趙慧超暴杰胡晶于拓舟劉建康
(1.中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院,長春130013;2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室,長春130013)
主題詞:NEV電機 工況效率 等效計算WLTC
隨著環(huán)境問題、能源問題的日益突出,汽車降油耗、降電耗成為全球汽車產業(yè)的持續(xù)改善的目標。伴隨傳統發(fā)動機降油耗空間的逐漸縮小,新能源車成為汽車產業(yè)解決油耗問題的重要手段。根據油耗積分、新能源積分的管理辦法、新能源汽車補貼政策的規(guī)定和分析[1-7],新能源車要打破“唯高里程論”,更要看重降油耗和電耗。而且降低能耗,提高驅動效率也是延長續(xù)駛里程最為經濟合理的技術路徑。未來嚴格執(zhí)行油耗標準、雙積分等產業(yè)政策,并且適時轉化為碳交易機制增強汽車企業(yè)發(fā)展新能源汽車的內生動力。隨著地方補貼的取消,國家補貼退坡,以安全、節(jié)能、環(huán)保為導向,加強安全運行管理與服務,逐步取消對于續(xù)駛里程、能量密度等細節(jié)要求,把技術的決策權交給企業(yè),而讓市場選擇最合適的產品是產業(yè)化最終目標。高效率是電動汽車節(jié)能環(huán)保標簽的本質屬性,也是未來電驅動技術發(fā)展的堅定不移的發(fā)展方向。電驅動系統以高度集成、高效率、高功率密度、高安全等級、高性價比為技術發(fā)展方向,而效率指標是重中之重。
對于汽車電驅動系統的效率評價,目前行業(yè)上主要以最高效率、高效區(qū)占比進行評價,這2個技術指標是站在電驅動總成自身的視角進行評價,無法表征整車搭載后實際工況行駛的效率表現。在國家節(jié)能與新能源汽車電驅動技術路線圖編制過程中,權威專家們普遍提出行業(yè)迫切需要提出1種基于整車視角、反映整車工況循環(huán)行駛效率、等效的、簡化的、快速的、精度可接受的統一評價方法指引。近年來,有專家[8-10]提出在整車能耗分析時,電機工作點主要集中在中、低負荷區(qū)域,電機的高效區(qū)并未得到充分利用,而電機常用工作點的效率提升,更有助于整車能耗的降低。為此中國一汽基于在傳統汽車發(fā)動機工況循環(huán)效率評價方面的實踐經驗,提出了電動汽車電驅動總成的工況循環(huán)效率評價方法。
基于整車工況循環(huán)的電機綜合效率計算,在不同的應用場合有不同的計算方法,如通過核算集成式電驅動系統需求機械能占比來優(yōu)化電機高效區(qū)[10],該方法主要為找出NEDC工況循環(huán)中,電機機械能占比最高的工作點,并以此作為高效區(qū)設計的目標區(qū)域。該方法同樣可以表征電機工作點效率與整車工況之間的關系,但未能直接反應工作點效率優(yōu)化后綜合效率的變化情況。另外,也有方法利用MATLAB/Simulink建立純電動汽車動力總成系統仿真模型,從而計算得到電機系統綜合效率[11]。該方法相對等效計算方法具有更好的計算精度,但未能直接反應電機工作點效率對綜合效率的影響占比,不利于直觀識別需要進行重點效率優(yōu)化的工作點。
本文所述的電機工況效率分析計算方法,是根據整車循環(huán)工況(CLTC/WLTC)下驅動電機的轉速和扭矩數據,按照區(qū)域能量分布統計分析的方式,進行等效工況計算。輸出計算結果:等效工況點個數、等效工況點轉速、等效工況點轉矩和等效區(qū)域占比(能量占比)。最后,將大量工況點等效為有限個數的工作點,同時體現出每個等效點的權重,并可通過簡單數學計算得出等效的的工況綜合效率。該方法得出的等效數據,可直觀反應出電機工作點與整車工況循環(huán)的關系,有利于確定電機效率優(yōu)化的目標,同時,對工況效率計算過程進行了簡化,方便進行對比分析。
