不同温度下纯电动汽车整车能量流研究

摘要

本文针对CLTC工况下的纯电动汽车续驶里程进行了试验研究，对比分析了低温、常温及高温等不同环境温度下高压电池、驱动电机系统、空调系统以及DC/DC低压附件等关键零部件的能耗特性。研究结果表明:高低温环境是影响纯电动汽车经济性能的重要因素，相比于常温使用环境，纯电动汽车续驶里程分别衰减了19.8%和48.1%。在低温、常温及高温环境下高压电池的放电能量占比分别为85%、95%、96%，其中用于驱动的能量占比分别为55%、88%、70%，用于空调系统的能量占比分别为14%、0%、26%，用于DC/DC低压附件消耗占比分别为12%、5%、5%。高低温环境下高压电池放电能力的衰减以及各关键零部件能耗特征的变化与平衡，最终影响了纯电动汽车的续驶表现。

关键词

纯电动车，中国工况（CLTC），能量流，能耗

主要内容

引言

通过整车能量流分析方法分析高低温续驶衰减的原因,可以清晰地发现整车各系统与各部件能耗的“来龙去脉”,针对性地优化它们的能量消耗和提高其工作效率｡早期,该方法广泛用于传统燃油车的能耗分析,目前该方法也在混合动力汽车上得到应用｡而纯电动车能量流分析的相关文献较少,目前主要包含如下几个方面:

1)整车能量流分析｡类似传统车能量流分析,分析整车各系统或零部件的能耗及其分布;

2)系统级能量流分析;

3)能量分配策略,制动能量回收控制策略｡

这些研究主要考查常温工况的能量流(或能耗),没有研究低温与高温下的能量流(或能耗)｡本文根据某品牌纯电动车的主要系统和部件电气架构,通过EVtest2019版续驶里程测试规程分别考查了常温､低温和高温环境下单循环以及整个续驶里程试验中高压电池､电机系统､空调､DC/DC低压附件等主要系统零部件的能耗,并分析了能耗差异的原因｡

1 试验

1.1试验设备

主要采集记录设备见表1｡

1.2试验方法

按照EV-test2019中续驶里程试验方法进行常温､低温和高温续驶试验,试验循环工况采用CLTC-P,车速由线如图1所示｡

试验工况及要求见表2。

1.3测量参数

纯电动车的能量形式主要有电能､机械能､热能｡为了便于计算和说明问题,忽略高压线路的热损失､压降和可能存在的低压电池充放电能耗｡

分别根据下式可以计算得到电能和机能:

式中,P为功率;U为电压;I为电流;T为电机转矩;n为电机转速;E为能量;t为时间｡

因此,理论上可以通过测量零部件的输入电流I电压U得到该零部件消耗的能量,测量电机的转矩T和转速n可得到电机的机械能(本文只考虑高压器件的能耗)｡某品牌电动车的主要部件电气架构及能耗示意图如图2所示｡

高压电池包分出两路:一路连接DC/DC和电机系统(集成式),DC/DC输出端连接低压电池;另一路连接PDU,再连接PTC和压缩机｡E,为电网充电电能;EB为高压电池消耗的电能;EdB为其放电电能;E1B为其充电电能;EP为电机总成消耗的电能;Edp为电流流入电机总成时的电能,E1p为电流输出时的电能;EM为电机系统消耗的电能;EdM为电流流入电机系统时的电能E1M,为电流输出时的电能,EDC为输入DC/DC的电能(DC/DCin的电能);EA为DC/DC输出能量(DC/DCout);TT为电机传给传动系统的机械能;EPDU为输入PUD的电能｡高温或低温下,压缩机与PTC分别单独工作,故EPDU=EAC-EPTC。

忽略电线压降,则各部件高压均相等,只需测量一路高压即可｡测量高压电池到PDU回路的电流和电压即可得到EPDU(线路①)｡由于DC/DC和电机系统为集成式,难以直接测量DC/DC及电机系统输入端的电流,故测量②线路的电流和③线路的电流电压｡由③线路的电流电压可得到低压附件的总能耗EAO具体的测量参数汇总见表30高压测量时需事先去除高压线正负极外层塑料,并做相应的绝缘处理｡为了准确测量电流值,移除高压线测点处外层屏蔽层｡所有测量信号的采集频率为l0Hz｡

