整備質(zhì)量6 800 kg電耗比6 900 kg更高的逆反情況。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是能耗不僅與質(zhì)量相關(guān)，也與工況、電機的效率MAP以及其他因素如電池內(nèi)阻相關(guān)。逆反現(xiàn)象正是因為質(zhì)量在較小增量的情況下，電機工況點效率提升的節(jié)能效果大于單純由質(zhì)量增加引起的電耗增加，所以造成了質(zhì)量增加反而電耗降低。這種現(xiàn)象一般會出現(xiàn)在質(zhì)量小范圍變化的過程中，但從總的曲線來看，質(zhì)量與能耗還是具備正相關(guān)的趨勢。統(tǒng)計計算得到輕量化節(jié)能率平均值為0.18，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)車的0.6～0.8，證明輕量化在純電動城市客車的節(jié)能效果并沒有傳統(tǒng)車輛顯著。

2.2 10.7 m純電動公路客車節(jié)能仿真分析

搭建10.7 m B車型整車模型仿真分析，整車基本參數(shù)如下：整備質(zhì)量10 200～11 970 kg，(見表1)；總質(zhì)量18 000 kg，大多數(shù)廠家所用方案；迎風(fēng)面積7.74 m2；后橋速比6.143；載荷3 900 kg，載客50人，每人按78 kg計算；空氣阻力系數(shù)0.65；滾動阻力系數(shù)0.004 1+0.000 025 6V[10]，國標(biāo)推薦子午胎阻力；輪胎半徑512 mm；工況C-WTVC，調(diào)整世界瞬態(tài)車輛循環(huán)；電機額定功率100 kW,電機最大功率200 kW。

其中100 kW永磁同步電機的效率MAP圖如圖3所示。

圖3 100 kW直驅(qū)電機效率MAP

整備質(zhì)量初始值設(shè)為表1中10.7 m B車型最低值10 200 kg，以Δ=300 kg往上加直至11 970 kg，計算C-WTVC工況下整車電耗。以11 970 kg的電耗為基準(zhǔn)質(zhì)量計算輕量化節(jié)能率，電耗及輕量化節(jié)能率結(jié)果見表3, 相應(yīng)的趨勢如圖4所示。

表3 10.7 m B車型電耗及節(jié)能率統(tǒng)計

圖4 10.7 m車型趨勢圖

由圖4可知，相比于純電動城市客車，純電動公路客車的電耗與整備質(zhì)量更加趨于線性關(guān)系，沒有出現(xiàn)整備質(zhì)量增加電耗降低的情況。統(tǒng)計計算輕量化節(jié)能率也比較穩(wěn)定，均在0.39～0.40之間，均值為0.393，大于純電動城市客車，但還遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)車0.6～0.8。

3 結(jié) 論

1) 輕量化并不一定能使純電動客車達(dá)到節(jié)能的效果，需根據(jù)整車設(shè)計參數(shù)和配置進行適當(dāng)?shù)妮p量化設(shè)計，才能達(dá)到輕量化節(jié)能效果。

2) 輕量化對于純電動客車的節(jié)能效果相比于傳統(tǒng)車輛并不顯著，在純電動客車節(jié)能方面，應(yīng)統(tǒng)籌考慮，從節(jié)能效果貢獻(xiàn)度出發(fā)合理分配資源，如提升電機效率等措施，才能真正達(dá)到節(jié)能增效的效果。