摘 要：為提高重型純電動(dòng)商用車各部件運(yùn)行效率，降低能量消耗，進(jìn)行重型商用車瞬態(tài)循環(huán)，速度分別為80、60、40 km/h等速，4種工況下轉(zhuǎn)轂臺(tái)架能量流測(cè)試試驗(yàn)。結(jié)果表明：4種工況下電池包充放電效率為92%～95%，電池包工作穩(wěn)定且效率較高；微控制器工作效率為94%～98%，電機(jī)輸出效率為91%～96%，電機(jī)能量回收效率約為94.37%，電機(jī)運(yùn)行正常；直流電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化效率均在85%以上，處于較高水平；油泵在靜置狀態(tài)下的能耗較大，為0.39 kW，其余附件能耗正常?？刹捎脺p少油泵壓力、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少油管阻力等措施對(duì)油泵進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)商用車；能量流；能耗優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U464.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）04-0064-07

引用格式：張坤，李琦，張佑源.重型純電動(dòng)商用車能量流分析［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（4）：64-70.

ZHANG Kun，LI Qi，ZHANG Youyuan.Energy flow analysis of a heavy-duty pure electric commercial vehicle［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：64-70.

0 引言

隨著《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線2.0》的提出，零排放、零污染的純電動(dòng)商用車得到了廣泛應(yīng)用，但純電動(dòng)商用車存在續(xù)駛里程有限、能量回收不足、控制策略待優(yōu)化等問(wèn)題［1］?，F(xiàn)行的續(xù)駛里程試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)僅考核了整車因素，未考核各部件因素，考核指標(biāo)比較單一［2-3］。在純電動(dòng)商用車電池包凈放電量一定的情況下，分析各部件能耗，合理優(yōu)化能量配置，可增大續(xù)駛里程，提高車輛競(jìng)爭(zhēng)力。整車能量流測(cè)試可測(cè)試和分析動(dòng)力電池提供的能量分配到各部件的有效功率、熱損耗及其它低壓附件的能量損耗、整車能耗與能量流向等，提高車輛能量利用率，為能量回收和能量分配控制策略提供建議，是研究車輛能耗的主要方法。

由于模型誤差等原因，常規(guī)的車輛仿真分析方法不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各部件能耗；若采用零部件臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試工況與整車實(shí)際運(yùn)行工況存在差異，使臺(tái)架能耗測(cè)量結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行工況不一致，可能導(dǎo)致各系統(tǒng)間能耗分析不準(zhǔn)確，難以對(duì)車輛優(yōu)化方向提供有效指導(dǎo)［4］。李敏等［5］基于新歐洲行駛循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）工況，研究了某純電動(dòng)汽車高溫、常溫和低溫下電池-車輪能量流，得到不同溫度下的系統(tǒng)能耗轉(zhuǎn)化效率及能量回收效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)；馮仁華等［6］基于重型商用車瞬態(tài)循環(huán)（China-world transient vehicle cycle，C-WTVC）工況，研究了電動(dòng)商用車純電驅(qū)動(dòng)、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)發(fā)電和能量回收模式下的運(yùn)行狀況及能效，表明能量流測(cè)試方法對(duì)于純電動(dòng)車輛能耗優(yōu)化具有顯著意義；Jung等［7］基于發(fā)動(dòng)機(jī)能量流提出了一種熱管理模型，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)控制冷卻液流量可提高燃油經(jīng)濟(jì)性，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間，確定了能量流對(duì)整車-系統(tǒng)-部件多層次能量?jī)?yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

本文中針對(duì)某電動(dòng)商用車各部件進(jìn)行能耗分析，從系統(tǒng)集成角度分析電動(dòng)商用車能量轉(zhuǎn)換及傳遞過(guò)程，對(duì)比C-WTVC、不同等速工況下的車輛轉(zhuǎn)轂臺(tái)架測(cè)試能耗，提高車輛能耗利用率。

1 研究基礎(chǔ)與試驗(yàn)方案

1.1 研究基礎(chǔ)

采用C-WTVC工況、等速工況對(duì)比分析各部件能耗，C-WTVC工況包括市區(qū)、公路、高速3部分路段，不同行駛工況下的能量消耗率的數(shù)值

{ci}={Qi}/{Si}，（1）

式中：i為工況編號(hào)，i=1，2，3，4，分別指C-WTVC工況包括市區(qū)、公路、高速路段及等速工況;{ci}分別為以kW·h為單位的不同工況每100 km能量消耗率ci的數(shù)值；{Qi}為以kW·h為單位的不同工況試驗(yàn)結(jié)束后的充電機(jī)輸入能量Qi的數(shù)值；S1、S2、S3、S4分別為以km為單位的不同工況續(xù)駛里程Si的數(shù)值。