1.4能耗计算

如图3所示，在驱动或制动时，高压电流方向可分为4种:A为驱动时电流方向;B为制动时0≤|IM| <lDC/DC的电流方向;C为制动时IDC/DC≤|IM|<IPDU的电流方向;D为制动时IDC/DC≤|IM|的电流方向。

2 试验结果

以单循环为分析单元进行能耗计算,得出整个试验过程的能量流分布情况｡

2.1常温工况的能量流

图4为常温工况下各系统零部件的能耗｡续驶里程试验共经历25个完整循环和一个不完整循环｡从图可看出,驱动时电机系统是主要能量消耗部件;制动回馈时,电机回馈能量(EbM)与电池回馈能量(EbB)接近,即电机回馈能量绝大部分回到电池,它们的差值即为电机回馈时的Eoco第一循环与其他完整循环有两个不同点:

其一为高压电池回馈的能量和电机回馈的能量降低了约30%,分别为队39kW•h和0.42kW·ho这是因为高压电池soc接近100%,高压电池无法吸收全部回馈能量｡

其二为电机系统驱动能量(EdM)明显较高｡这是由于电机起始温度为常温,通常称为常温冷起动,电机温度没有达到运行状态下的温度｡两种原因(第一个是主要原因)导致高压电池消耗的能量(EB)较高,为2.04kW·h｡

第一循环之后,各部件能耗水平比较稳定:高压电池消耗1.76kW·h,电机系统(Em)消耗为1.66kW·h,DC/DC(Edc)约0.1kW·h｡理论上,每个完整循环工况下电机驱动能量(Ed_M)不变,图上出现的波动是由人为因素导致｡这种波动导致其他能量随之波动｡但所有完整工况下电机消耗能量占比基本不变,约为94%｡

2.2低温工况的能量流

图5为低温续驶各系统零部件的能耗｡续驶里程试验共经历12个完整循环和一个不完整循环｡从图上可看出,驱动时电机系统仍然是主要的能量消耗部件,空调消耗的能量(EPTC)占有重要比重;制动回馈时,→半以上的电机回馈能量(EbM)回到电池｡与常温续驶情况类似,第→循环电机系统驱动能量(EeM)和电池消耗能量(EB)较高,回馈能量(EbM)较低｡

高压电池消耗(EB)从4.32kW•h降至约3.13kW•h,电机系统消耗(EM)从2.34kW•h降至约2.04kW•h,PfC能耗从1.76kW•h降至约0.92kW•h,DC/DC(EDC)从0.22kW•h降至约0.17kW·h｡

2.3高温工况的能量流

图6为高温续驶各系统零部件的能耗｡续驶里程试验共经历20个完整循环和一个不完整循环｡

从图上可看出,驱动时电机系统还是主要的能量消耗部件,空调能耗大大降低,接近DC/DC(E配)能耗水平;制动回馈时,很大部分电机回馈能量(EbM)回到电池｡同样,第一循环电机系统驱动能量(EdM)和电池消耗能量(EB)较高,回馈能量(EbM)较低｡

空调能耗与电池能耗出现两次明显的尖峰,最后阶段空调失效｡从起始到平衡,高压电池消耗(EB)从2.68kW•h降至约2.12kW•h,电机系统消耗(EM)从1.88kW•h降至约1.62kW•h,空调(AC)能耗从0.49kW•h降至约0.25kW•hDC/DC从0.30kW•h降至约0.26kW•h｡

3. 讨论与分析

3.1各系统零部件能耗对比分析

图7为不同温度下的电机系统能耗,可看出常温和高温电机系统驱动消耗能量(EdM)相当,而低温下消耗能量显著增大｡

低温是常温的约1.1倍,与中国汽车技术中心的《EV-TEST(电动汽车测评)管理规则》的标准的阻力系数加载方法相吻合｡同时从侧面说明当电机“热机”后,低温下电机效率并无明显降低｡从图中也可以看出,低温下电机冷起动引起的能耗增加幅度高于常温和高温｡由于行驶阻力的增大,低温下电机回馈能量也抵于常温和高温｡但通过谨慎地对比分析发现高温下电机回馈能量略高于常温,这一现象也出现在另一款车型上｡另一个值得关注的地方是常温下电机系统驱动消耗能量波动较小,高温和低温下波动较大｡

