李禮夫，梁　翼

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510006； 2. 廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641)

純電動(dòng)汽車性能受動(dòng)力電池容量密度的影響，行駛過(guò)程中電能量消耗越大，續(xù)駛里程越短，而其在加速過(guò)程中所消耗的電能量占整個(gè)行駛過(guò)程中消耗電能量的60%以上[1]. 因此，要想降低純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中的電能量消耗，提高純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，就需對(duì)其加速過(guò)程中的電能量消耗特性加以研究，合理地選擇加速方式. 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)純電動(dòng)汽車加速過(guò)程中電能量消耗的研究較少. 文獻(xiàn)[2]通過(guò)建立加速行駛工況下純電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，并在加速-滑行組合工況下對(duì)能耗經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析計(jì)算以驗(yàn)證其模型的可行性，但論文僅考慮了單一加速工況，未對(duì)加速過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化分析； 文獻(xiàn)[3]基于電機(jī)Map圖和動(dòng)力電池組的效率特性建立了電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)模型，提出純電動(dòng)汽車加速過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略以提高整車能源利用率，但未從整車角度分析整個(gè)加速過(guò)程對(duì)純電動(dòng)汽車能耗的影響； 文獻(xiàn)[4]基于上海市道路工況分析并優(yōu)化驅(qū)制動(dòng)的能耗特性，從系統(tǒng)能耗最優(yōu)的角度確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，提出能耗最優(yōu)的扭矩分配控制策略，但其僅對(duì)恒定加速工況進(jìn)行了能耗分析，未分析變加速工況下純電動(dòng)汽車電能量消耗； 文獻(xiàn)[5]研究了電動(dòng)汽車加速過(guò)程中分別采用單個(gè)加速度和多個(gè)加速度對(duì)其電能量消耗的影響，表明在相同加速時(shí)間內(nèi)多個(gè)加速度比單個(gè)加速度的加速運(yùn)動(dòng)能耗小，但其未對(duì)連續(xù)變化的加速度進(jìn)行能耗分析. 綜上所述，相關(guān)文獻(xiàn)都未深入研究純電動(dòng)汽車加速曲線與其電能量消耗之間的關(guān)系，而僅僅由單一的加速曲線及其對(duì)應(yīng)的靜態(tài)電機(jī)、電池等效率Map圖來(lái)制定滿足其加速和電能量消耗要求的電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制策略. 然而，純電動(dòng)汽車加速過(guò)程中的電能量消耗不僅與其電機(jī)、電池等靜態(tài)效率有關(guān)，而且還與不同加速曲線下電機(jī)、電池等的動(dòng)態(tài)效率有關(guān). 本文以純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，分析整車運(yùn)行下不同加速過(guò)程對(duì)純電動(dòng)汽車電能量消耗的影響，并通過(guò)不同加速特征參數(shù)βi下的純電動(dòng)汽車整車實(shí)驗(yàn)，獲得不同加速曲線下純電動(dòng)汽車單位里程能耗，研究了不同加速方式對(duì)純電動(dòng)汽車電能量消耗的影響，為純電動(dòng)汽車加速運(yùn)行策略的制訂提供依據(jù).

1　基于不同加速曲線的純電動(dòng)汽車電能量消耗理論研究

根據(jù)電動(dòng)汽車一般加速過(guò)程車速變化趨勢(shì)來(lái)分析，純電動(dòng)汽車在第i段加速過(guò)程中時(shí)間從t0～te變化，車速?gòu)膗i(t0)加速到ui(te)，其車速ui(t,βi)與行駛時(shí)間t的變化關(guān)系即汽車加速方式，可由其加速特征參數(shù)βi來(lái)表示，即

(1)

(2)

圖 1 為不同βi值對(duì)應(yīng)的速度和加速度與t的關(guān)系曲線(即加速曲線).

圖 1　不同βi對(duì)應(yīng)的速度和加速度隨時(shí)間變化曲線Fig.1　Corresponding speed and acceleration curves vary with time in different βi

根據(jù)汽車?yán)碚揫6]，當(dāng)純電動(dòng)汽車按基于βi的加速曲線行駛時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率Pm(t,βi)可表示為

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(4)

式中：Pess(t,βi)為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池輸出功率，W；ηess為逆變器轉(zhuǎn)換效率；ηm(t,βi)為電機(jī)工作效率.Pess(t,βi)與汽車動(dòng)力電池在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)系為

(5)

式中：Uess(t)為動(dòng)力電池放電電壓，V；Iess(t)為動(dòng)力電池放電電流，A；Tm(t,βi)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；nm(t,βi)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1. 其中，Tm(t,βi)和nm(t,βi)又可表示為

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(7)

式中：ig為變速器傳動(dòng)比；io為主減速器傳動(dòng)比；ηt為機(jī)械傳動(dòng)比.

