摘 要：商用車作為目前汽車行業(yè)的主要碳排放源，推動(dòng)商用車電動(dòng)化對(duì)減少碳排放具有重要意義。由于電池能量密度較低，針對(duì)純電動(dòng)商用車降能耗研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。文章以純電動(dòng)商用車為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展整車滑行試驗(yàn)、能量流傳感器加裝、信號(hào)集成調(diào)試、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)協(xié)同狀態(tài)下的整車能量流測(cè)試。通過(guò)分析整車狀態(tài)下各系統(tǒng)/關(guān)鍵零部件的實(shí)際性能，結(jié)合系統(tǒng)部件工作狀態(tài)，對(duì)樣車提出優(yōu)化方向，為后續(xù)降能耗措施提供支撐。

關(guān)鍵詞：商用車 電動(dòng)化 能量流測(cè)試 能耗分析

全球變暖和化石燃料枯竭問(wèn)題日益突出，汽車行業(yè)面臨較大減排壓力，商用車是目前主要排放源[1]。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展和“雙碳”步伐的推進(jìn)，商用車深度電動(dòng)化成為減少碳排放的重要一環(huán)[2]。當(dāng)前，由于電池能量密度相比化石燃料較低，難以滿足長(zhǎng)距離、重載荷情景下使用，成為制約商用車電動(dòng)化發(fā)展的重要技術(shù)問(wèn)題，因此，針對(duì)純電動(dòng)商用車的能耗優(yōu)化成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)針對(duì)純電動(dòng)汽車整車參數(shù)匹配[4-5]、動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型[6-7]、整車能量管理控制策略開(kāi)發(fā)[8-9]、熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與集成優(yōu)化[10]等方面開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了顯著成果。但是針對(duì)純電動(dòng)商用車，從整車角度出發(fā)，研究整車能量流動(dòng)情況、各子系統(tǒng)協(xié)同高效工作較少。

本文針對(duì)一款純電動(dòng)商用車，開(kāi)展整車能量流測(cè)試，獲取整車能量流動(dòng)情況，分析整車狀態(tài)下各系統(tǒng)/關(guān)鍵零部件的實(shí)際性能和協(xié)同狀態(tài)，為整車能耗改善提供方案。

1 整車能量流測(cè)試流程

1.1 整車滑行試驗(yàn)

采用整車道路滑行試驗(yàn)，獲得其整車行駛阻力與車速間的關(guān)系曲線，作為整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)阻力加載的輸入。

1.2 整車能量流傳感器加裝

整車能量流試驗(yàn)前需加裝傳感器以測(cè)量各系統(tǒng)/部件關(guān)鍵參數(shù)，涉及的傳感器包括：電流、電壓、流量、溫度、壓力、風(fēng)速、扭矩等。

1.3 信號(hào)集成調(diào)試

整車能量流測(cè)試傳感器信號(hào)類型涵蓋數(shù)字量、模擬量、CAN總線等信號(hào)類型，對(duì)于多源信號(hào)集成調(diào)試是保障測(cè)試準(zhǔn)確性的前提。

1.4 整車能量流轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

整車能量流轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)時(shí)在底盤測(cè)功機(jī)和環(huán)境艙內(nèi)模擬車輛實(shí)際道路行駛工況，獲得整車能量流測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 傳感器布置及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 傳感器布置

針對(duì)樣車動(dòng)力架構(gòu)和熱管理架構(gòu)進(jìn)行分析，布置了相應(yīng)的傳感器，動(dòng)力架構(gòu)及傳感器布置見(jiàn)圖1，熱管理架構(gòu)及傳感器布置見(jiàn)圖2。

樣車動(dòng)力架構(gòu)為電池輸出至配電盒，配電盒輸出至多合一控制器、電池PTC、水冷高壓，充電時(shí)電網(wǎng)能量通過(guò)充電口輸入至高壓配電盒；多合一控制器輸出至空壓機(jī)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵、AC、乘員艙P(yáng)TC、DCDC以及電機(jī)，電機(jī)將能量輸出給傳動(dòng)軸；DCDC將降壓后的能量輸出至電機(jī)水泵、PTC水泵、鼓風(fēng)機(jī)水泵、冷卻風(fēng)扇及其他低壓部件。在高低壓附件布置相應(yīng)的電流、電壓傳感器，在傳動(dòng)軸上布置扭矩傳感器。