3.2热管理影晌分析

低温和高温下,空调性能关乎人体热舒适性,空调能耗对续驶里程有重要影响｡图8为不同温度下的空调能耗(EPDU)与DC/DC(E0c)能耗对比｡从图中可看出,低温下空调(ITC)能耗显著高于高温情形｡高温和低温下,由于试验起始时乘员舱温度为环境温度,需要把电能转化为热能将乘员舱温度拉到热舒适性温度范围内,类似于电机冷起动｡低温下空调“冷起动”引起的能耗增加幅度远高于高温情形｡

图9为低温下电机系统与高压电池的能耗比｡从图上可看出,空调在第一循环后基本达到平衡,即半小时内乘员舱温度即可达到热舒适性温度范围｡半小时之后低温空调能耗持续降低,说明整车达平衡需要较长时间｡高温下虽然空调能耗低,但需2个小时才达平衡,可能是压缩机匹配性较差｡

中间段和末尾段空调能耗已经平衡情况下出现了2次尖峰,说明高压电池热管理开启Q从侧面也说明了低温下无高压电池热管理｡平衡后ITC能耗是压缩机能耗的3倍左右(无电池冷却时)｡第10和第11循环空调消耗能量减去第9和第10循环计算出电池冷却消耗能量约0.55kW·h。

相比常温下低压附件运行情况,低温下增加了一些空调相关低压附件(如ITC水泵､空调箱体鼓风机等)的运行,故低温下DC/DC(E0c)的能耗比常温略有增加｡而高温下,还增加了电机回路水泵､散热器冷却风扇､电池回路水泵等低压部件的运行,故高温下低压能耗高于低温,约为常温的2.65倍｡

虽然高温下电机回馈能量略高于常温,但由于高温下有一部分电机回馈能量流向空调｡所以高温下电池回馈能量(EhB)略低于常温｡

比较图8和图10的曲线可看出,电池消耗能量与空调消耗能量有相同的趋势,进一步说明空调能耗很大程度上影响着电池的能耗｡

所有循环累加求和得到总能耗,汇总如见表4｡

由于高压电池在低温下的充放电特性,低温下高压电池续驶里程数衰减较少:其中空调能耗占14%,电池消耗能耗充放电内阻较大,理论放出电量较低｡故低温下高压减少2%,低压能耗增加5%｡因而,整车行驶阻力､电池热电池消耗(EB)最低｡

而高温下电池内阻较小(当然也不排除与试验终止时的车速有关,高压电池消耗略高于常温,与表4试验结果相吻合｡根据高压电池容量和表4得到不同温度下的能耗占比分布(图11)｡从中可以发现高低温续驶里程衰减原因｡

低温下电机系统能耗占55%,空调能耗占26%,DC/DC(in)能耗占5%,电池剩余能量15%｡常温下电机系统能耗占88%,DC/DC(in)能耗占5%,电池剩余能量6%｡高温下电机系统能耗占70%,空调能耗占14%,DC/DC(in)能耗占12%,电池剩余能量5%｡比较表4不同温度下电机系统驱动总消耗能量(EdM)与相应阻力系数倍数的比值,高温和抵温比常温分别低19.8%和48.1%,与续驶里程衰减率一致｡

4 结论

以单循环工况为分析单元,通过低温､常温､和高温下的能量流以及它们的总能耗,得出以下结论:

1)低温和高温下电机系统仍然是最大能耗部件,其次是空调｡低温､常温和高温下电机系统能耗占比分别为55%､88%､70%,空调能耗占比分别为269毛､0%､149毛,DC/DC低压附件能耗占比分别为5%､5%､129毛,电池剩余电量占比分别为15%､6%､5%｡

2)空调消耗显著影响电池能耗｡低温下行驶阻力增大导致单位时间电机系统能耗较高｡同时低温下高压电池电阻较大,导致高压电池放电量降低｡

3)低温续驶里程数衰减严重，主要因素有:空调能耗占27%，电池消耗能耗减少12%，风阻因素占10%;而高温续驶里程数衰减较少:其中空调能耗占14%，电池消耗能耗减少2%，低压能耗增加5%。因而，整车行驶阻力、电池热管理及电池保温、空调能耗是影响续驶里程的关键因素。

文献来源:

石琳,汤泽波,彭林杰,等. 不同温度下纯电动汽车整车能量流研究[C].中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）.2020中国汽车工程学会年会论文集（2）.机械工业出版社（China Machine Press）,2020: 465-470.