李雪凡，白世偉，王貴山

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430100）

前言

由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的能耗和排放難以取得質(zhì)的突破，使得汽車新能源技術(shù)的發(fā)展成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。與其他類型的新能源汽車相比，純電動(dòng)汽車僅使用電能作為驅(qū)動(dòng)能源，零排放、零油耗，是未來汽車發(fā)展的重要方向[2-4]。

然而，純電動(dòng)汽車除了具有零污染、零油耗的優(yōu)點(diǎn)外，還面臨許多技術(shù)難題，如續(xù)駛里程不足、充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善以及充電時(shí)間過長(zhǎng)等。較短的續(xù)駛里程意味著純電動(dòng)汽車消費(fèi)者具有較高程度的“里程焦慮”[5-7]。而充電基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏無疑會(huì)進(jìn)一步加劇消費(fèi)者對(duì)使用純電動(dòng)汽車的擔(dān)憂。若要解決充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善和充電時(shí)間過長(zhǎng)等難題，所涉及的難度、規(guī)模都比較大，不易實(shí)現(xiàn)。因此，若要提高純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)占有率，需從改善其續(xù)駛里程入手。

東風(fēng)柳州汽車有限公司的韓永飛[8]從整車角度提出了通過降低空氣阻力系數(shù)、滾動(dòng)阻力系數(shù)和整車重量等優(yōu)化方向提升續(xù)駛里程。奇瑞汽車股份有限公司馬文明[9]利用CAE軟件對(duì)某純電動(dòng)汽車開發(fā)項(xiàng)目中影響續(xù)駛里程的主要因素靈敏度進(jìn)行了分析，明確了制動(dòng)能量回收率等因素對(duì)NEDC工況下續(xù)駛里程的影響。北京理工大學(xué)陳勇[10]建立電池均勻性對(duì)電池輸出功率的影響模型，提出對(duì)電池進(jìn)行篩選等方法以提高續(xù)駛里程。大陸集團(tuán)推出智能熱管理系統(tǒng)，通過模塊化設(shè)計(jì)，保證不同系統(tǒng)的最佳工作溫度，提高電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程[11]。

基于上述研究，為了提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程，本文針對(duì)純電動(dòng)汽車，制定效率優(yōu)化控制策略，有效提升整車經(jīng)濟(jì)性。本文通過多元線性回歸得到動(dòng)力電池效率，充放電功率和SOC三者的關(guān)系，將動(dòng)力電池效率圖根據(jù)SOC區(qū)間分為多個(gè)部分，使效率曲線的設(shè)計(jì)方程更好地適應(yīng)效率圖，從而制定考慮效率優(yōu)化的控制策略。最終對(duì)本文提出的控制策略進(jìn)行仿真和實(shí)車驗(yàn)證，該策略進(jìn)一步提高了整車?yán)m(xù)駛里程。

1 電動(dòng)物流車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

本文研究的純電動(dòng)物流車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整車基本參數(shù)和性能指標(biāo)如表1、2所示。

圖1 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 整車基本參數(shù)

表2 整車性能指標(biāo)

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

對(duì)于純電動(dòng)汽車，電機(jī)功率參數(shù)的選擇要根據(jù)純電動(dòng)行駛時(shí)的最高車速、加速性能和爬坡性能要求確定。

1.1.1 最高車速

對(duì)于整車最高車速，包括持續(xù)30分鐘最高車速和持續(xù)1分鐘最高車速，分別對(duì)應(yīng)整車性能指標(biāo)中的持續(xù)最高車速和短時(shí)最高車速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率Pr1需滿足最高車速時(shí)的功率需求，如式所示：

式中，Pumax為短時(shí)或持續(xù)最高車速對(duì)應(yīng)的最大功率；m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ηt為傳動(dòng)效率；umax為短時(shí)或持續(xù)最高車速。

1.1.2 爬坡性能

對(duì)于爬坡性能，分別計(jì)算在爬坡度為20%、25%和30%，不同爬坡穩(wěn)定車速下的純電動(dòng)汽車的需求功率Pr2，如式所示：

式中，uα為爬坡車速；α為爬坡角度。

1.1.3 加速性能

對(duì)于加速性能所需功率，設(shè)定在水平路面上從原地起步電動(dòng)汽車加速到50 km/h不超過8 s。在加速末端時(shí)刻輸出的最大功率Pr3為：

