徐勇　王華秀

摘 要：隨著世界能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇，對(duì)汽車(chē)的節(jié)能環(huán)保要求也越來(lái)越高，發(fā)展新能源汽車(chē)已成為全球范圍內(nèi)解決能源和環(huán)境危機(jī)的重要途徑之一。作為新能源汽車(chē)中的一種，電動(dòng)汽車(chē)具有清潔無(wú)污染、能源轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但電池造價(jià)高、續(xù)航能力有限已成為電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的瓶頸，降低整車(chē)能耗、提高整車(chē)?yán)m(xù)航里程已成為電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中必須研究的重要課題。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)客車(chē)；能耗；降低方法

中圖分類號(hào)：U473.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2016）06-0078-06

Abstract： With the problems of energy scarcity and environmental pollution， the developments of energy conservation and environmental protection in vehicle become important. In this way new energy vehicles have become vital in solving the problems mentioned above. As one type of new energy vehicles， the electric bus shows its advantages as cleanness， high energy conversion efficiency， simple structure and easy maintenance. However the high cost of battery and the limited endurance have become the fundamental problems of the electric bus. Reducing the energy consumption and improving the endurance limit have become the inevitable researches in the development of electric bus.

Key Words： Electric Bus； Energy Consumption； Reduction Method

為促進(jìn)節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家連續(xù)出臺(tái)了一系列支持和鼓勵(lì)新能源汽車(chē)發(fā)展的政策和措施，如《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)國(guó)辦發(fā)[2014]35號(hào)》； 《四部門(mén)關(guān)于2016-2020年新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政支持政策的通知》（財(cái)建[2015]134號(hào) ），中央財(cái)政安排資金，對(duì)公共服務(wù)領(lǐng)域節(jié)能與新能源汽車(chē)示范、私人購(gòu)買(mǎi)新能源汽車(chē)試點(diǎn)給預(yù)補(bǔ)貼，鼓勵(lì)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)使用節(jié)能汽車(chē)；發(fā)揮政府采購(gòu)的導(dǎo)向作用，逐步擴(kuò)大公共機(jī)構(gòu)采購(gòu)節(jié)能新能源汽車(chē)的規(guī)模。在國(guó)家政策鼓勵(lì)下，新能源汽車(chē)發(fā)展前景逐漸看好。

但由于電動(dòng)汽車(chē)電池造價(jià)太高，使得整車(chē)實(shí)物成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃油車(chē)，而整車(chē)?yán)m(xù)航里程很難做到比傳統(tǒng)燃油車(chē)更有優(yōu)勢(shì)，低使用成本難以填平高售價(jià)帶來(lái)的成本差異，使得用戶對(duì)電動(dòng)車(chē)的選購(gòu)?fù)鴧s步。在保證整車(chē)性能和可靠性不變的情況下，探求降低整車(chē)能耗方法和措施，提高續(xù)駛里程，減少使用成本，是提高電動(dòng)汽車(chē)用戶接受度的重要途徑之一。

本文以某輕型純電動(dòng)客車(chē)為例，分析研究整車(chē)能耗降低和控制方法。

某車(chē)型是在某柴油車(chē)的基礎(chǔ)上，取消發(fā)動(dòng)機(jī)，換裝電機(jī)開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)車(chē)。本文中涉及的整車(chē)參數(shù)、整車(chē)目標(biāo)、名詞述語(yǔ)及數(shù)學(xué)符號(hào)，及相關(guān)的實(shí)車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1：

注：按GB18386試驗(yàn)方法，M2類車(chē)型試驗(yàn)中，續(xù)駛里程測(cè)量時(shí)，是當(dāng)車(chē)速達(dá)不到36km/h時(shí)，停止試驗(yàn)。故實(shí)際試驗(yàn)中，雖然電池的許用放電深度DOD是85-85%，但放電達(dá)95%后，整車(chē)車(chē)速才降到36km/h以下。本案測(cè)試使用電量為整車(chē)總電量的95%，下同。

根據(jù)新能源補(bǔ)貼政策設(shè)定的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，確定了必達(dá)目標(biāo)1和挑戰(zhàn)目標(biāo)2，見(jiàn)下表2：

