摘要

能量流向分析是新能源汽車能耗的重要分析手段，通過能量流向分析可全面了解車型電耗的分布情況，定量地找到樣車與標(biāo)桿車型之間的能耗差異，從而確定最有效改善能耗水平的著手點。文章通過理論分析整車能耗機理，挖掘能耗的關(guān)鍵控制項；自動化控制實現(xiàn)各種能量相關(guān)的物理量的實時采集和數(shù)據(jù)處理，并作為降能耗措施的最終驗收標(biāo)準(zhǔn)?；诟呔葘崪y數(shù)據(jù)建立并標(biāo)定整車能量流仿真模型，一方面精準(zhǔn)定位潛在的節(jié)能方向；另一方面作為項目開發(fā)早期預(yù)判的理論支撐，對動力總成構(gòu)架、部件選型及設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，尋找最
利于能耗的解決方案。

關(guān)鍵詞

能量流；阻力分解；仿真分析；降能耗

主要內(nèi)容

在電動汽車的發(fā)展中，續(xù)駛里程和能耗是用戶最為關(guān)注的問題，里程焦慮成為阻礙電動車發(fā)展最主要的瓶頸。目前國內(nèi)外圍繞電動汽車能耗優(yōu)化的研究主要應(yīng)用的方法多數(shù)為整車軟件仿真和系統(tǒng)臺架試驗。整車試驗由于投入成本較高，試驗工況復(fù)雜，尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。而且能耗測試在整車上進行時，影響因素較多，需要控制的變量也很多，某些因素有微小的變化就可能影響試驗結(jié)果從而影響工程師的判斷。

能量流向分析是新能源汽車能量消耗的一個很重要的分析手段。通過能量流測試可全面了解車型電耗的分布情況，定量地找到樣車與標(biāo)桿車型之間的能量消耗差異，從而確定最有效改善電耗水平的著手點。另外，根據(jù)能量流測試得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，搭建、校準(zhǔn)整車仿真模型，能夠預(yù)測不同改進措施對整車電耗的影響程度，從而大幅減少驗證的周期和成本。

1  純電動車能量流及能耗理論分析

純電動汽車僅采用動力電池組作為唯一的動力來源，在行駛的過程中通過動力電池組向各用電系統(tǒng)輸出能量，同時也將再生制動回收的能量存儲進動力電池組之中。因此，要建立整車能耗機理模型，需先進行整車能量流分析，如圖1所示。

圖 1 電動汽車能量流向分析

電池輸出的有效能量分為三路，分別供給驅(qū)動電機控制器、高壓耗能元件、DC/DC，供給MCU的能量經(jīng)過MCU、驅(qū)動電機、減速器、傳動軸、差速器、半軸到達輪胎，用于克服車輛行駛阻力，供給DC/DC的能量主要用于給低壓耗電件供電，其余部分用于給高壓耗電件供電。在驅(qū)動能量的傳遞過程中，會出現(xiàn)損耗，即除了有效能量以外的部分，主要包括充電機充放電損耗、電池充放電損耗、電機損耗、減速器損耗、傳動系統(tǒng)損耗、輪胎滾阻損耗等。

將上述能量流整理成公式，即純電動汽車能量平衡關(guān)系為

Ebattery=Emotor+Eele-Ereg（1）

式中，Ebattery為動力電池組輸出的總能量；Emotor為驅(qū)動及傳動系統(tǒng)消耗的能量；Eele為電附件系統(tǒng)消耗的能量；Ereg為電機進行再生制動時回收的能量。

