黃 瑞, 沈天浩, 陳芬放, 陳俊玄, 俞小莉

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院, 杭州 310027)

0 引 言

近年來，電動(dòng)汽車憑借其零排放、無污染的特點(diǎn)受到越來越多的青睞[1]。然而，現(xiàn)階段電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程普遍較短的問題使大眾對(duì)其望而卻步[2]。除了突破動(dòng)力電池技術(shù)瓶頸之外，提高動(dòng)力總成運(yùn)行效率是提高其續(xù)航里程的另一條關(guān)鍵的技術(shù)路線[3]。目前，針對(duì)動(dòng)力總成運(yùn)行效率的研究大多面向單個(gè)零部件[4-6]，而電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中，動(dòng)力總成中的動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(也稱三電)具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，面向單個(gè)零部件的研究難以對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行全局優(yōu)化[7]。因此，有必要分析能量在整個(gè)動(dòng)力總成內(nèi)部傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律，即能量流，從而為三電的匹配和優(yōu)化、提高其運(yùn)行效率提供指導(dǎo)。有學(xué)者曾對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成能量流進(jìn)行仿真計(jì)算[8]，但尚未看到有測(cè)試研究。

本文針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成搭建了能量流試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)得了不同工況下由動(dòng)力電池提供的能量傳遞到電控再到電動(dòng)機(jī)的有效功率和損耗等情況。

1 電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的特點(diǎn)

電動(dòng)汽車動(dòng)力總成不同于內(nèi)燃機(jī)車，其狀態(tài)受運(yùn)行工況、溫度變化較大，尤其是動(dòng)力電池更為明顯[9]。因此搭建電動(dòng)汽車動(dòng)力總成試驗(yàn)平臺(tái)并得到相關(guān)能量流數(shù)據(jù)具有重要意義。

圖1為電動(dòng)汽車整車的能量流傳遞過程及其損耗示意圖，虛線框中所示為動(dòng)力總成能量流，本文僅針對(duì)動(dòng)力總成(三電)進(jìn)行研究。三電在能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程中均會(huì)產(chǎn)生損耗，其損耗的比例及受工況的影響規(guī)律是本文主要研究的內(nèi)容。

圖1 電動(dòng)汽車整車能量流及損耗示意圖

2 能量流測(cè)試平臺(tái)的搭建

2.1 需求分析

搭建本測(cè)試平臺(tái)的目的是測(cè)試不同工況下電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的能量流分布，因此對(duì)測(cè)試平臺(tái)的需求如下：阻力加載及能量消耗，測(cè)試平臺(tái)控制，相關(guān)參數(shù)測(cè)量，考慮到三電工作時(shí)產(chǎn)生熱量[10-11]，因此還包含冷卻需求。

2.2 測(cè)試參數(shù)

能量在從電池到電動(dòng)機(jī)的傳遞過程中分別以不同的形式存在：電池輸出直流電給電控，電控輸出交流電給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出機(jī)械功。為了獲得電池輸出的兩相直流電和電控輸出的三相交流電的電功率，需要分別測(cè)量各相的電壓和電流；對(duì)于電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率，需要測(cè)量其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

同時(shí)，測(cè)試平臺(tái)還需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括：冷卻液進(jìn)出口溫度、流量，三電部件內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度等。

2.3 測(cè)試平臺(tái)整體規(guī)劃

測(cè)試平臺(tái)由多個(gè)模塊組成，以便于安裝、調(diào)試、檢測(cè)和運(yùn)行。根據(jù)測(cè)試平臺(tái)需求分析，可以將本測(cè)試平臺(tái)分為五大模塊，分別為動(dòng)力總成模塊、液流換熱模塊、充電模塊、臺(tái)架控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)組成如圖2所示。

2.4 測(cè)試平臺(tái)硬件開發(fā)

測(cè)試平臺(tái)的五大模塊中，動(dòng)力總成模塊和充電模塊由車輛原部件組成。下面主要介紹其他模塊的硬件組成和特點(diǎn)。

圖2 能量流測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)框圖

控制模塊的功能是模擬VCU進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)和相關(guān)硬線信號(hào)的發(fā)送和接收。本試驗(yàn)平臺(tái)采用NI 9853高速CAN模塊進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)收發(fā)，硬線信號(hào)采用12V電壓信號(hào)源進(jìn)行模擬。