經(jīng)測(cè)試，該電動(dòng)客車(chē)整車(chē) V= 40km/h 等速能耗為0.396 Wh/km·kg，未達(dá)到整車(chē)目標(biāo) 1（<0.35 Wh/km·kg），遠(yuǎn)超過(guò)的整車(chē)目標(biāo)2（<0.25 Wh/ km·kg）。為此，需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，降低整車(chē)能耗。

1 影響整車(chē)能耗的因素

整車(chē)勻速行駛的單位載質(zhì)量能量消耗量（以下簡(jiǎn)稱能耗量）Ekg可以用以下公式計(jì)算：

從以上公式可知，影響電動(dòng)車(chē)40km/h車(chē)速整車(chē)能耗Ekg的主要因素如下：

1）整車(chē)整備質(zhì)量和裝載質(zhì)量；

2）附件消耗功率：

3）電機(jī)效率；

4）傳動(dòng)系效率；

5）迎風(fēng)面積和風(fēng)阻系數(shù)；

6）滾動(dòng)阻力系數(shù)。

對(duì)于該車(chē)型來(lái)說(shuō)，迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、傳動(dòng)效率受基礎(chǔ)車(chē)車(chē)型結(jié)構(gòu)、總成結(jié)構(gòu)與功能、制造的限制，更改難度大，可以用來(lái)降低能耗、進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要有整車(chē)質(zhì)量、附件功率和電機(jī)效率。

1.1 改進(jìn)前整車(chē)參數(shù)

在電機(jī)MAP圖上，可以查出整車(chē)車(chē)速為40km/h的電機(jī)轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率約為91%。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，車(chē)速40 km/h的整車(chē)?yán)m(xù)駛里程為320km，使用電量為76 kWh，由此，可以計(jì)算出以下數(shù)據(jù)：

1.2 整車(chē)質(zhì)量與能耗的關(guān)系

整車(chē)質(zhì)量是影響整能耗的重要因素。整車(chē)質(zhì)量由整車(chē)整備質(zhì)量和整車(chē)裝載質(zhì)量構(gòu)成，下面通過(guò)分析這兩種質(zhì)量對(duì)整車(chē)能耗的影響，為后面的能耗改善提供依據(jù)。為簡(jiǎn)化分析，可以通過(guò)以下假設(shè)來(lái)進(jìn)行分析：

1）假設(shè)整車(chē)最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不變，分析整備質(zhì)量和裝載質(zhì)量對(duì)能耗的影響。

2）假設(shè)整車(chē)整備質(zhì)量不變，分析最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量和裝載質(zhì)量對(duì)能耗的影響。

3）假設(shè)整車(chē)裝載質(zhì)量不變，分析最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量和整備質(zhì)量對(duì)能耗的影響。

1.2.1 整車(chē)最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不變

保持整車(chē)最大設(shè)計(jì)質(zhì)量不變，整車(chē)的承載系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都不需要重新匹配和設(shè)計(jì)，只對(duì)整車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從圖上可以看出，裝載質(zhì)量越大，能耗越低；整備質(zhì)量越大，能耗越高。在整車(chē)最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不變、底盤(pán)不做重大變更的情況下（轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、冷卻等不做優(yōu)化），整車(chē)能耗要低于0.35 Wh/km·kg的目標(biāo)，整車(chē)整備質(zhì)量需從目前的3300kg下降到3160kg。

1.2.2 整車(chē)整備質(zhì)量不變

整車(chē)整備質(zhì)量不變，即對(duì)現(xiàn)有車(chē)輛不作任何設(shè)計(jì)改進(jìn)，只加大裝載質(zhì)量，分析裝載質(zhì)量與能耗的關(guān)系。

假設(shè)整車(chē)整備質(zhì)量保持現(xiàn)狀不變，即Go=3300kg，可以計(jì)算出能耗Ekg與裝載質(zhì)量M和整車(chē)最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量Ga的關(guān)系見(jiàn)下圖：

