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(1.華南理工大學(xué)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510641; 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引言

在不同的行駛工況下，純電動(dòng)汽車電能量消耗差異較大。要想提高純電動(dòng)汽車在城市工況下的續(xù)駛里程，就需對(duì)純電動(dòng)汽車在城市工況下的電能量消耗特性加以研究。通過(guò)純電動(dòng)汽車城市工況下的整車實(shí)驗(yàn)，找出其在城市工況下的電能量消耗特性，合理設(shè)計(jì)整車控制策略以降低電能量消耗提高續(xù)駛里程。然而，針對(duì)典型城市工況的純電動(dòng)汽車電能量消耗研究多局限于仿真階段，文獻(xiàn)[1]采用AMESim軟件建立了電動(dòng)汽車能耗特性研究仿真平臺(tái)，基于此平臺(tái)研究了能耗最優(yōu)的驅(qū)制動(dòng)電機(jī)控制策略。相關(guān)文獻(xiàn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的較少，有實(shí)驗(yàn)也僅針對(duì)單一城市工況，缺乏多城市工況的純電動(dòng)汽車整車實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析。文獻(xiàn)[2]僅針對(duì)上海市道路工況分析驅(qū)制動(dòng)系統(tǒng)的能耗特性，提出能耗最優(yōu)的扭矩分配控制策略。在此，以某款純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，通過(guò)NEDC，Jap1015和FTP75典型城市工況純電動(dòng)汽車電能量消耗實(shí)驗(yàn)，找出不同行駛工況下純電動(dòng)汽車電能量消耗與行駛特征參數(shù)之間的關(guān)系，為純電動(dòng)汽車整車控制策略的制定提供依據(jù)。

1 基于行駛工況的純電動(dòng)汽車電能量消耗機(jī)理分析

行駛工況是由一系列的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，代表著具有一定載荷下某一階段的車輛速度ua(t)和加速度dua(t)/dt隨時(shí)間t變化點(diǎn)的集合[3]，通常用來(lái)評(píng)估純電動(dòng)汽車能耗特性。在行駛工況下，純電動(dòng)汽車所需的驅(qū)動(dòng)力Ft(t)[4]可表示為：

Ft(t)=mgfcosα+mgsinα+

(1)

Ft(t)為驅(qū)動(dòng)力；m為汽車質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為道路坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua(t)為車速；dua(t)/dt為加速度；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率Pmo(t)為：

(2)

ηt(t)為機(jī)械傳動(dòng)效率。由電動(dòng)汽車機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換關(guān)系[5]可知，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)Pmo(t)與動(dòng)力電池輸出功率Pess(t)之間關(guān)系可表示為：

(3)

Pess(t)為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池輸出功率；ηess(t)為逆變器轉(zhuǎn)換效率；ηm(t)為電機(jī)工作效率。因此純電動(dòng)汽車行駛t時(shí)間內(nèi)電池消耗的總電能量為：

(4)

在該時(shí)間段內(nèi)，電動(dòng)汽車單位里程能耗Ecr為：

(5)

當(dāng)電動(dòng)汽車載荷和行駛工況一定時(shí)，m，f，α，CD，A，δ，ηess(t)和ηt(t)可看為定值。根據(jù)電機(jī)工作原理，電機(jī)工作效率ηm(t)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速nm(t)和轉(zhuǎn)矩Tm(t)決定，即可認(rèn)為電機(jī)工作效率ηm(t)與車速ua(t)和加速度dua(t)/dt存在著一定的函數(shù)關(guān)系[6]，即可認(rèn)為電機(jī)的工作效率隨車速ua(t)和加速度dua(t)/dt的變化而變化，其值可表示為ηm(ua(t)，dua(t)/dt)。因此，純電動(dòng)汽車單位里程能耗表達(dá)式為：

Ecr=

(6)

由式(6)可知，Ecr主要與車速和加速度變化有關(guān)，即不同的ua(t)和dua(t)/dt變化產(chǎn)生不同的Ecr值，故通過(guò)研究不同行駛工況下ua(t)和dua(t)/dt的變化對(duì)Ecr的影響，找出使單位里程能耗Ecr減小的ua(t)和dua(t)/dt變化規(guī)律，對(duì)降低純電動(dòng)汽車單位里程能耗、提高續(xù)駛里程有重要意義。