樣車熱管理架構(gòu)分為電機(jī)冷卻循環(huán)、電池冷卻循環(huán)、制冷劑循環(huán)、PTC加熱循環(huán)四個(gè)獨(dú)立的部分，其中電機(jī)冷卻循環(huán)包含了對(duì)PDU/MCU多合一控制器、電機(jī)本體冷卻兩部分。在除制冷劑循環(huán)外的其余循環(huán)布置了流量計(jì)、溫度、壓力傳感器等，用于監(jiān)測(cè)熱管理部件運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

傳感器按照布置圖完成安裝、調(diào)試后即可進(jìn)行整車能量流試驗(yàn)，試驗(yàn)在需求的環(huán)境條件和循環(huán)工況下進(jìn)行整車?yán)m(xù)駛里程測(cè)試，同步采集傳感器、總線數(shù)據(jù)。

完成數(shù)據(jù)采集后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能量計(jì)算方法如下：

（1）電網(wǎng)能量

式中：為充電結(jié)束時(shí)電表讀數(shù)，為充電開(kāi)始時(shí)電表讀數(shù)。

（2）高、低壓部件輸入/輸出電能

式中：為高、低壓部件，為高、低壓部件輸入/輸出的電壓，為高、低壓部件輸入/輸出的電流。

（3）傳動(dòng)軸輸入/輸出能量

式中：為傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速（通過(guò)車速、滾動(dòng)半徑、驅(qū)動(dòng)橋速比計(jì)算得到），為傳動(dòng)軸扭矩，通過(guò)傳動(dòng)軸扭矩傳感器測(cè)試得到。

（4）換熱部件換熱量

式中：為換熱部件，為流經(jīng)換熱部件冷卻工質(zhì)的體積流量，為冷卻工質(zhì)的密度，為冷卻工質(zhì)的定壓比熱容，為換熱部件出口的溫度，為換熱部件進(jìn)口的溫度。

3 整車能量流分布及系統(tǒng)/部件能效

3.1 測(cè)試工況

樣車能量流測(cè)試工況信息如表1所示。

3.2 整車能量流分布

樣車測(cè)試過(guò)程參照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18386.2-2022電動(dòng)汽車能耗消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法 第二部分：重型商用車輛》要求，從SOC100%開(kāi)始測(cè)試，關(guān)閉空調(diào)，當(dāng)實(shí)際車速不能維持標(biāo)準(zhǔn)GB 18386.2-2022的5.2規(guī)定的速度公差要求時(shí)達(dá)到結(jié)束條件，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)鼓記錄的續(xù)駛里程為240.631km，充電樁記錄的總充電量為389.84 kWh，計(jì)算樁端電耗為162.01 kWh/100km。

樣車能量流分解如圖3所示，分解圖包括驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、充電工況的能量流。

由圖可知，在行駛工況下：動(dòng)力電池在驅(qū)動(dòng)時(shí)總輸出電量427.5kWh，回收電量68.9kWh，動(dòng)力電池凈放電量358.6kWh；電驅(qū)動(dòng)總成在驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)輸入電能405.7kWh，電機(jī)輸出機(jī)械能381.3kWh，能量回收時(shí)電機(jī)輸入機(jī)械能75.1kWh，電機(jī)輸出電能73.6kWh；高壓附件中水冷高壓消耗7.8kWh，電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵消耗3.1kWh，空壓機(jī)消耗1.1kWh；低壓附件中DCDC輸出6.8kWh，冷卻風(fēng)扇（電機(jī)）、電機(jī)水泵、冷卻風(fēng)扇（電池）及其他用電器為主要功耗部件；熱管理系統(tǒng)中電池冷卻液換熱量12.6kWh，電機(jī)冷卻液換熱量14.8kWh，多合一冷卻液換熱量7.0kWh。

在充電狀態(tài)下：充電樁記錄的充電量為389.8kWh，動(dòng)力電池的充電量為379.2kWh；高壓附件側(cè)水冷高壓耗電量為5.0kWh；低壓附件側(cè)DCDC輸出側(cè)耗電0.2kWh，主要功耗部件為電池冷卻風(fēng)扇。