式中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；vm為加速時(shí)最高車速；dt為時(shí)間步長(zhǎng)；tm為加速時(shí)間；x為擬合系數(shù)。

1.1.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速：

式中，r為輪胎滾動(dòng)半徑；i0為主減速器傳動(dòng)比。

1.1.5 電機(jī)峰值扭矩

驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩：

式中：Tmax1為根據(jù)最大爬坡度αmax確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大扭矩；Tmax2為根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)峰值功率Pmax確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大的扭矩。

1.1.6 電機(jī)額定扭矩

驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定扭矩Te：

式中，Pe為電機(jī)額定功率；ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

純電動(dòng)汽車的電機(jī)峰值功率必須不小于三大動(dòng)力性指標(biāo)所確定的功率，即：

根據(jù)以上設(shè)計(jì)過程，電機(jī)的基本需求參數(shù)，如表3所示：

表3 整車動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的電機(jī)參數(shù)

最終，所選電機(jī)的效率和功率分別如下圖所示。

圖2 電機(jī)效率map圖

圖3 電機(jī)功率示意圖

1.2 動(dòng)力電池參數(shù)

1.2.1 電池組功率參數(shù)

電池組在純電動(dòng)時(shí)，為電機(jī)提供放電功率，因此電池組的最大放電功率Pr_max必須大于電動(dòng)機(jī)的峰值功率，即：

式中，ηb-a為電池組平均放電效率；Paux為附件消耗功率。

1.2.2 電池組容量

電池能量必須不小于純電動(dòng)行駛里程，其電池組的額定總能量滿足條件：

式中，Wb為電池組總能量；Pess為電池輸出功率；S為純電動(dòng)續(xù)駛里程；△soc為動(dòng)力電池放電深度。

電池放電輸出功率與電機(jī)電動(dòng)的關(guān)系為：

式中，Pm為電機(jī)功率，ηbm為電池到電機(jī)的傳動(dòng)效率。

電池組容量與總能量的關(guān)系：

其中，Q為電池組容量；Ue為電池組額定電壓。

最終，所選動(dòng)力電池的參數(shù)如表4所示。

表4 電池性能參數(shù)

考慮到環(huán)境溫度對(duì)電池性能參數(shù)的影響，本文分別取溫度為10 ℃、25 ℃和45 ℃下，分析單體電池開端電壓、充放電內(nèi)阻和電池SOC的關(guān)系，如圖4所示，為不同溫度下，電池性能參數(shù)隨SOC的變化。

圖4 單體電池充放電內(nèi)阻、開端電壓與SOC的關(guān)系

2 構(gòu)建效率優(yōu)化控制策略

效率優(yōu)化的關(guān)鍵是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，使EV工作在最佳的工作區(qū)間，有效提升整車?yán)m(xù)駛里程。為了提高純電動(dòng)物流車的經(jīng)濟(jì)性，并解決整車在運(yùn)行過程中動(dòng)力元件效率對(duì)系統(tǒng)能量利用率影響的問題，在合理的參數(shù)匹配基礎(chǔ)上，制定了基于多元線性回歸的效率優(yōu)化控制策略。

為了計(jì)算效率圖的最大優(yōu)點(diǎn)，通過多元線性回歸得到動(dòng)力電池效率，電流和SOC三者的關(guān)系并通過Matlab創(chuàng)建并計(jì)算了效率曲面曲線，如圖5所示。由圖可知，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)均落在擬合的效率曲面上，然而，某些高效率點(diǎn)（如紅色圈內(nèi)）不能通過曲線擬合得到，尤其在低SOC區(qū)間時(shí)，導(dǎo)致優(yōu)化過程難以達(dá)到最佳的效率點(diǎn)。

圖5 動(dòng)力電池效率

為了解決上述問題，從而達(dá)到更好的曲線擬合效果，本文將動(dòng)力電池效率圖，根據(jù)SOC區(qū)間分為多個(gè)部分，使曲線的設(shè)計(jì)方程更好地適應(yīng)效率圖。利用多元線性回歸方程將動(dòng)力電池效率按照不同的SOC區(qū)間（SOC＜0.5，0.5＜=SOC＜0.7，0.7＜=SOC＜0.9，SOC＞=0.9）劃分為四部分，最終的動(dòng)力電池效率區(qū)域如圖6所示。

