新能源汽车【整车能耗】计算（1）

一、影响能耗的关键

在新能源汽车的应用中，对影响整车能耗的关键节点整理如下：

图1 影响新能源汽车能耗的关键

对这些节点在能耗影响上分别进行释义：

1）电池系统效率：电池的能量密度、充放电效率、自放电率以及温度敏感性直接影响车辆的续航能力和能源利用率。

2）驱动系统效率：包括电机、逆变器和减速器在内的驱动系统的效率至关重要，高效电机能减少电能转换过程中的损失，提高续航里程。

3）车重与设计：由于车辆行驶时需克服的滚动阻力和空气阻力与重量成正比，因此车辆的轻量化设计可减少能耗，同时良好的空气动力学设计（如低风阻系数Cd值）能显著降低高速行驶时的能耗。

4）能量回收系统：再生制动系统可以将车辆在减速或下坡时的动能转化为电能储存在电池中，减少能源浪费，提高续航能力。

5）温控系统：电池和车内环境的温度管理直接影响电池性能和能耗，过高或过低的温度都会降低电池效率，因此有效的热管理系统对维持最佳工作温度至关重要。

6）电子附件能耗：如空调、灯光、音响、导航系统等电子附件的能耗不容忽视，高效附件和智能能量管理策略能减少这部分能耗。

7）驾驶习惯与路况：如频繁加速、急刹车、高速行驶等会增加能耗，同时城市拥堵路况与高速平顺驾驶相比，能耗差异显著。

8）轮胎与轮毂阻力：低滚阻轮胎和优化的轮毂设计可以减少摩擦和空气阻力，降低能耗。

9）整车电子电气架构：高效的电子电气架构设计，可以减少不必要组件的能耗。

二、整车能耗计算

2.1.能耗计算关键因素

为实现整车能耗的精确计算，首先需基于车辆的物理模型建立能耗计算模型，这个模型会考虑电池、电机、传动系统、车辆动态特性、空气阻力、滚动阻力、温控系统、能量回收系统等因素，并将相关子系统的如电池容量、电机效率曲线、车重、风阻系数、滚动阻力系数等相关参数包含在内。

接着通过车辆上的传感器网络实时收集数据，软件算法基于采集到的数据完成整车能耗的实时计算，该计算能耗主要包括动态能耗、静态能耗、能量回收和温度补偿四个方面。其中，动态能耗是根据车辆的即时速度、加速度、行驶阻力以计算车辆的实时动态能耗。静态能耗是考虑停车时的能耗，如温控系统、电子附件等的能耗。能量回收需根据制动情况计算再生制动回收的能量，并在总能耗中予以扣除。温度补偿是根据电池温度调整电池的可用能量和能耗效率。

除此核心部分外，为了达到尽可能准确的实时能耗计算，通常还需考虑以下方面：

1）环境影响：外部环境因素如海拔、风速、坡度、道路条件也会影响能耗，需要通过传感器数据调整计算模型。

2）驾驶模式：车辆的驾驶模式会改变电机输出功率和效率，进而影响能耗，需要根据模式调整能耗算法。

3）负载情况：车辆载重、乘客、货物的重量影响能耗，在计算策略中需将其考虑在内。

4）系统效率变化：电机、电池等系统效率会随时间和使用频次出现老化，因此需定期校准，确保计算的准确性。

5）实时校正：算法需根据实际行驶数据反馈校正预测模型，以动态优化能耗计算精度。

图2 整车能耗计算关键因素

最后通过仪表盘或车载信息娱乐系统展示实时能耗、剩余里程、能耗趋势等信息，使驾驶员能够直观了解车辆能耗状况并据此调整驾驶习惯。

图3 系统基本架构

2.2.动态能耗计算

2.2.1.过程

在新能源汽车的动态能耗计算中，主要受到即时速度、加速度、行驶阻力（空气阻力和滚动阻力）的影响。这一计算过程以及涉及到的相关公式有：

1）动力平衡方程

在车辆行驶过程中，特别是维持恒定速度或进行加速时，所需克服的总驱动力等于作用在车辆上的所有阻力之和，即：F驱动力= F总阻力。

其中：F驱动力代表车辆的动力，即推动车辆前进所需的净外力。F总阻力包括了所有阻碍车辆前进的力，如空气阻力、滚动阻力、坡度阻力以及其他可能的机械损耗等。为确保车辆能够持续加速或保持速度，驱动力必须等于或略大于总阻力。

2）总阻力分解

总阻力主要包括空气阻力（风阻）和滚动阻力，有时还包括坡度阻力和加速阻力（惯性力）。

其中，空气阻力F空气与车辆速度的平方成正比，同时与空气阻力系数Cd、迎风面积A以及空气密度ρ相关。

计算公式为：F空气 = 1/2*ρ*A*Cd*V2

其中，Cd是车辆外形的无量纲系数，反映了车辆正面形状对空气流动的阻力程度，该数值范围大约在0.2到0.9之间，越低表明空气动力学性能越好；

A是车辆正面垂直于气流的投影面积，单位通常是平方米；

ρ是在标准大气压强和20°C下大约为1.225 kg/m³，但会随温度和海拔高度变化；

V是车辆速度（m/s）。

滚动阻力F滚动与车辆质量、轮胎与地面的接触面积有关，同时还受路面条件影响。一般设为常数乘以车重，即：F滚动= C滚动*m *g。

其中，C滚动是滚动阻力系数，通常小于1；m是车辆质量；g是重力加速度，常取9.81m/s²。

3）动态能耗计算

能耗与克服这些阻力做功直接相关，即能量消耗为力乘以位移。但在动态计算中，通常考虑的是瞬时功率（单位时间内做的功），即：P=F总阻力* V，又由于通常F总阻力可表示为F空气+F滚动，所以P=（F空气+F滚动）*V。

再将上面的阻力计算公式代入，便可得到具体的功率表达方式，该功率即为动态能耗的即时值，这个计算考虑了车辆的速度变化、空气阻力和滚动阻力，因此是动态能耗计算的基础。在实际应用中，软件会根据车辆的传感器数据实时更新这些参数，再通过计算出的瞬时能耗，估算剩余续航里程、优化能量管理策略等。

2.2.2.软件实现步骤

在软件实现过程中，首先通过传感器获取车辆的关键数据，并通过相应的驱动程序读取，示意如下：

接着根据获取的数据，使用之前提到的物理模型和公式计算动态能耗。这里以空气阻力和滚动阻力为示意：

然后将计算的能耗值用于监控系统，如实时显示在仪表盘或通过HMI更新能耗和续航信息，示意如下：

在主循环中持续调用这些函数，实现动态能耗的实时监控，示意如下：

上述为整车动态能量计算的总过程示意，实际应用中需要根据具体的软硬接口、传感器类型、车辆参数以及软件架构进行调整。