從圖上可以看出，裝載質(zhì)量越大，能耗越低。在整車(chē)整備質(zhì)量不變的情況下，加大裝載質(zhì)量從600kg加大到690kg，整車(chē)GVW加大到4680kg，整車(chē)能耗就能下降到0.35Wh/km·kg以下。但加大整車(chē)GVW后，整車(chē)承載系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)等都需重新校核，如果超出了許用范圍，就需重新匹配和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，同時(shí)，承載系統(tǒng)等進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)后，會(huì)相應(yīng)地增加零部件質(zhì)量，使整車(chē)整備質(zhì)量上升。故盡量不通過(guò)加大整車(chē)GVW來(lái)減少能耗。

1.2.3 整車(chē)裝載質(zhì)量不變

在不改變整車(chē)裝載質(zhì)量M的情況下，整車(chē)整備質(zhì)量與能耗的關(guān)系見(jiàn)下圖：

從圖上可以看出，在裝載質(zhì)量不變的情況下，整備質(zhì)量越小，整車(chē)最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量越小，整車(chē)能耗越低。整備質(zhì)量需降690kg，降到2610kg以下，才能滿足整車(chē)能耗小于0.35 Wh/ km·kg的目標(biāo)。對(duì)本車(chē)型來(lái)說(shuō)，整備質(zhì)量降690kg，基本不太可能，也就是說(shuō)，在裝載質(zhì)量不變的情況下，單純通過(guò)降整車(chē)整備質(zhì)量，很難達(dá)成能耗預(yù)期目標(biāo)。

1.3 附件功率對(duì)整車(chē)能耗的影響

整車(chē)附件功率是指整車(chē)正常行駛中，除了提供整車(chē)驅(qū)動(dòng)的功率外，冷卻風(fēng)扇、電子轉(zhuǎn)向泵、電子真空泵等消耗的功率。在該車(chē)型的能耗測(cè)試中，采用的是40km/h車(chē)速等速法，理論狀態(tài)是不需要制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等工作的，但在實(shí)際試驗(yàn)中，受試驗(yàn)路況和起動(dòng)、停車(chē)等因素影響，也需要進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等操作，因此，也有附件功率消耗，且根據(jù)路況和駕駛員的駕駛習(xí)慣不同，附件功率大小會(huì)略有不同。通過(guò)計(jì)算，整車(chē)附件功率與能耗的關(guān)系見(jiàn)圖4：

2 整車(chē)能耗改進(jìn)方案

通過(guò)前面的分析知，降低整車(chē)整備質(zhì)量，加大整車(chē)裝載質(zhì)量、降低整車(chē)附件功率，提高電機(jī)轉(zhuǎn)換效率，都能有效的降低整車(chē)能耗。

1）降低整車(chē)整備質(zhì)量

在不減少整車(chē)功能配置和零部件，不改變整車(chē)性能的前提下，通過(guò)零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，整車(chē)整備質(zhì)量可以減少約80kg；如果在此基礎(chǔ)上，再將整車(chē)電量減少20度電（減小整車(chē)?yán)m(xù)駛里程），則整車(chē)整備質(zhì)量減少約260kg，見(jiàn)下表4：

2）降低整車(chē)附件功率

在該車(chē)型能耗測(cè)試試驗(yàn)中，使用的是三檔40km/h勻速行駛，在試驗(yàn)中，盡量少用剎車(chē)和轉(zhuǎn)向，避免急轉(zhuǎn)彎。通過(guò)前面的測(cè)試，附件消耗功率約為1.32kW，估算該車(chē)型整車(chē)主要附件及消耗的功率見(jiàn)下表5：

該車(chē)型使用的電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵電機(jī)為工業(yè)用高壓電機(jī)，噪聲大，重量大，能耗大，改進(jìn)為額定電壓12V的直流無(wú)刷電機(jī)，取消DC/AC，改進(jìn)前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)下表6：

電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵優(yōu)化后，在保持功能和可靠性不變的情況下，重量減輕了5.7kg，功率下降0.3kW。

電機(jī)冷卻風(fēng)扇采用的是傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)車(chē)配用的雙冷卻風(fēng)扇，功率有較大富余。經(jīng)過(guò)重匹配選用較小功率的風(fēng)扇，功率可由原來(lái)的0.23kW降為0.15kW。通過(guò)以上改善，整車(chē)附件功率由原來(lái)的1.32kW降為1.0kW。