在t時(shí)間段內(nèi)，電動(dòng)汽車的單位里程能耗Ecr可表示為

(8)

式中：Ecr為電動(dòng)汽車單位里程能耗，kJ/km. 當(dāng)電動(dòng)汽車載荷一定時(shí)，式(3)中m,f,α,CD,A,δ可看為定值，且行駛工況ui(t0),ui(te)一定時(shí)(簡(jiǎn)記為u0,ue)，式(4)中ηess和式(7)中ηt可看為定值[8]，其間的關(guān)系用常數(shù)ki(0,1,2,…)表示，則式(8)可表示為

(9)

將上述加速曲線模型導(dǎo)入AVL-Cruise純電動(dòng)汽車仿真工況中，選擇典型NEDC工況在26 s內(nèi)車速?gòu)? km/h加速至50 km/h的加速段為研究對(duì)象，獲得0～26 s內(nèi)加速至50 km/h的電能量仿真消耗值，如表 1 所示.

表 1　不同加速方式能量消耗仿真值

圖 2　單位里程能耗Ecr(βi)隨βi變化曲線圖Fig.2　Changing curve of energy consumption Ecr(βi) with βi

根據(jù)表 1 繪制根據(jù)仿真獲得單位里程能耗隨加速特征參數(shù)變化曲線圖，如圖 2 所示.

從表 1 可以看出，隨著加速特征參數(shù)βi的增加，純電動(dòng)汽車行駛里程減小，總能耗減小，而單位里程能耗增加，即單位里程能耗與加速特征參數(shù)βi呈正相關(guān)，與圖 2 所示曲線變化一致. 由此可認(rèn)為，上凸型加速曲線(加速特征參數(shù)βi<1)比下凹型的加速曲線(加速特征參數(shù)βi>1)的單位里程能耗小，且βi越小，其單位里程能耗越小.

2　不同加速曲線下純電動(dòng)汽車電能消耗實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證不同加速曲線對(duì)純電動(dòng)汽車加速過(guò)程中電能量消耗的影響，以某款純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，具體參數(shù)如表 2 所示.

表 2　某純電動(dòng)汽車主要技術(shù)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)GB/T 18386-2005[10]要求進(jìn)行. 實(shí)驗(yàn)前，將不同加速曲線理論工況數(shù)據(jù)導(dǎo)入底盤測(cè)功機(jī)，調(diào)整好車輛與底盤測(cè)功機(jī)的相對(duì)位置，并將電能量消耗測(cè)試系統(tǒng)與純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池相連. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，由駕駛員操縱加速踏板使車輛實(shí)時(shí)車速跟隨不同加速曲線工況變化，由電能量消耗測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄電池端電壓、輸出電流隨時(shí)間的變化情況，并計(jì)算出該加速過(guò)程所消耗的電能量，最后根據(jù)底盤測(cè)功機(jī)測(cè)得該加速過(guò)程所行使的路程來(lái)計(jì)算單位里程能耗.

圖 3　純電動(dòng)汽車電能量消耗測(cè)試系統(tǒng)接線圖Fig.3　Pure electric vehicle electric energy consumption test system wiring diagram

不同加速特征參數(shù)下，所對(duì)應(yīng)行駛時(shí)間、行駛里程、總能耗和單位里程能耗如表 3 所示.

表 3　不同βi值下純電動(dòng)汽車電能量消耗相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得不同βi下車速隨時(shí)間的變化，如圖 4 所示. 根據(jù)表 3 繪制Ecr-βi隨βi變化的圖，具體見圖 5.

圖 4　不同βi對(duì)應(yīng)速度隨時(shí)間變化實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4　Experimental curves of different βi corresponding velocities with time

圖 5　單位里程能耗隨βi變化圖Fig.5　Unit mileage with βi changing curve

由表 3 及圖 4，圖 5 可知，不同的βi值，純電動(dòng)汽車在26 s內(nèi)從0～50 km/h加速過(guò)程中的單位里程能耗變化與圖2變現(xiàn)基本一致，都表現(xiàn)為上凸型加速過(guò)程的單位里程能耗比下凹型小，且βi越小，其單位里程能耗越小. 可見，純電動(dòng)汽車在運(yùn)行過(guò)程中，選擇較小的βi能有效降低其電能量消耗，提高續(xù)駛里程.

3　結(jié)　論

為獲得純電動(dòng)汽車加速過(guò)程中不同加速特征參數(shù)βi所表示的加速曲線與其單位里程能耗的關(guān)系，以單位里程能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)理論分析不同加速特征參數(shù)βi所對(duì)應(yīng)的加速曲線對(duì)純電動(dòng)汽車單位里程能耗的影響關(guān)系，并通過(guò)不同加速特征參數(shù)βi下的加速曲線的電動(dòng)汽車整車實(shí)驗(yàn)，測(cè)試出不同的βi值時(shí)純電動(dòng)汽車在26 s內(nèi)從0～50 km/h加速過(guò)程中行駛里程、總能耗和單位里程能耗隨βi的變化情況. 結(jié)果表明： 上凸型加速過(guò)程的單位里程能耗比下凹型小，且βi越小. 其單位里程能耗越小，當(dāng)βi=0.5時(shí)其單位里程能耗比βi=1.4時(shí)小37.6%. 該結(jié)論可為純電動(dòng)汽車加速時(shí)控制策略的制訂提供依據(jù).