C-WTVC工況，車輛綜合能量消耗率

ce=c1k1+c2k2+c3k3，（2）

式中：k1、k2、k3分別為市區(qū)、公路、高速工況所占權(quán)重。

動(dòng)力電池包、微控制器（micro controller unit，MCU）、電機(jī)為電動(dòng)商用車主要能量部件，動(dòng)力電池包為電動(dòng)商用車主要能量輸出源，MCU是電機(jī)控制單元的核心組件，負(fù)責(zé)執(zhí)行復(fù)雜算法、監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)、調(diào)整電機(jī)參數(shù)并與其他車輛系統(tǒng)通信。純電動(dòng)汽車車輛加速和勻速行駛時(shí)，電池包給電機(jī)及其他高、低壓附件供電；車輛制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)能量回收，電機(jī)作為電源供電，電能由電機(jī)流向高、低壓附件及電池包。各部件輸出能量的數(shù)值

Ej0=∫baUj·max（0，Ij）dt/3 600 000，（3）

式中：j為主要能量部件編號(hào)，j=1，2，3分別指電池包、MCU、電機(jī);{Ej0}分別為以kW·h為單位的輸出能量Ej0的數(shù)值；a為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)刻；b為試驗(yàn)當(dāng)前時(shí)刻；{Uj}為以V為單位的輸出電壓Uj的數(shù)值；{Ij}為以A為單位的輸出電流Ij的數(shù)值;t為時(shí)間，s。

各部件回收能量的數(shù)值

{Ejb}=∫baUj·min（0，{Ij}）dt/3 600 000，（4）

式中：{Ejb}分別為以kW·h為單位的回收能量Ejb的數(shù)值。

各部件凈輸出能量

Ejt=Ejo-Ejb，

式中：Ejt為凈輸出能量，kW。

1.2 試驗(yàn)方案

某重型電動(dòng)廂式貨車若按照文獻(xiàn)［3］進(jìn)行續(xù)駛里程測(cè)試，由于相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，缺少樣本對(duì)比數(shù)據(jù)，因此本文中按照文獻(xiàn)［8］進(jìn)行續(xù)駛里程測(cè)試；參考文獻(xiàn)［9-10］，設(shè)計(jì)車輛各部件能量流測(cè)試試驗(yàn)方案，試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)控和分析電池包、電源分配單元（power distribution unit，PDU）、電池配電單元（battery distribution unit，BDU）、MCU、電機(jī)、直流交流（direct current-alternating current，DCAC）轉(zhuǎn)換器、直流電壓（direct current-direct current，DCDC）轉(zhuǎn)換器、正溫度系數(shù)（positive temperature coefficient，PTC）熱敏電阻加熱器、低壓蓄電池、油泵、水泵、風(fēng)扇等主要零部件的工作狀態(tài)，計(jì)算C-WTVC工況、等速工況下部件能耗。重型電動(dòng)廂式貨車性能參數(shù)如表1所示。

根據(jù)測(cè)試車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝傳感器，采集時(shí)間、電壓、電流、功率、溫度、壓力等信號(hào)，針對(duì)重型電動(dòng)貨車主要能耗部件測(cè)試要求，參考企業(yè)純電動(dòng)汽車高、低壓模塊操作規(guī)范，設(shè)置了14個(gè)電流測(cè)試點(diǎn)（I1～I(xiàn)14）和12個(gè)電壓測(cè)試點(diǎn)（U1～U12），按照編號(hào)順序，電流測(cè)試點(diǎn)包括電池包、MCU輸出、電機(jī)輸出、MCU輸入、DCAC輸入、轉(zhuǎn)向油泵輸出、制動(dòng)空壓機(jī)泵輸入、快充輸出（僅限于電池包充電時(shí)）、空調(diào)壓縮機(jī)輸出、PTC輸出、DCDC輸入、DCDC輸出、水泵輸出、風(fēng)扇輸出共14個(gè)電流測(cè)點(diǎn)；電壓測(cè)試點(diǎn)包括電池包輸出、MCU輸出、電機(jī)輸出、MCU輸入、DCAC輸入、轉(zhuǎn)向油泵（三相電）、制動(dòng)空壓機(jī)泵（三相電）、快充輸出（僅限于充電工況）、DCDC輸入、DCDC輸出、水泵輸入、風(fēng)扇輸入共12個(gè)電壓測(cè)點(diǎn)。能量流測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。