圖6 動(dòng)力電池效率區(qū)域

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文制定的效率優(yōu)化控制策略的有效性，開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與基于map的方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能比較。

3.1 效率優(yōu)化控制策略性能實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的基于多元線性回歸的效率優(yōu)化控制策略能夠進(jìn)一步提高整車經(jīng)濟(jì)性，將與基于map的方法進(jìn)行對(duì)比。為了清楚表示，這里僅列出在一個(gè)CWTVC循環(huán)工況下的結(jié)果，如圖8所示，為實(shí)際車速與目標(biāo)車速的對(duì)比圖，在工況運(yùn)行過程中，實(shí)際車速可以很好地跟隨目標(biāo)車速。

圖7 實(shí)際車速與目標(biāo)車速對(duì)比

如圖8所示，圖(a)為一個(gè)CWTVC循環(huán)工況下電機(jī)功率對(duì)比圖，電機(jī)功率大致分布在－46.5 kw至58 kw之間。圖(b)為一個(gè)CWTVC循環(huán)工況下電池放電信號(hào)示意圖，放電信號(hào)在0和1之間不斷切換，其中1代表電池此刻在放電。為了清楚反映SOC的變化趨勢(shì)，圖(c)為多個(gè)重復(fù)CWTVC循環(huán)工況下兩種策略下的SOC對(duì)比圖，結(jié)果表明，基于效率優(yōu)化控制策略最后SOC為0.1317，電量消耗3.3725 kwh；基于map的策略最后的SOC為0.100，電量消耗3.3726 kwh?；谛蕛?yōu)化控制策略相比基于map的方法，在電量消耗量接近的情況下，采用效率優(yōu)化控制策略剩余SOC更多，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

圖8 經(jīng)濟(jì)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

如圖9 所示，為兩種策略下實(shí)際效率對(duì)比圖，為了清楚表示，將SOC區(qū)間在0.35至0.55間的實(shí)際效率點(diǎn)放大，如圖9(b)，可以明顯看到，這兩種策略均能工作在高效率區(qū)間，其中，基于map的方法，實(shí)際充放電效率區(qū)間在[0.96,1]，基于效率優(yōu)化控制策略的實(shí)際充放電效率在[0.97,1]，效率稍優(yōu)于基于map的方法，使動(dòng)力電池更多地工作在高效率區(qū)間，提高整車經(jīng)濟(jì)性。

圖9 電池效率結(jié)果對(duì)比

如圖10為兩種策略下，電量耗盡時(shí)行駛里程對(duì)比圖，基于map的方法最終行駛里程為288 km，基于效率優(yōu)化控制策略的最終行駛里程為300 km，相比基于map的方法，續(xù)駛里程更長(zhǎng)，每月可多跑360 km。

圖10 SOC和行駛里程關(guān)系對(duì)比

3.2 實(shí)車驗(yàn)證

在某公司轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室開展該電動(dòng)車CWTVC工況下的續(xù)駛里程測(cè)試。主要試驗(yàn)設(shè)備：德國(guó)MAHA公司的底盤測(cè)功機(jī)，型號(hào)72H-2MOT。圖11為實(shí)測(cè)CWTVC工況下續(xù)駛里程的過程數(shù)據(jù)，電流為正值，代表能量輸出放電過程，電流為負(fù)值時(shí)，代表能量回收過程。

圖11 C-WTVCS工況法續(xù)駛里程測(cè)試過程數(shù)據(jù)曲線圖

試驗(yàn)樣車實(shí)施了效率優(yōu)化控制策略后，實(shí)測(cè)CWTVC工況下續(xù)駛里程為297.2 km。

4 結(jié)論

（1）以提高純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性為研究目標(biāo)，在構(gòu)建純電動(dòng)汽車模型的基礎(chǔ)上，制定考慮效率的控制策略。

（2）通過仿真實(shí)驗(yàn)表明，基于效率優(yōu)化控制策略，相比基于map的方法，在工況運(yùn)行過程中，動(dòng)力電池工作在更高的效率區(qū)間，在相同SOC區(qū)間下，續(xù)駛里程更長(zhǎng)，每月可多跑360 km，在經(jīng)濟(jì)上優(yōu)于基于map的方法，為后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)提供了參考。

（3）今后將進(jìn)一步研究再生制動(dòng)能量回收對(duì)續(xù)駛里程的影響及提升方案。