按照圖1所示的等效工況(CLTC/WLTC)計算流程,進行等效工況計算。
圖1 等效工況計算流程
等效工況基本原理是采取分塊能量占比統計的方式,把驅動電機工作連續(xù)循環(huán)等效成區(qū)域特征工況,等效轉速表征區(qū)域轉速特性,等效轉矩表征區(qū)域負荷特性,能量占比表征區(qū)域的權重。
圖2 等效分塊示意
劃分工況區(qū)域后,對每個區(qū)域分別求解等效轉速;等效轉速為循環(huán)工況分布在本區(qū)的轉速平均值,其表達式如式(1)。
式中,ω為等效轉速;ωi區(qū)域內i點的轉速;n某區(qū)域內工況點數。
2.1.2 等效轉矩
對每個區(qū)域分別求解等效轉矩;等效轉矩為循環(huán)工況分布在本區(qū)的轉矩平均值,其表達式如式(2)。
式中,T為等效轉矩;Ti為區(qū)域內i點的轉矩;n某區(qū)域內工況點數。
2.1.3 能量占比
對每個區(qū)域的能量占比進行求解,能量占比為本區(qū)域的能量相對整個循環(huán)工況能量的權重其表示式如式(3)。
式中,φj為區(qū)域能量占比;Ej為區(qū)域能量;k為劃分的區(qū)域數。
區(qū)域能量求解過程如下式(4)。
式中,Δt為循環(huán)工況數據采樣時間;ωi為區(qū)域內i點的轉速;Ti為區(qū)域內i點的轉矩。
2.1.4 等效綜合計算(效率計算)
根據求解出的等效轉速、等效轉矩,查詢等效點效率,并依照式(5),式(6)求解等效工況效率。
式中,φj為區(qū)域能量占比;eff(j)為等效點效率;eff為等效綜合效率。
式中,eff(j)為利用j區(qū)域等效轉速ω和等效轉矩T查效率MAP得到。
等效計算的精度與等效點個數和能量區(qū)域劃分相關,等效點個數越多等效精度越好。根據循環(huán)工況點分布情況進行能量區(qū)域劃分是等效計算的關鍵,現階段基本按照等轉速、轉矩區(qū)間和點密度分布2種方式進行區(qū)域劃分。
2.2.1 等轉速、轉矩區(qū)間
等轉速、轉矩區(qū)間就是按照完整循環(huán)轉速和轉矩分布范圍(例如:轉速區(qū)間0~10 000 r/min;轉矩區(qū)間0~100 N·m),進行等轉速、轉矩區(qū)間劃分(例如:按照2 000 r/min間隔和50 N·m分區(qū)),見圖3。
圖3 等轉速、轉矩區(qū)間劃分
2.2.2 點密度分布劃分
點密度分布劃分就是對完整循環(huán)工況點分布情況進行統計,工況點分布集中區(qū)域進行劃分;分布稀疏的區(qū)域進行集中劃分或者是等轉速、轉矩區(qū)間劃分,見圖4。
圖4 點密度劃分
按照上述計算方法,將某電機在WLTC循環(huán)下的工況數據進行等效計算。圖5所示,可直觀看出等效出的9點在整個循環(huán)中的占比情況。
圖5 WLTC驅動區(qū)域9點等效
表1是等效計算后得出的具體數據,得出該WLTC循環(huán)下的等效循環(huán)效率為90.74%.
表1 WLTC驅動區(qū)域9點等效
將某電機在WLTC循環(huán)下的工況數據進行5點等效計算,等效5點的分布情況如圖6所示。
圖6 WLTC驅動區(qū)域5點等效
等效5點的計算數據如表2,得出該WLTC循環(huán)下的等效循環(huán)效率為90.75%.
表2 WLTC驅動區(qū)域5點等效
所提出的電驅動總成等效工況循環(huán)效率評價方法能夠簡化、加速、精確整車性能開發(fā);基于提出的等效方法計算結果分析,等效點個數越多,綜合效率絕對誤差越小。
基于國家法規(guī)即將實施的標準工況做算法精度分析,結果表明,WLTC驅動工況采用5個點即可保證等效效率誤差在±0.5%以內,CLTC驅動工況采用8個點即可保證等效效率誤差在±0.5%以內。
在電驅產品和技術開發(fā)過程中,可根據開發(fā)階段和目的的不同,采用差異化的等效點數進行評價,以平衡精度和進度的需求。