為使車輛轉(zhuǎn)轂滑行試驗(yàn)阻力與道路滑行阻力效果一致，根據(jù)道路滑行阻力曲線確定整車道路阻力因數(shù)，調(diào)整轉(zhuǎn)轂滑行試驗(yàn)阻力曲線，模擬實(shí)際道路行駛阻力。阻力曲線如圖2所示。

由于不同駕駛風(fēng)格對(duì)整車各部件能耗測(cè)試結(jié)果存在明顯影響［11］，本次測(cè)試選取溫和型駕駛風(fēng)格的駕駛員，要求油門輕踩輕收，C-WTVC工況下，車速跟隨性偏差為±2 km/h。在C-WTVC工況（記為A1工況），等速車速分別為80、60、40 km/h的循環(huán)工況（記為A2、A3、A4工況）下進(jìn)行車輛各部件轉(zhuǎn)轂臺(tái)架能耗測(cè)試，A1工況的k1、k2、k3分別為10%、40%、50%。

能量回收策略應(yīng)在車輛減速狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)，C-WTVC工況規(guī)定了時(shí)間與車速，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜車速及減速變化下的能量回收策略研究，等速工況測(cè)試無(wú)能量回收，因此，能量回收數(shù)據(jù)只參考C-WTVC工況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 整車能耗及能量分布特性

電池包輸出能量經(jīng)過(guò)PDU分為不同方向，一部分經(jīng)過(guò)MCU、電機(jī)到車輪，一部分經(jīng)DCDC、低壓部件到水泵，還有一部分到油泵或氣泵，不同工況下整車能量流如圖3所示。

4種工況下電池荷電狀態(tài)從99%分別下降到7%、6%、3%、5%，試驗(yàn)結(jié)束后按照文獻(xiàn)［3］的規(guī)定進(jìn)行充電試驗(yàn)，因車輛充電地點(diǎn)與轉(zhuǎn)轂臺(tái)架之間存在距離，在計(jì)算電池包凈放電量時(shí)需考慮充電地點(diǎn)與轉(zhuǎn)轂臺(tái)架往返途中的耗電量。不同工況整車各部件能量試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知：A1工況下電池包輸出能量最大，等速工況下，電池包輸出能量隨車速增大而減?。徊煌r下均為MCU耗能最多，A1工況下，MCU輸入能量占電池包輸出能量的98.24%；油泵、水泵、氣泵的能耗都相對(duì)較低，4種工況油泵平均功耗約占電池包輸出能量的1.1%，氣泵、水泵、低壓蓄電池的平均功耗占比均不足1%；等速工況下，車輛能量消耗率隨著車速降低而明顯降低。計(jì)算4種工況續(xù)駛里程分別為237.20、236.66、326.49、435.25 km，車輛續(xù)駛里程隨車速降低而升高，符合電動(dòng)車車速越高能耗越高的規(guī)律。

計(jì)算A1工況電池包、MCU、電機(jī)、電機(jī)機(jī)械回收能量分別為43.86、44.51、47.79、50.64 kW·h。MCU輸出效率為MCU輸出能量與MCU輸入能量的比，電機(jī)輸出效率為電機(jī)輸出能量與MCU輸出能量的比，DCDC輸出效率為DCDC輸出能量與DCDC輸入能量的比，A1工況MCU回收效率為MCU回收能量與電機(jī)回收能量的比，A1工況電機(jī)回收效率為電機(jī)回收能量與電機(jī)機(jī)械回收能量的比，電池充放電效率為電池包凈放電量與充電機(jī)輸入電量的比。計(jì)算A1工況MCU、電機(jī)回收效率分別為93.14%、94.37%。不同工況主要部件效率如表3所示。

由表3可知：不同工況下，各部件運(yùn)行效率也有較大差別，電機(jī)輸出效率在A1工況下最大，等速工況下電機(jī)輸出效率隨車速增加而增大，A1、A2、A3工況電機(jī)輸出效率均大于93%；4種工況下DCDC輸出效率均在85%以上；電池包充、放電效率為92%～95%，MCU工作效率為94%～98%。由于本車型電機(jī)最高轉(zhuǎn)化效率為97%，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)特性分析［12-13］，判斷電機(jī)運(yùn)行效率正常；結(jié)合同種類型車輛的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，參考文獻(xiàn)［14-16］，本車型能量回收效率水平較優(yōu)；通常DCDC轉(zhuǎn)化效率為75%～94%，判斷本車型DCDC工作效率較好；根據(jù)直流電充電效率大于90%的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷，本車型電池包充、放電效率較高。

各工況下電池包輸出電壓、電流如圖4、5所示。

由圖4、5可知：4種工況動(dòng)力電池包輸出電壓為比較穩(wěn)定，波動(dòng)范圍較小，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電壓為524.50～531.48 V；A2、A3、A4工況的電流輸出穩(wěn)定，電池包整體工作狀態(tài)穩(wěn)定。

