摘要

本文針對CLTC工況下的純電動汽車續(xù)駛里程進行了試驗研究，對比分析了低溫、常溫及高溫等不同環(huán)境溫度下高壓電池、驅(qū)動電機系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及DC/DC低壓附件等關(guān)鍵零部件的能耗特性。研究結(jié)果表明:高低溫環(huán)境是影響純電動汽車經(jīng)濟性能的重要因素，相比于常溫使用環(huán)境，純電動汽車續(xù)駛里程分別衰減了19.8%和48.1%。在低溫、常溫及高溫環(huán)境下高壓電池的放電能量占比分別為85%、95%、96%，其中用于驅(qū)動的能量占比分別為55%、88%、70%，用于空調(diào)系統(tǒng)的能量占比分別為14%、0%、26%，用于DC/DC低壓附件消耗占比分別為12%、5%、5%。高低溫環(huán)境下高壓電池放電能力的衰減以及各關(guān)鍵零部件能耗特征的變化與平衡，最終影響了純電動汽車的續(xù)駛表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞

純電動車，中國工況（CLTC），能量流，能耗

主要內(nèi)容

引言

通過整車能量流分析方法分析高低溫續(xù)駛衰減的原因,可以清晰地發(fā)現(xiàn)整車各系統(tǒng)與各部件能耗的“來龍去脈”,針對性地優(yōu)化它們的能量消耗和提高其工作效率?早期,該方法廣泛用于傳統(tǒng)燃油車的能耗分析,目前該方法也在混合動力汽車上得到應(yīng)用?而純電動車能量流分析的相關(guān)文獻較少,目前主要包含如下幾個方面:

1)整車能量流分析?類似傳統(tǒng)車能量流分析,分析整車各系統(tǒng)或零部件的能耗及其分布;

2)系統(tǒng)級能量流分析;

3)能量分配策略,制動能量回收控制策略?

這些研究主要考查常溫工況的能量流(或能耗),沒有研究低溫與高溫下的能量流(或能耗)?本文根據(jù)某品牌純電動車的主要系統(tǒng)和部件電氣架構(gòu),通過EVtest2019版續(xù)駛里程測試規(guī)程分別考查了常溫?低溫和高溫環(huán)境下單循環(huán)以及整個續(xù)駛里程試驗中高壓電池?電機系統(tǒng)?空調(diào)?DC/DC低壓附件等主要系統(tǒng)零部件的能耗,并分析了能耗差異的原因?

1 試驗

1.1試驗設(shè)備

主要采集記錄設(shè)備見表1?

1.2試驗方法

按照EV-test2019中續(xù)駛里程試驗方法進行常溫?低溫和高溫續(xù)駛試驗,試驗循環(huán)工況采用CLTC-P,車速由線如圖1所示?

試驗工況及要求見表2。

1.3測量參數(shù)

純電動車的能量形式主要有電能?機械能?熱能?為了便于計算和說明問題,忽略高壓線路的熱損失?壓降和可能存在的低壓電池充放電能耗?

分別根據(jù)下式可以計算得到電能和機能:

式中,P為功率;U為電壓;I為電流;T為電機轉(zhuǎn)矩;n為電機轉(zhuǎn)速;E為能量;t為時間?

因此,理論上可以通過測量零部件的輸入電流I電壓U得到該零部件消耗的能量,測量電機的轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n可得到電機的機械能(本文只考慮高壓器件的能耗)?某品牌電動車的主要部件電氣架構(gòu)及能耗示意圖如圖2所示?