3.3 系統(tǒng)/部件能效

樣車?yán)m(xù)航能耗試驗(yàn)各系統(tǒng)/部件的效率統(tǒng)計(jì)如表2所示。

在整車級(jí)別，整車能量利用效率為傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械能與動(dòng)力電池輸出的電能的比值，表征電池輸出電能中用于驅(qū)動(dòng)半軸的比例；整車能量回收效率為動(dòng)力電池回收的電能與傳動(dòng)軸回收的機(jī)械能的比值，表征傳動(dòng)軸回收的能量傳遞至動(dòng)力電池的比例；能量回收比例為動(dòng)力電池回收的能量與動(dòng)力電池輸出的能量的比值。

在系統(tǒng)及部件級(jí)別，DCDC效率為DCDC低壓側(cè)輸出的能量與DCDC高壓側(cè)輸入的能量的比值；電池充電效率為電池凈充電量與充電樁輸出的電量的比值，可考量充電過(guò)程中附件消耗的占比；電池充放電效率為電池凈放電量與電池凈充電量的比值，可考量電池內(nèi)阻對(duì)充電量的影響；電驅(qū)動(dòng)裝置中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率為電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出的機(jī)械能與電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸入的電能的比值；電機(jī)制動(dòng)效率為電機(jī)制動(dòng)輸出的電能與電機(jī)制動(dòng)輸入的機(jī)械能的比值；電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成驅(qū)動(dòng)效率為傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械能與驅(qū)動(dòng)時(shí)MCU輸入的電能的比值；電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成制動(dòng)效率為制動(dòng)時(shí)MCU回收的電能與傳動(dòng)軸制動(dòng)的機(jī)械能的比值。

3.4 附件消耗

樣車在測(cè)試階段未開(kāi)啟空調(diào)，高壓附件中的AC和PTC均未運(yùn)行，水冷高壓平均功率為1487.3 W，空壓機(jī)平均功率為208.3 W，電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵平均功率為587.9 W；DCDC輸出平均功率為1302.2 W，低壓附件中電機(jī)回路冷卻風(fēng)扇平均功率為924.1 W，電機(jī)水泵平均功率為196.2 W，電池回路冷卻風(fēng)扇平均功率為78.7 W。低壓附件中各部件能耗占比情況如圖4所示，其中電機(jī)回路冷卻風(fēng)扇占比最高（71.0%），電機(jī)水泵次之（15.1%）。

4 系統(tǒng)部件工作狀態(tài)

4.1 動(dòng)力電池工作狀態(tài)

電池起始SOC為100%，車速無(wú)法跟隨曲線時(shí)SOC為10%，SOC歷程如圖5所示。

圖6是各循環(huán)SOC下降率統(tǒng)計(jì)圖，樣車共歷經(jīng)10個(gè)完整循環(huán)，第11個(gè)循環(huán)時(shí)車速無(wú)法跟隨曲線，前四個(gè)循環(huán)SOC下降速率8.8%，后6個(gè)循環(huán)SOC下降速率8.4%。

圖7是是動(dòng)力電池的最高溫度、最低溫度及熱管理系統(tǒng)部件工作狀態(tài)曲線，由圖可知，樣車在整個(gè)測(cè)試階段電池最高溫度在27～31 ℃波動(dòng)，電池最低溫度在23～29℃波動(dòng)，水冷高壓開(kāi)啟時(shí)平均功率為3kW。

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)數(shù)據(jù)反應(yīng)：（1）電池開(kāi)啟冷卻的閾值低（30℃），開(kāi)啟降溫后電芯溫度下降趨勢(shì)不明顯，需長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟電池冷卻；（2）水冷高壓功率在3kW左右，電池回路流量在40L/min左右，功耗較高，建議提高電池冷卻開(kāi)啟閾值來(lái)降低能耗。

4.2 電驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)

圖8為樣車測(cè)試工況下的車速與檔位對(duì)應(yīng)圖，圖9為電機(jī)工作點(diǎn)分布圖，由圖可知電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍0～2596rpm，扭矩范圍為-2400Nm～1750Nm，電機(jī)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)反應(yīng)出在二、三擋下存在中高轉(zhuǎn)速低扭矩取效率偏低的現(xiàn)象，可進(jìn)行換擋策略優(yōu)化。

圖10是樣車測(cè)試工況下的電機(jī)散熱器回路溫度歷程圖。整個(gè)工況下電機(jī)出水溫度控制在42℃以下，散熱器出水溫度控制在27.5～39.4℃，電機(jī)水泵平均流量為35L/min。