按照車輛運行機理，將上述的三部分能量流信息進行分解，即可以得到純電動汽車整車能量耗散機理模型，即

式中，假設(shè)車輛在平坦路面行駛，忽略坡度，為了簡化模型，僅考慮低壓附件系統(tǒng)中最主要的能耗部件（鼓風(fēng)機和冷卻系統(tǒng)），并將其視為恒功率耗能部件。m為整備質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)中的常數(shù)項；k1、k2分別為滾動阻力系數(shù)中的速度的一次項和二次項系數(shù)；Cx為空氣阻力系數(shù)；ρair為空氣密度；A為車輛的迎風(fēng)面積；v為車速；vwind為風(fēng)速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a為車輛的加速度；ηb為電池放電效率；ηm為電機效率；ηt為傳動效率；v為行駛過程中的平均車速；Iac為經(jīng)過空調(diào)壓縮機的電流；Uac為空調(diào)壓縮機的端電壓；Rac為空調(diào)壓縮機的內(nèi)阻；kt為反電動勢系數(shù)；ωdif為空調(diào)壓縮機的轉(zhuǎn)速；Pblower和Pfan為為鼓風(fēng)機和冷卻風(fēng)扇的功率；ηreg為驅(qū)動電機用于再生制動發(fā)電時的平均效率；v和v'分別為制動前后的車速。

2能量流測試

2.1能量流測試及結(jié)果分析

整車能量流測試在轉(zhuǎn)轂測功機上進行，同時利用功率分析儀采集電池輸出端、MCU輸入端、DC/DC輸入端、電機輸出端、減速器輸出端以及輪端的功率，進而得到能量流向測試數(shù)據(jù)。選取降能耗目標(biāo)車型X和對標(biāo)車S、對標(biāo)車A同時進行測試，整車主要參數(shù)如表1所示。

為了轉(zhuǎn)轂上模擬車輛實際的行駛過程，需要先在道路上進行滑行阻力測試，得到整車的行駛阻力曲線并進行轉(zhuǎn)轂加載，從而得到常溫中國輕型汽車行駛工況（ChinaLight-dutyVehicleTestCycle,CLTC）行車能量流測試結(jié)果。為找到常溫能耗優(yōu)化方向，選取常溫能耗比較優(yōu)秀的對標(biāo)車S進行常溫能量流對比，如圖2所示。

圖 2 目標(biāo)車 X 與對標(biāo)車 S 常溫能量流測試結(jié)果

常溫測試詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。其中，一級分解指標(biāo)中，目標(biāo)車X輪邊能耗和總驅(qū)動效率弱于對標(biāo)車，可進一步優(yōu)化。目標(biāo)車X與對標(biāo)車S輪邊能量差異約6.0%，主要來源于整車阻力差異，其中目標(biāo)車X風(fēng)阻系數(shù)比對標(biāo)車S大55counts，為主要優(yōu)化方向；目標(biāo)車X總驅(qū)動效率（MCU輸入至輪邊）比對標(biāo)車S低2.9%，其中半軸至輪邊的驅(qū)動效率明顯低于對標(biāo)車S，需要進一步阻力分解進行分析。此外，充電過程中DC/DC輸出功率較對標(biāo)車仍有優(yōu)化空間。

低溫能量流測試結(jié)果顯示，對標(biāo)車A低溫里程保持率相對高，且有電機余熱利用功能，選取對標(biāo)車A進行低溫能量流對比分析，如圖3所示。

 圖 3 目標(biāo)車 X 與對標(biāo)車 A 低溫能量流測試結(jié)果

常溫測試詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示，目標(biāo)車X低溫里程保持率整體高于對標(biāo)車Ａ，但對標(biāo)車電池能量保持率明顯高于目標(biāo)車X，評估余熱利用為低溫續(xù)航提升的關(guān)鍵方向。

2.2整車阻力分解測試

整車能量流對比測試顯示，目標(biāo)車X整車驅(qū)動效率明顯低于對標(biāo)車S，需進一步進行整車阻力分解確定問題部件，進而針對性提升。

圖 4 目標(biāo)車 X 及對標(biāo)車測試結(jié)果

通過測試，目標(biāo)車X有優(yōu)化空間的部件為輪轂軸承和卡鉗拖滯力矩，測試結(jié)果如圖4所示，目標(biāo)車X除后卡鉗拖滯力矩外全部大于對標(biāo)車阻力，需要進一步優(yōu)化。