數(shù)據(jù)采集模塊的功能為采集數(shù)據(jù)。測(cè)量參數(shù)中，電池、電控輸出端的電壓、電流由功率分析儀測(cè)量，采用廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的PA5000型功率分析儀，其精度高，易于操作。由于電池放電時(shí)電流可達(dá)幾百A，PA5000最大僅支持50 A電流，因此需選配相應(yīng)電流傳感器。電動(dòng)機(jī)輸出端的扭矩、轉(zhuǎn)速分別由轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量。此外，監(jiān)控參數(shù)中的冷卻液進(jìn)出口溫度和三電內(nèi)部溫度采用熱電偶測(cè)量，熱電偶則布置于三電冷卻液的進(jìn)出口，共6個(gè)通道；電池冷卻回路和電動(dòng)機(jī)電控冷卻回路的流量采用渦輪流量計(jì)測(cè)量。相應(yīng)傳感器的精度如表1所示。

表1 測(cè)試儀器參數(shù)

液流換熱模塊由恒溫水箱、無極水泵、換熱器、加熱器等組成，其目的為控制三電部件的冷卻液入口溫度以及冷卻液流量等相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，本測(cè)試平臺(tái)液流換熱系統(tǒng)可以控制冷卻液入口溫度在±1℃以內(nèi)。

2.5 測(cè)試平臺(tái)軟件開發(fā)

測(cè)試平臺(tái)軟件的主要功能為控制平臺(tái)運(yùn)行于目標(biāo)狀態(tài)，以及進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、分析和保存等。本平臺(tái)采用CAN協(xié)議進(jìn)行通信，測(cè)控程序主要采用LabVIEW進(jìn)行編寫和開發(fā)。程序的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 臺(tái)架測(cè)試程序架構(gòu)

由于CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間間隔很短，最短可達(dá)10 ms，因此本程序采用FPGA接收CAN數(shù)據(jù)，并通過FIFO的形式傳遞主程序與FPGA端的數(shù)據(jù)，達(dá)到不遺漏數(shù)據(jù)的目的。

測(cè)控程序前面板如圖4所示，前面板中左列為控制區(qū)域，可以發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)；右側(cè)為數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，實(shí)時(shí)解析并保存CAN總線和傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)控程序前面板

2.6 能量流計(jì)算

電池實(shí)際能夠存儲(chǔ)的能量為一定值，定義為理論能量。不同溫度、放電倍率下，電池所能放出的實(shí)際能量必然小于理論能量。本文采用SOC-OCV曲線積分法[12-13]計(jì)算電池理論能量，

(1)

式中：Uoc為開路電壓(V)，是隨SOC變化的參數(shù)，通過試驗(yàn)獲得；dQ是SOC2到SOC1過程中電池放出的電量，與放電過程有關(guān)。

電池實(shí)際輸出功率PBattery為

PBattery=ULIL

(2)

式中，UL和IL分別為負(fù)載電壓和負(fù)載電流。

電控輸出的三相交流電功率Pe采用兩表法測(cè)量[14]，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式為：

Pe=P1+P2=UACIAcosφ1+UBCIBcosφ2

(3)

電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率PMoter采用下式計(jì)算：

(4)

式中:TM為電動(dòng)機(jī)輸出扭矩；n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

若忽略導(dǎo)線損耗，可認(rèn)為某一部件的輸入功率即為上一級(jí)部件的輸出功率，該部件的損耗也可近似等于上一級(jí)的輸出功率與自身輸出功率之差。

3 動(dòng)力總成能量流測(cè)試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象

針對(duì)某電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成進(jìn)行能量流試驗(yàn)，該車輛三電的參數(shù)如下。動(dòng)力電池參數(shù):單體標(biāo)稱電壓3.65 V，電池包標(biāo)稱電壓321.2 V，單體容量44 A·h，電池包容量132 A·h，電池包總電量42.4 kW·h，單體內(nèi)阻2 mΩ，SOC放電區(qū)間100%～5%。電動(dòng)機(jī)控制器參數(shù)：相數(shù)3，工作制S9，額定容量100 kVA，最大容量150 kVA，額定輸入電壓345 V，工作電壓范圍280～420 V，持續(xù)工作電流170 A，短時(shí)工作電流330 A。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定電壓189 V，額定功率53 kW，峰值功率95 kW，額定轉(zhuǎn)矩127 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩260 N·m，額定轉(zhuǎn)速4 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速9 000 r/min。

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度為(15±5)℃，相對(duì)濕度(70±10)%。同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況作出以下假設(shè)：① 多個(gè)放電循環(huán)中容量不發(fā)生衰減；② 電池的實(shí)際最大容量為額定容量。

試驗(yàn)中采用安時(shí)積分法進(jìn)行SOC預(yù)測(cè)[15]。每次試驗(yàn)開始時(shí)需要對(duì)電池進(jìn)行相同條件的恒流恒壓充電，以保證試驗(yàn)初始條件的一致性。