高壓電池包分出兩路:一路連接DC/DC和電機系統(tǒng)(集成式),DC/DC輸出端連接低壓電池;另一路連接PDU,再連接PTC和壓縮機?E,為電網(wǎng)充電電能;EB為高壓電池消耗的電能;EdB為其放電電能;E1B為其充電電能;EP為電機總成消耗的電能;Edp為電流流入電機總成時的電能,E1p為電流輸出時的電能;EM為電機系統(tǒng)消耗的電能;EdM為電流流入電機系統(tǒng)時的電能E1M,為電流輸出時的電能,EDC為輸入DC/DC的電能(DC/DCin的電能);EA為DC/DC輸出能量(DC/DCout);TT為電機傳給傳動系統(tǒng)的機械能;EPDU為輸入PUD的電能?高溫或低溫下,壓縮機與PTC分別單獨工作,故EPDU=EAC-EPTC。

忽略電線壓降,則各部件高壓均相等,只需測量一路高壓即可?測量高壓電池到PDU回路的電流和電壓即可得到EPDU(線路①)?由于DC/DC和電機系統(tǒng)為集成式,難以直接測量DC/DC及電機系統(tǒng)輸入端的電流,故測量②線路的電流和③線路的電流電壓?由③線路的電流電壓可得到低壓附件的總能耗EAO具體的測量參數(shù)匯總見表30高壓測量時需事先去除高壓線正負極外層塑料,并做相應(yīng)的絕緣處理?為了準確測量電流值,移除高壓線測點處外層屏蔽層?所有測量信號的采集頻率為l0Hz?

1.4能耗計算

如圖3所示，在驅(qū)動或制動時，高壓電流方向可分為4種:A為驅(qū)動時電流方向;B為制動時0≤|IM| <lDC/DC的電流方向;C為制動時IDC/DC≤|IM|<IPDU的電流方向;D為制動時IDC/DC≤|IM|的電流方向。

2 試驗結(jié)果

以單循環(huán)為分析單元進行能耗計算,得出整個試驗過程的能量流分布情況?

2.1常溫工況的能量流

圖4為常溫工況下各系統(tǒng)零部件的能耗?續(xù)駛里程試驗共經(jīng)歷25個完整循環(huán)和一個不完整循環(huán)?從圖可看出,驅(qū)動時電機系統(tǒng)是主要能量消耗部件;制動回饋時,電機回饋能量(EbM)與電池回饋能量(EbB)接近,即電機回饋能量絕大部分回到電池,它們的差值即為電機回饋時的Eoco第一循環(huán)與其他完整循環(huán)有兩個不同點:

其一為高壓電池回饋的能量和電機回饋的能量降低了約30%,分別為隊39kW?h和0.42kW·ho這是因為高壓電池soc接近100%,高壓電池?zé)o法吸收全部回饋能量?

其二為電機系統(tǒng)驅(qū)動能量(EdM)明顯較高?這是由于電機起始溫度為常溫,通常稱為常溫冷起動,電機溫度沒有達到運行狀態(tài)下的溫度?兩種原因(第一個是主要原因)導(dǎo)致高壓電池消耗的能量(EB)較高,為2.04kW·h?

第一循環(huán)之后,各部件能耗水平比較穩(wěn)定:高壓電池消耗1.76kW·h,電機系統(tǒng)(Em)消耗為1.66kW·h,DC/DC(Edc)約0.1kW·h?理論上,每個完整循環(huán)工況下電機驅(qū)動能量(Ed_M)不變,圖上出現(xiàn)的波動是由人為因素導(dǎo)致?這種波動導(dǎo)致其他能量隨之波動?但所有完整工況下電機消耗能量占比基本不變,約為94%?

2.2低溫工況的能量流

圖5為低溫續(xù)駛各系統(tǒng)零部件的能耗?續(xù)駛里程試驗共經(jīng)歷12個完整循環(huán)和一個不完整循環(huán)?從圖上可看出,驅(qū)動時電機系統(tǒng)仍然是主要的能量消耗部件,空調(diào)消耗的能量(EPTC)占有重要比重;制動回饋時,→半以上的電機回饋能量(EbM)回到電池?與常溫續(xù)駛情況類似,第→循環(huán)電機系統(tǒng)驅(qū)動能量(EeM)和電池消耗能量(EB)較高,回饋能量(EbM)較低?

高壓電池消耗(EB)從4.32kW?h降至約3.13kW?h,電機系統(tǒng)消耗(EM)從2.34kW?h降至約2.04kW?h,PfC能耗從1.76kW?h降至約0.92kW?h,DC/DC(EDC)從0.22kW?h降至約0.17kW·h?