3）整車(chē)匹配優(yōu)化和提升電機(jī)轉(zhuǎn)換效率

通過(guò)優(yōu)化變速箱速比和電機(jī)參數(shù)，將整車(chē)的常用車(chē)速匹配在電機(jī)的高效區(qū)率，就能有效降低整車(chē)能耗。由于整車(chē)匹配不是本文討論的主題，故變速箱速比匹配在此不作論述，本文僅就電機(jī)特性優(yōu)化和能耗試驗(yàn)中檔位的選用進(jìn)行研究。

通過(guò)下面的計(jì)算公式，可計(jì)算出試驗(yàn)工況電機(jī)轉(zhuǎn)速ne、功率Pe及扭矩Me：

計(jì)算出試驗(yàn)工況的電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速后，在電機(jī)MAP圖上，就可查出此工況下電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。

該車(chē)型采用四檔變速箱，可以計(jì)算出，該車(chē)型整車(chē)40km/h均速行駛時(shí)，四個(gè)檔位對(duì)應(yīng)的使用功率、電機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速等見(jiàn)下表7：

從表中可以看出，車(chē)速為40km/h時(shí)，用四檔行駛，電機(jī)效率更高，耗能較小。為此，在能耗測(cè)試試驗(yàn)中，建議選用四檔進(jìn)行測(cè)試，可以獲得更大的續(xù)駛里程。同理，可以推出不同車(chē)速時(shí)，選用何種檔位行駛更節(jié)能。

另外，對(duì)電機(jī)特性進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高常用車(chē)速對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域的電機(jī)轉(zhuǎn)換效率。改進(jìn)前后的電機(jī)MAP圖分別見(jiàn)圖5和圖6：

通過(guò)改進(jìn)，電機(jī)在40km/h勻速工況下的轉(zhuǎn)換效率約提升了1%，達(dá)到約92%以上。

4）增大整車(chē)裝載質(zhì)量

在整車(chē)整備質(zhì)量一定的情況下，增加裝載質(zhì)量，也就是增大整車(chē)GVW。按改進(jìn)后的整車(chē)整備質(zhì)量、整車(chē)附件功率和電機(jī)效率，計(jì)算不同GVW下的整車(chē)能耗，分析增大GVW的可能性。

增大整車(chē)GVW后，通過(guò)對(duì)整車(chē)承載、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)的校核和匹配，需加大懸架系統(tǒng)的承載能力，懸架系統(tǒng)增加重量約2kg。

3 改進(jìn)后的整車(chē)目標(biāo)達(dá)成情況分析

通過(guò)前面的分析，根據(jù)改進(jìn)情況提出四種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)理論計(jì)算，四種方案的整車(chē)能耗及續(xù)駛里程（使用電量按放電深度95%計(jì)算）見(jiàn)表9：

改進(jìn)后的整車(chē)能達(dá)成整車(chē)能耗和續(xù)駛里程目標(biāo)。經(jīng)過(guò)整車(chē)整體方案論證后，最終采用方案1和方案4進(jìn)行實(shí)施。

4 實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

按方案1和方案4開(kāi)發(fā)出的整車(chē)實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下表10：

實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果證實(shí)，對(duì)該車(chē)型的能耗降低改進(jìn)方案是有效的，兩種電量整車(chē)的能耗和續(xù)駛里程勻達(dá)到整車(chē)目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)車(chē)是順應(yīng)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策發(fā)展需要，為節(jié)省能源、減少環(huán)境污染而開(kāi)發(fā)的新能源汽車(chē)。受整車(chē)開(kāi)發(fā)成本限制，加上產(chǎn)量小，大部分的純電動(dòng)車(chē)還是在基礎(chǔ)燃油車(chē)的基礎(chǔ)上，換裝動(dòng)力總成單元開(kāi)發(fā)的，為了提高與基礎(chǔ)車(chē)的零部件通用性，大部分的底盤(pán)、車(chē)身零部件是直接從基礎(chǔ)車(chē)上借用過(guò)來(lái)的，這對(duì)降低純電動(dòng)車(chē)的整車(chē)能耗加深了難度。本文通過(guò)分析影響整車(chē)能耗的主要因素，制訂合理的改進(jìn)方案，用最小的改進(jìn)成本獲得最大的改進(jìn)效果，使整車(chē)能耗達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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