2.3優(yōu)化方向

由前述能量流測試和整車阻力分解測試可知，目標(biāo)車X常溫能耗優(yōu)化方向有降風(fēng)阻、降低卡鉗拖滯力矩、降低輪轂軸承力矩及降低充電過程低壓功耗；低溫續(xù)駛里程保持率提升主要措施是優(yōu)化熱管理架構(gòu)，采用電機余熱等先進技術(shù)。

3  仿真模型搭建及校準(zhǔn)

通過對目標(biāo)車X進行工況試驗及數(shù)據(jù)采集，得到車輛的能量流向、熱管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，基于試驗數(shù)據(jù)建立高精度仿真模型，對零部件的進一步優(yōu)化以及優(yōu)化后的車輛性能評估進行指導(dǎo)，本文中采用AMESim軟件建立整車電耗優(yōu)化的仿真分析模型，包含整車動力經(jīng)濟性模型和熱管理模型，用于仿真常溫及低溫經(jīng)濟性，其中熱管理模型需要根據(jù)關(guān)鍵部件的臺架測試數(shù)據(jù)和能量流測試數(shù)據(jù)進行標(biāo)定，模型如圖5所示。

(a) 仿真模型

圖 5 仿真模型及 MCU 能耗值仿真試驗對比圖

使用試驗實測的數(shù)據(jù)對模型精度進行驗證，為后續(xù)的效能優(yōu)化分析提供基礎(chǔ)模型。選取初始SOC=50%的一個完整CLTC循環(huán)，分為低速、中速、高速、超高速四個階段，以MCU驅(qū)動回收能量為研究對象，試驗、仿真結(jié)果誤差較小，基本上在2%以內(nèi)，同時低溫工況時熱管理系統(tǒng)水溫及耗能部件功率均與試驗值有較好的吻合度，模型可以用于后續(xù)的能耗優(yōu)化工作。

4  降能耗措施研究及優(yōu)化

4.1仿真優(yōu)化

根據(jù)前述測試得到的常溫能耗影響因素，應(yīng)用前述校準(zhǔn)后的仿真模型得到各因素對能耗的影響比例如表4所示。針對目標(biāo)車X車型有優(yōu)化空間的降能耗措施進行仿真分析。

4.1.1風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化

風(fēng)阻系數(shù)與造型相關(guān)，針對造型已凍結(jié)的車型，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化主要從細(xì)節(jié)及先進技術(shù)入手，本文共提供兩個風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化方案，方案一：引入主動進氣格柵并優(yōu)化開關(guān)策略，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化10count，能耗優(yōu)化0.18kWh/100km，方案二：以電子后視鏡替代傳統(tǒng)后視鏡，風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化7count，能耗優(yōu)化0.15kWh/100km。

4.1.2制動卡鉗、輪轂軸承優(yōu)化

根據(jù)測試，目標(biāo)車X制動卡鉗單個平均拖滯力矩比對標(biāo)車高0.785Nm，輪轂軸承單個平均損失力矩比對標(biāo)車高1.79Nm，若目標(biāo)車X損失力矩能夠與對標(biāo)車S持平，整車能耗優(yōu)化0.42kWh/100km。

4.1.3充電過程低壓功耗優(yōu)化

目標(biāo)車X充電過程中低壓功耗較對標(biāo)車高29W，分析其原因主要是大屏持續(xù)開啟和部分充電不相關(guān)控制器耗電，應(yīng)用分網(wǎng)段休眠技術(shù)，對大屏、影音娛樂等控制器進行休眠處理，可使整車低壓功耗降至與對標(biāo)車相當(dāng)水平，能耗優(yōu)化0.2kWh/100km。

上述常溫優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖 6 目標(biāo)車 X 常溫優(yōu)化措施效果圖