圖11為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理部件與電機(jī)本體溫度歷程，由圖可知，電機(jī)冷卻風(fēng)扇功率最大為1.3kW，電機(jī)水泵功率最大為200W，電機(jī)溫度控制在80℃以下。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理數(shù)據(jù)反應(yīng)：電機(jī)冷卻風(fēng)扇功率大，功耗偏高，電機(jī)出水溫度控制偏低?？赏ㄟ^(guò)適當(dāng)提升電機(jī)出水控制溫度，來(lái)降低電機(jī)冷卻回路功率，實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。

4.3 能量回收狀態(tài)

樣車在測(cè)試階段電池充電功率限制、SOC與車速對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖12所示。由圖可知，電池充電功率限制在1010s時(shí)解除，此時(shí)SOC為96.4%，之后未限制能量回收。

圖13為各循環(huán)動(dòng)力電池回收電量、回收比例對(duì)比圖。由圖可知，除開(kāi)電池回收功率限制的第一個(gè)循環(huán)外，單循環(huán)平均回收電量6.72 kWh，單循環(huán)平均能量回收比例16.4%。

表3為全工況能量回收統(tǒng)計(jì)表，由表可知，樣車在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中電池回收能量占輪端可回收能量的69.9%，未回收能量主要在與機(jī)械制動(dòng)損耗，占比21.2%，存在一定的優(yōu)化空間。

選取高SOC循環(huán)1、中SOC循環(huán)5進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖14為循環(huán)1功率、輪缸壓力與車速分布圖，由圖可知，在前半段，由于電池充電功率限制，電機(jī)回收時(shí)的功率較低，減速過(guò)程中的部分能量由機(jī)械制動(dòng)消耗。

表4為循環(huán)1能量回收統(tǒng)計(jì)表，由表可知，循環(huán)1電池回收能量占輪端可回收能量的67.0%，未回收能量主要在與機(jī)械制動(dòng)損耗，占比25.3%。

圖15為循環(huán)5功率、輪缸壓力與車速分布圖，由圖可知，由于電池充電功率限制解除，循環(huán)5減速過(guò)程中機(jī)械制動(dòng)參與程度較少。

表5為循環(huán)5能量回收統(tǒng)計(jì)表，由表可知，循環(huán)5電池回收能量占輪端可回收能量的71.7%，未回收能量主要在與機(jī)械制動(dòng)損耗，占比19.6%。

從能量回收狀態(tài)來(lái)看，樣車在測(cè)試工況下存在減速過(guò)程負(fù)扭矩偏小，機(jī)械制動(dòng)參與過(guò)多現(xiàn)象，導(dǎo)致電池回收比例較低，可通過(guò)提升電機(jī)回收負(fù)扭矩來(lái)優(yōu)化，用電機(jī)回收來(lái)覆蓋所有工況減速需求，可提升電池回收比例。

5 結(jié)論

本文針對(duì)純電動(dòng)商用車，開(kāi)展了高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)協(xié)同狀態(tài)下的整車能量流測(cè)試，分析了整車能量流分布、系統(tǒng)/部件能效及附件消耗，結(jié)合系統(tǒng)部件工作狀態(tài)，對(duì)動(dòng)力電池、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量回收策略方面，提出以下優(yōu)化建議：

（1）動(dòng)力電池?zé)峁芾矸矫?，冷卻開(kāi)啟閾值低，且開(kāi)啟冷卻后電池溫度降低速率慢，建議提高電池冷卻開(kāi)啟閾值，優(yōu)化冷卻形式。

（2）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成匹配方面，在二、三擋時(shí)存在高轉(zhuǎn)速低扭矩區(qū)效率較低現(xiàn)象，建議優(yōu)化換擋策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)高效區(qū)的利用。

（3）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理方面，電機(jī)冷卻附件功耗較高，電機(jī)出水溫度控制偏低，建議適當(dāng)提升電機(jī)出水溫度，以降低電機(jī)冷卻附件功耗。

（4）能量回收比例偏低，建議提升電機(jī)回收負(fù)扭矩，車輛減速過(guò)程做到電機(jī)全覆蓋，避免機(jī)械制動(dòng)導(dǎo)致的能量損耗。

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