2 典型行駛工況下純電動(dòng)汽車電能量消耗實(shí)驗(yàn)與分析

為分析不同行駛工況下車速ua(t)和加速度dua(t)/dt對(duì)動(dòng)力電池組單位里程能耗Ecr的影響，以某款純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

運(yùn)用純電動(dòng)汽車電能量消耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選取歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECE)的NEDC工況、美國(guó)環(huán)保署的FTP75工況以及日本電動(dòng)汽車協(xié)會(huì)的Jap1015工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，電能量消耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本原理如圖1所示。

表1 純電動(dòng)汽車主要技術(shù)參數(shù)

圖1 純電動(dòng)汽車電能量消耗測(cè)試系統(tǒng)基本原理

由圖1可知，該電能量消耗測(cè)試系統(tǒng)主要由AVL Roadsim底盤測(cè)功機(jī)和日置HIOKI 3390電能量消耗測(cè)試儀組成。其工作原理是：當(dāng)純電動(dòng)汽車行駛時(shí)，底盤測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的行駛工況，通過(guò)加載器對(duì)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪施加相應(yīng)的負(fù)荷∑F，并通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得底盤測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速nd，根據(jù)轉(zhuǎn)轂半徑rd進(jìn)而計(jì)算出車速ua(t)和加速度dua(t)/dt，與此同時(shí)，電能量消耗測(cè)試儀測(cè)出動(dòng)力電池組放電電流Iess(t)和放電電壓Uess(t)。

實(shí)驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)GB/T 18386--2005要求進(jìn)行[7]，且不考慮能量回收和附件電能量消耗。首先，調(diào)整好純電動(dòng)汽車與底盤測(cè)功機(jī)的相對(duì)位置并對(duì)車輛進(jìn)行固定。然后，根據(jù)國(guó)標(biāo)要求設(shè)置底盤測(cè)功機(jī)施加給車輛驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)荷∑F。接著，將電能量消耗測(cè)試儀與純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組正負(fù)極導(dǎo)線相連。最后，駕駛員操作加速踏板同時(shí)觀察車速顯示屏，使實(shí)際車速ui(t)和理論車速uT(t)差值保持在國(guó)標(biāo)規(guī)定公差范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，導(dǎo)出車速ua(t)、加速度dua(t)/dt、電池組放電電流Iess(t)和放電電壓Uess(t)等隨時(shí)間t變化數(shù)據(jù)。其中，在NEDC，Jap1015和FTP75實(shí)驗(yàn)工況0～617 s時(shí)間(簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)時(shí)間)內(nèi)，車速ui(t)隨時(shí)間t變化曲線如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)NEDC，Jap1015和FTP75工況下的動(dòng)力電池組輸出功率Pess(t)隨時(shí)間t變化曲線如圖3所示。

依據(jù)式(6)可計(jì)算出實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)所用3種行駛工況動(dòng)力電池組單位里程能耗。其中，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組按Jap1015工況平均單位里程能耗Ecr-m-Ja最低，僅為159.77 (W·h)/km；NEDC工況平均單位里程能耗Ecr-m-NE為244.91 (W·h)/km，是Jap1015工況的1.53倍；FTP75工況平均單位里程能耗Ecr-m-FT最高為337.25 (W·h)/km，是Jap1015工況的2.11倍。由此可見(jiàn)，不同行駛工況下動(dòng)力電池組單位里程能耗差異較大。

圖2 NEDC，Jap1015和FTP75實(shí)驗(yàn)工況下 車速隨時(shí)間變化曲線

由于NEDC，Jap1015和FTP75工況是由加速、勻速、減速和停車過(guò)程所組成，為了分析加速、勻速和減速過(guò)程對(duì)實(shí)驗(yàn)所用3種行駛工況動(dòng)力電池組單位里程能耗的作用大小，分別求出實(shí)驗(yàn)所用3種行駛工況的不同行駛階段動(dòng)力電池組單位里程能耗，如表2所示。

由表2可知，實(shí)驗(yàn)所用3種工況加速階段單位里程能耗遠(yuǎn)大于勻速階段和減速階段，如在NEDC工況加速階段，其Ecr-a-NE為539.49 (W·h)/km，它是勻速階段的Ecr-c-NE的3.93倍，是減速階段的Ecr-d-NE的18.53倍。平均單位里程能耗大的FTP75工況，其加速階段的Ecr-a-FT也最高，平均單位里程能耗最低的Jap1015工況，其加速階段的Ecr-m-Ja最低。且3種工況的加速階段行駛時(shí)間所占比例較長(zhǎng)，分別為31.0%，39.8%和31.1%。由此可知，實(shí)驗(yàn)所用3種工況的單位里程能耗大小取決于加速階段。