4.1.4低溫續(xù)航保持率優(yōu)化方向

低溫續(xù)駛里程下降主要來自于整車阻力的增加、低溫電池能量回收能力減弱、電池放電容量降低和空調(diào)高低壓部件耗電，其中整車阻力的增加不可避免，目標(biāo)車X的低溫能量回收能力和空調(diào)系統(tǒng)耗電均優(yōu)于對標(biāo)車，故優(yōu)化方向主要集中于提高電池放電容量，本文主要通過優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，加入電機余熱利用功能實現(xiàn)，保證電池在更合理的溫度范圍內(nèi)放電，提高電池的放電容量，節(jié)省水加熱控制器（WaterThermalController,WTC）功率，電機余熱利用的熱管理架構(gòu)圖如圖7所示。

圖 7 加入電機余熱利用功能的熱管理架構(gòu)圖

優(yōu)化后的熱管理回路構(gòu)型，通過三通閥的控制，可以將動力總成回路和電池包回路工作模式調(diào)整為串聯(lián)和并聯(lián)，基本控制思路如下：

（1）電池溫度低于5℃，采取并聯(lián)模式，使用WTC同時給乘員艙和電池包加熱，使電池包溫度迅速上升；

（2）電池溫度高于5℃，采用串聯(lián)模式，WTC只對乘員艙進行加熱，電池包利用電機及三合一余熱進行加熱；

（3）電機水泵和電池水泵保持適當(dāng)流量，保證整個回路溫度均勻上升。

經(jīng)仿真計算，優(yōu)化后續(xù)駛里程為311km，相比于優(yōu)化前仿真結(jié)果289km，提高了7.6%。其中，WTC功率為1.332kW，較優(yōu)化前1.53kW節(jié)省13.7%，電池放電量增加了1.17kWh。三合一發(fā)熱量為237.6W（平均），電機發(fā)熱量為448.7W（平均），模組被防凍液加熱功率為375.5W（平均），模組自發(fā)熱功率為107.5W（平均）。余熱利用率為47%，余熱利用能量流如圖8所示。

圖 8 優(yōu)化后目標(biāo)車 X 能量流

4.2試驗驗證

4.2.1常溫能耗驗證

按照優(yōu)化要求選取制動卡鉗和輪轂軸承樣件，并將分網(wǎng)段休眠策略在樣車上體現(xiàn)，因風(fēng)阻優(yōu)化方案短期內(nèi)不容易實現(xiàn)，且容易受道路滑行阻力測試誤差影響，按照阻力曲線理論分析進行曲線擬合，在轉(zhuǎn)轂測功機上進行能耗試驗，續(xù)駛里程為536km，能耗為12.72kWh/100km，較基礎(chǔ)車降低了7.8%。

4.2.2低溫續(xù)駛里程保持率驗證

對整車進行熱管理系統(tǒng)改制并刷新控制策略后進行低溫復(fù)測，試驗測得續(xù)駛里程為305km，與仿真值有2%的差異，較基礎(chǔ)車提高了5.2%。

5結(jié)論

選取了目標(biāo)車X和兩款對標(biāo)車進行能量流測試和阻力分解測試，得到了能量流向差異，并定位到具體差異部件，為能耗優(yōu)化提供方向，并為標(biāo)準(zhǔn)仿真模型的搭建提供了數(shù)據(jù)支撐；搭建常溫和低溫經(jīng)濟性仿真模型，校核顯示模型精度均在2%以內(nèi)，對后續(xù)性能夠開發(fā)有指導(dǎo)意義。

通過風(fēng)阻優(yōu)化、制動卡鉗優(yōu)化、輪轂軸承優(yōu)化、分網(wǎng)段休眠技術(shù)、電機余熱利用技術(shù)，實現(xiàn)了能耗和續(xù)駛里程的提升，優(yōu)化后常溫能耗降低了7.8%，低溫續(xù)航保持率提高了5.2%，該方法對于降能耗工作效果及效率提升均有借鑒意義。

內(nèi)容來源于鳳珠.純電動汽車能量流向及降能耗措施分析[J].汽車實用技術(shù),2023,48(03):20-27.；