2.3高溫工況的能量流

圖6為高溫續(xù)駛各系統(tǒng)零部件的能耗?續(xù)駛里程試驗共經(jīng)歷20個完整循環(huán)和一個不完整循環(huán)?

從圖上可看出,驅(qū)動時電機系統(tǒng)還是主要的能量消耗部件,空調(diào)能耗大大降低,接近DC/DC(E配)能耗水平;制動回饋時,很大部分電機回饋能量(EbM)回到電池?同樣,第一循環(huán)電機系統(tǒng)驅(qū)動能量(EdM)和電池消耗能量(EB)較高,回饋能量(EbM)較低?

空調(diào)能耗與電池能耗出現(xiàn)兩次明顯的尖峰,最后階段空調(diào)失效?從起始到平衡,高壓電池消耗(EB)從2.68kW?h降至約2.12kW?h,電機系統(tǒng)消耗(EM)從1.88kW?h降至約1.62kW?h,空調(diào)(AC)能耗從0.49kW?h降至約0.25kW?hDC/DC從0.30kW?h降至約0.26kW?h?

3. 討論與分析

3.1各系統(tǒng)零部件能耗對比分析

圖7為不同溫度下的電機系統(tǒng)能耗,可看出常溫和高溫電機系統(tǒng)驅(qū)動消耗能量(EdM)相當(dāng),而低溫下消耗能量顯著增大?

低溫是常溫的約1.1倍,與中國汽車技術(shù)中心的《EV-TEST(電動汽車測評)管理規(guī)則》的標準的阻力系數(shù)加載方法相吻合?同時從側(cè)面說明當(dāng)電機“熱機”后,低溫下電機效率并無明顯降低?從圖中也可以看出,低溫下電機冷起動引起的能耗增加幅度高于常溫和高溫?由于行駛阻力的增大,低溫下電機回饋能量也抵于常溫和高溫?但通過謹慎地對比分析發(fā)現(xiàn)高溫下電機回饋能量略高于常溫,這一現(xiàn)象也出現(xiàn)在另一款車型上?另一個值得關(guān)注的地方是常溫下電機系統(tǒng)驅(qū)動消耗能量波動較小,高溫和低溫下波動較大?

3.2熱管理影晌分析

低溫和高溫下,空調(diào)性能關(guān)乎人體熱舒適性,空調(diào)能耗對續(xù)駛里程有重要影響?圖8為不同溫度下的空調(diào)能耗(EPDU)與DC/DC(E0c)能耗對比?從圖中可看出,低溫下空調(diào)(ITC)能耗顯著高于高溫情形?高溫和低溫下,由于試驗起始時乘員艙溫度為環(huán)境溫度,需要把電能轉(zhuǎn)化為熱能將乘員艙溫度拉到熱舒適性溫度范圍內(nèi),類似于電機冷起動?低溫下空調(diào)“冷起動”引起的能耗增加幅度遠高于高溫情形?

圖9為低溫下電機系統(tǒng)與高壓電池的能耗比?從圖上可看出,空調(diào)在第一循環(huán)后基本達到平衡,即半小時內(nèi)乘員艙溫度即可達到熱舒適性溫度范圍?半小時之后低溫空調(diào)能耗持續(xù)降低,說明整車達平衡需要較長時間?高溫下雖然空調(diào)能耗低,但需2個小時才達平衡,可能是壓縮機匹配性較差?

中間段和末尾段空調(diào)能耗已經(jīng)平衡情況下出現(xiàn)了2次尖峰,說明高壓電池?zé)峁芾黹_啟Q從側(cè)面也說明了低溫下無高壓電池?zé)峁芾?平衡后ITC能耗是壓縮機能耗的3倍左右(無電池冷卻時)?第10和第11循環(huán)空調(diào)消耗能量減去第9和第10循環(huán)計算出電池冷卻消耗能量約0.55kW·h。

相比常溫下低壓附件運行情況,低溫下增加了一些空調(diào)相關(guān)低壓附件(如ITC水泵?空調(diào)箱體鼓風(fēng)機等)的運行,故低溫下DC/DC(E0c)的能耗比常溫略有增加?而高溫下,還增加了電機回路水泵?散熱器冷卻風(fēng)扇?電池回路水泵等低壓部件的運行,故高溫下低壓能耗高于低溫,約為常溫的2.65倍?