2.2 關(guān)鍵附件工作分析

對(duì)轉(zhuǎn)向油泵、氣泵、PTC部件、空調(diào)壓縮機(jī)、電子風(fēng)扇等關(guān)鍵能耗附件進(jìn)行能耗測(cè)試。測(cè)試轉(zhuǎn)向油泵能耗時(shí)，設(shè)置轉(zhuǎn)向盤正向、左半圈、左一圈、左打滿、右半圈、右一圈、右打滿7種狀態(tài)（記為Z1～Z7），測(cè)試不同轉(zhuǎn)向盤狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的油泵輸入功率、輸出功率、工作效率；測(cè)試氣泵能耗時(shí)，設(shè)置氣泵壓力分別為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 MPa（記為L(zhǎng)1～L5）時(shí)，氣泵的輸入功率、輸出功率、工作效率；PTC加熱器、空調(diào)壓縮機(jī)均有打開(kāi)、關(guān)閉2種狀態(tài)；通過(guò)脈寬調(diào)制（pulse-width modulation，PWM）控制電子風(fēng)扇的開(kāi)啟占比，測(cè)試PWM分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%及PWM為100%且空調(diào)開(kāi)啟的11個(gè)狀態(tài)（記為M1～M11）時(shí)，電子風(fēng)扇的平均工作功率。PTC加熱器開(kāi)啟時(shí)，空調(diào)電壓為552.9 V，電流為5.6 A，平均功率為3.1 kW；空調(diào)壓縮機(jī)開(kāi)啟時(shí)，空調(diào)電壓為553.0 V，電流為1.8 A，平均功率為1.0 kW。附件能耗測(cè)試結(jié)果如表4、5所示。

由表4可知：轉(zhuǎn)向盤正向時(shí)的油泵功率為0.39 kW。由于同類型車輛油泵功率通常為0.2 kW，且試驗(yàn)在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架進(jìn)行，轉(zhuǎn)向盤未參與實(shí)際運(yùn)行，判斷該車型油泵能耗較大，可從減少油泵壓力，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少管路阻力等對(duì)油泵進(jìn)行優(yōu)化。參考文獻(xiàn)［17］，結(jié)合表4、5中的結(jié)果，本車型氣泵、電子風(fēng)扇能耗正常。

3 結(jié)論

本文中以重型純電商用車為研究對(duì)象，采用轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)比C-WTVC、等速工況的能量流測(cè)試結(jié)果，分析車輛各部件能耗，評(píng)價(jià)系統(tǒng)整體工作效率并進(jìn)行能耗優(yōu)化。

1）車輛整體能耗表現(xiàn)正常，電池包充放電效率、MCU運(yùn)行效率、電機(jī)運(yùn)行效率、系統(tǒng)能量回收效率等均處于正常范圍內(nèi)。

2）該車型氣泵、電子風(fēng)扇能耗正常，油泵能耗較大；可采用減少油泵壓力，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少管路阻力等方式進(jìn)行優(yōu)化。

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Energy flow analysis of a heavy-duty pure electric commercial vehicle

ZHANG Kun， LI Qi， ZHANG Youyuan

Dongfeng Liuzhou Motor Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China

Abstract：To improve the operational efficiency of components in a heavy-duty pure electric commercial vehicle and reduce energy consumption， energy flow tests are conducted on a hub dynamometer under four steady-state conditions at speeds of 80， 60， and 40 km/h. The results indicate that the battery charge and discharge efficiency ranges from 92% to 95%， demonstrating stable and high efficiency. The microcontroller operates at an efficiency of 94% to 98%， while the motor output efficiency is between 91% and 96%， with a motor energy recovery efficiency of approximately 94.37%， indicating normal motor operation. The conversion efficiency of the DC voltage converter is above 85%， which is at a high level. The energy consumption of the oil pump in a stationary state is relatively high at 0.39 kW， while the energy consumption of other accessories is normal. Optimization measures for the oil pump include reducing pump pressure， optimizing system structure， and minimizing pipe resistance.

Keywords：pure electric commercial vehicle; energy flow; energy consumption optimization

（責(zé)任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2024-05-27

基金項(xiàng)目：柳州市科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2022ABA0101）

第一作者簡(jiǎn)介：張坤（1983—），男，貴陽(yáng)人，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，主要研究方向?yàn)槠嚠a(chǎn)業(yè)管理、戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型、汽車技術(shù)開(kāi)發(fā)，E-mail：zhangkun@dflzm.com。