為此，對(duì)3種行駛工況的加速階段進(jìn)行研究，其中，NEDC工況加速階段包含8個(gè)加速過(guò)程，Jap1015工況加速階段包含10個(gè)加速過(guò)程，F(xiàn)TP75工況加速階段包含14個(gè)加速過(guò)程，3種工況每個(gè)加速過(guò)程單位里程能耗隨每個(gè)加速過(guò)程平均加速度變化如圖4所示。

圖3 NEDC，Jap1015和FTP75實(shí)驗(yàn)工況下 動(dòng)力電池組輸出功率隨時(shí)間變化曲線表2 NEDC，Jap1015和FTP75工況的不同行駛階段動(dòng)力電池組的單位里程能耗 (W·h)/km

由圖4關(guān)系曲線可知，NEDC，Jap1015和FTP75工況的加速過(guò)程隨著每個(gè)加速過(guò)程平均加速度增大單位里程能耗逐漸遞增，可見(jiàn)行駛參數(shù)中加速度是影響純電動(dòng)汽車單位里程能耗的因素之一。

圖4 NEDC，Jap1015和FTP75加速過(guò)程 單位里程能耗隨平均加速度變化

為進(jìn)一步研究NEDC，Jap1015和FTP75工況加速過(guò)程的平均加速度大小對(duì)純電動(dòng)汽車單位里程能耗的影響，對(duì)其加速工況平均加速度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。

圖5 NEDC,Jap1015和FTP75工況加速過(guò)程 平均加速度分布

由圖5可知，動(dòng)力電池組平均單位里程能耗低的Jap1015工況平均加速度主要分布在低加速度區(qū)，動(dòng)力電池組平均單位里程能耗高的FTP75工況平均加速度分布范圍廣且高加速度區(qū)所占比重大，NEDC工況加速過(guò)程平均加速度分布較集中且位于中加速度區(qū)。因此可知，NEDC，Jap1015和FTP75工況加速過(guò)程中加速度分布不同導(dǎo)致3種工況動(dòng)力電池組單位里程能耗差異。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了研究行駛工況特征參數(shù)對(duì)電動(dòng)汽車電能量消耗之間的關(guān)系，以NEDC，Jap1015和FTP75工況下的電動(dòng)汽車電能量消耗為研究對(duì)象，進(jìn)行了基于行駛工況的純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組電能量消耗實(shí)驗(yàn)，分析了加速、勻速和減速工況對(duì)純電動(dòng)汽車電能量消耗的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所用3種行駛工況下純電動(dòng)汽車單位里程能耗差異較大，其中加速工況對(duì)純電動(dòng)汽車電能量消耗最大，占整個(gè)總電能量60%以上，其單位里程能耗也遠(yuǎn)大于勻速和減速工況，即加速工況決定整個(gè)行駛工況電能量消耗。接著對(duì)NEDC，Jap1015和FTP75工況加速過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著平均加速度增大單位里程能耗增大。由此可得出行駛工況特征參數(shù)中的加速度dua(t)/dt對(duì)純電動(dòng)汽動(dòng)力電池組單位里程能耗Ecr影響較大。通過(guò)合理設(shè)計(jì)基于行駛工況的加速曲線及其控制策略是降低純電動(dòng)汽車能耗提高續(xù)駛里程的關(guān)鍵技術(shù)之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王猛,孫澤昌.電動(dòng)汽車驅(qū)制動(dòng)能耗特性研究[C]∥2013年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京:北京理工大學(xué)出版社,2013:253-257.

[2] 孫澤昌,曾英捷,劉楊.基于上海市道路工況電動(dòng)汽車能耗特性研究[J].機(jī)電一體化,2014,20(8):41-46.

[3] 周飛鯤.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車控制策略研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2013.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5] 邢偉.電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2004.

[6] 秦大同,周保華,胡明輝,等.兩擋電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(1): 1-6.

[7] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電動(dòng)汽車能量消耗和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法:GB/T 18386—2005[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.