雖然高溫下電機回饋能量略高于常溫,但由于高溫下有一部分電機回饋能量流向空調(diào)?所以高溫下電池回饋能量(EhB)略低于常溫?

比較圖8和圖10的曲線可看出,電池消耗能量與空調(diào)消耗能量有相同的趨勢,進一步說明空調(diào)能耗很大程度上影響著電池的能耗?

所有循環(huán)累加求和得到總能耗,匯總?cè)缫姳??

由于高壓電池在低溫下的充放電特性,低溫下高壓電池續(xù)駛里程數(shù)衰減較少:其中空調(diào)能耗占14%,電池消耗能耗充放電內(nèi)阻較大,理論放出電量較低?故低溫下高壓減少2%,低壓能耗增加5%?因而,整車行駛阻力?電池?zé)犭姵叵?EB)最低?

而高溫下電池內(nèi)阻較小(當(dāng)然也不排除與試驗終止時的車速有關(guān),高壓電池消耗略高于常溫,與表4試驗結(jié)果相吻合?根據(jù)高壓電池容量和表4得到不同溫度下的能耗占比分布(圖11)?從中可以發(fā)現(xiàn)高低溫續(xù)駛里程衰減原因?

低溫下電機系統(tǒng)能耗占55%,空調(diào)能耗占26%,DC/DC(in)能耗占5%,電池剩余能量15%?常溫下電機系統(tǒng)能耗占88%,DC/DC(in)能耗占5%,電池剩余能量6%?高溫下電機系統(tǒng)能耗占70%,空調(diào)能耗占14%,DC/DC(in)能耗占12%,電池剩余能量5%?比較表4不同溫度下電機系統(tǒng)驅(qū)動總消耗能量(EdM)與相應(yīng)阻力系數(shù)倍數(shù)的比值,高溫和抵溫比常溫分別低19.8%和48.1%,與續(xù)駛里程衰減率一致?

4 結(jié)論

以單循環(huán)工況為分析單元,通過低溫?常溫?和高溫下的能量流以及它們的總能耗,得出以下結(jié)論:

1)低溫和高溫下電機系統(tǒng)仍然是最大能耗部件,其次是空調(diào)?低溫?常溫和高溫下電機系統(tǒng)能耗占比分別為55%?88%?70%,空調(diào)能耗占比分別為269毛?0%?149毛,DC/DC低壓附件能耗占比分別為5%?5%?129毛,電池剩余電量占比分別為15%?6%?5%?

2)空調(diào)消耗顯著影響電池能耗?低溫下行駛阻力增大導(dǎo)致單位時間電機系統(tǒng)能耗較高?同時低溫下高壓電池電阻較大,導(dǎo)致高壓電池放電量降低?

3)低溫續(xù)駛里程數(shù)衰減嚴重，主要因素有:空調(diào)能耗占27%，電池消耗能耗減少12%，風(fēng)阻因素占10%;而高溫續(xù)駛里程數(shù)衰減較少:其中空調(diào)能耗占14%，電池消耗能耗減少2%，低壓能耗增加5%。因而，整車行駛阻力、電池?zé)峁芾砑半姵乇?、空調(diào)能耗是影響續(xù)駛里程的關(guān)鍵因素。

文獻來源:

石琳,湯澤波,彭林杰,等. 不同溫度下純電動汽車整車能量流研究[C].中國汽車工程學(xué)會（China Society of Automotive Engineers）.2020中國汽車工程學(xué)會年會論文集（2）.機械工業(yè)出版社（China Machine Press）,2020: 465-470.