本文主要研究動(dòng)力總成運(yùn)行在不同穩(wěn)態(tài)工況下的能量流規(guī)律。具體放電過程如下：

(1) 電動(dòng)機(jī)在不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行，具體工況如表2所示；

表2 試驗(yàn)工況

(2) 放電開始時(shí)SOC=1.0，當(dāng)SOC=0.2時(shí)結(jié)束放電；

(3) 電池冷卻系統(tǒng)中，采用恒溫設(shè)備控制電池冷卻液入口恒定為15℃，冷卻液流量為實(shí)車流量12 L/min；

(4) 電控、電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，采用恒溫設(shè)備控制電控冷卻液入口恒定為45℃，冷卻液流量為實(shí)車流量10 L/min。

試驗(yàn)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均取其額定轉(zhuǎn)速4 000r/min，扭矩50～127 N·m。其中4 000 r/min-50 N·m對(duì)應(yīng)于車輛60 km/h等速工況，而額定工況4 000r/min-127 N·m對(duì)應(yīng)于該車輛動(dòng)力電池持續(xù)放電的最大電流工況。

4 動(dòng)力總成能量流測(cè)試分析

4.1 放電參數(shù)測(cè)試

放電參數(shù)包括放電電壓、電流、放電時(shí)間等，本次試驗(yàn)的放電參數(shù)如表3所示。

表3 不同工況下放電參數(shù)

由表3可知，不同工況下，電池從SOC=1到SOC=0.2的放電過程中，放電開始電壓(電池在SOC=1時(shí)的開路電壓)在不同工況下比較接近，在365 V左右；放電結(jié)束電壓(電池在SOC=0.2時(shí)的負(fù)載電壓)在大扭矩工況下較小扭矩時(shí)低。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定工況，因此功率保持恒定。由于電動(dòng)機(jī)的輸出功率占電池輸出功率的絕大部分，因此可以近似認(rèn)為電池的放電功率也恒定。當(dāng)電池恒功率放電時(shí)，電池電壓會(huì)隨SOC下降而下降，因而放電電流會(huì)緩慢上升，放電電壓和電流曲線如圖5、6所示。

圖5 不同扭矩工況下放電電壓變化

圖6 不同扭矩工況下放電電流變化

電池近似恒功率放電時(shí)，電池電壓隨SOC降低而降低。放電初期電壓降低較快，之后電壓降低出現(xiàn)緩和趨勢(shì)。同時(shí)為了保持電池功率穩(wěn)定，放電電流呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，放電電流與SOC近似呈線性關(guān)系。

圖7為不同扭矩工況下的放電結(jié)束電壓變化曲線。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況放電時(shí)，扭矩越大放電結(jié)束電壓越低，近似呈線性下降趨勢(shì)。

圖7 不同扭矩工況下放電結(jié)束電壓

4.2 能量損耗測(cè)試

采用SOC-OCV曲線積分法獲得電池的理論放電功率，同時(shí)通過功率分析儀測(cè)得電池和電控輸出的電功率，通過轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率。

計(jì)算可得導(dǎo)線損耗遠(yuǎn)小于輸出功率，因此導(dǎo)線損耗忽略不計(jì)。表4～6為在整個(gè)放電過程中(SOC從1～0.2的過程)，不同工況下三電的損耗功率。

表4 不同扭矩工況下電池?fù)p耗功率

表5 不同扭矩工況下電控?fù)p耗功率

表6 不同扭矩工況下電動(dòng)機(jī)損耗功率

將4 000 r/min-50 N·m工況下的電池?fù)p耗、電控?fù)p耗、電動(dòng)機(jī)損耗和輸出功率作百分占比圖。動(dòng)力總成能量平衡如圖8所示。

圖8 4 000 r/min-50 N·m工況下能量平衡

由圖8可知，4 000 r/min-50 N·m工況下，整個(gè)放電過程(SOC從1～0.2)中，輸出機(jī)械功率占電池理論功率的比值均在83%左右，即動(dòng)力總成的整體效率在83%附近。其他扭矩工況下，動(dòng)力電池的整體效率變化不大。

將三電的損耗單獨(dú)作百分占比圖，可以更加直觀地得到三電損耗的比例，圖9為4 000 r/min-50 N·m工況下整個(gè)放電過程的損耗百分占比圖。

由圖9可知，在4 000 r/min-50 N·m工況下，電池?fù)p耗占比隨SOC的減小有增大的趨勢(shì)，其原因可能為電池內(nèi)阻增大導(dǎo)致的損耗增加。電控的損耗占比則隨SOC的減小也減小，電動(dòng)機(jī)損耗占比隨SOC的減小相對(duì)穩(wěn)定。

圖9 4 000 r/min-50 N·m工況下?lián)p耗占比

針對(duì)不同扭矩工況下的能量平衡和損耗占比分析，取SOC=0.95時(shí)的數(shù)據(jù)作相應(yīng)分析(見圖10)。

圖10 SOC=0.95時(shí)能量平衡

由圖10可知，在扭矩從50～127 N·m的過程中，50～90 N·m變化時(shí)系統(tǒng)整體效率基本不變，扭矩繼續(xù)增大至127 N·m時(shí)整體效率有略微降低。電池?fù)p耗占理論功率的比值隨扭矩增加明顯增加。

圖11為SOC=0.95時(shí)三電損耗占比隨扭矩的變化曲線。

圖11 SOC=0.95時(shí)損耗占比

由圖11可知，4 000 r/min-50 N·m工況下電池的損耗占比在29%左右，扭矩增大時(shí)電池的損耗占比上升，到額定工況4 000 r/min-127 N·m時(shí)電池?fù)p耗占比已經(jīng)超過了55%。

動(dòng)力總成在4 000 r/min-50 N·m工況下電控和電動(dòng)機(jī)損耗占比較大，這與電動(dòng)機(jī)的效率特性有關(guān)，即電動(dòng)機(jī)在小扭矩工況下的效率較低，在額定工況點(diǎn)附近的效率較高。因此在大扭矩工況時(shí)應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注電池的損耗，在小扭矩工況時(shí)應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注電控和電動(dòng)機(jī)的損耗。

綜合上述分析，在小扭矩工況時(shí)，電控電動(dòng)機(jī)損耗占主要部分；在大扭矩工況時(shí)，電池?fù)p耗占主要部分。電池?fù)p耗占比隨扭矩增大也增加明顯，因此電池?fù)p耗是扭矩增大時(shí)最需要優(yōu)化的部分。

4.3 系統(tǒng)整體效率

人們?cè)谄囆旭傔^程中一般更加關(guān)注系統(tǒng)的整體效率，整體效率最優(yōu)才是三電系統(tǒng)的控制目標(biāo)。由圖8和10可知，動(dòng)力總成的整體效率隨SOC和扭矩變化呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)是三電系統(tǒng)損耗綜合的結(jié)果。

將整個(gè)放電周期不同SOC(SOC從1.0～0.2的放電過程)的系統(tǒng)整體效率取平均值，定義為一個(gè)放電周期的動(dòng)力總成整體平均效率。

圖12為放電周期動(dòng)力總成整體平均效率隨電動(dòng)機(jī)扭矩的變化趨勢(shì)。由圖12可知，動(dòng)力總成整體平均效率隨扭矩的增大(50 N·m增大到127 N·m)呈現(xiàn)先緩慢上升后下降趨勢(shì)，在4 000 r/min-90 N·m工況附近時(shí)動(dòng)力總成整體平均效率達(dá)到最大。

圖12 動(dòng)力總成整體平均效率

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成進(jìn)行能量流測(cè)試研究，得到以下結(jié)論。

(1) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在4 000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，扭矩越大，放電電流越大，電池電壓的下降速率越快，放電至相同SOC時(shí)的電池電壓越低。

(2) 在整個(gè)放電周期(SOC從1.0～0.2的過程)，電動(dòng)機(jī)工作在4 000 r/min時(shí)，扭矩從50 N·m增大到127 N·m，三電系統(tǒng)的整體效率均在83%以上。

(3) 電池?fù)p耗占三電損耗的比例隨電動(dòng)機(jī)扭矩的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升速率有所放緩。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的損耗占三電損耗的比例隨電動(dòng)機(jī)扭矩的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(4) 在小扭矩(50/70 N·m)工況時(shí)，電控電動(dòng)機(jī)損耗占主要部分；在大扭矩(110/127 N·m)工況時(shí)，電池?fù)p耗占主要部分。

(5) 整個(gè)放電周期中，動(dòng)力總成整體平均效率隨扭矩增大有先上升后下降的趨勢(shì)，在4 000 r/min-90N·m工況時(shí)一個(gè)放電周期的動(dòng)力總成整體平均效率達(dá)到最大值。

本文主要進(jìn)行了純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成能量流測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)及其應(yīng)用分析，為動(dòng)力總成的優(yōu)化匹配提供了指導(dǎo)。電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的優(yōu)化與匹配應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同工況有不同的側(cè)重，并且應(yīng)當(dāng)以整體效率為最終優(yōu)化目標(biāo)。