車載終端在電動汽車能耗經濟性評價體系中的初步研究

梁 濤 ，孟祥軍 ，張華棟 ，李建祥 ，付崇光

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250002；2.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

能源和環保問題使近年電動汽車研究深入而廣泛開展，在電動汽車產業化、商業化的進程中，純電動汽車能耗經濟性問題被日趨重視，急需確立一套純電動汽車能耗經濟性的評價體系[1]。在電動汽車能耗評價體系中，車載終端作為研究電動汽車能耗經濟性的主要載體，起著數據采集，分析單車能耗經濟性評價參數等功能。

以臨沂市電動汽車智能充換電服務網絡運營管理系統為研究平臺，介紹了車載終端的定制功能業務以及電動汽車智能充換電服務網絡能耗經濟性評價體系，綜合分析了國內外文獻中提到的車輛動能能耗經濟性評價參數，開發了相應的車載終端功能模塊進行電動汽車智能充換電服務網絡能耗經濟性評價。

1 車載終端

車載終端是安裝在電動汽車上完成運營管理系統對車輛控制功能的裝置。其主要功能是采集車輛GPS信息和電池運行數據，通過GPRS無線通訊網絡將數據送至運營管理系統，運營管理系統存儲接收到的GPS信息和電池數據，可實時展示和歷史查詢車輛運行軌跡及電池數據，為車輛運營及電池運行狀況分析提供第一手的數據資料。

車載終端主要由GPS模塊、GPRS模塊、視頻采集模塊、存儲模塊、電源模塊、顯示模塊、主控板和監控板組成。車載終端組成框圖如圖1所示。

2 電動汽車智能充換電服務網絡能耗經濟性評價體系

經濟、高效是電動汽車智能充換電服務網絡能耗經濟性評價體系研究的內在驅動力。目前存在兩個評價視角，一個以電能在電動汽車智能充換電服務網絡生產消費過程中的流動為主線，一個以動力電池組的全生命周期為主線。

圖1 車載終端功能框架

2.1 智能充換電服務網絡過程評價體系

按照電這種特殊商品在配電、充電、用電、充換電輔助設施各個環節的流動和消費作為主線，如圖2所示。

圖2 電的流動環節

配電環節主要是配電變壓器的能耗經濟性評價。綜合計算配電變壓器的初始投資，以及在使用期內因空載損耗和負載損耗產生的損耗費用。通過合理配置變壓器，優化選擇運行方式，協調下游充電環節負載實施經濟調整，最大限度的降低變壓器的電能損耗。

充電環節主要是充電機的能耗經濟性評價。通過提高充電機的轉換效率，以及對充電計劃合理調度，降低整個環節的電能損耗。通過對動力電池組的荷電能力優化控制，保持動力電池組充放電性能最優。

動力電池組作為電動汽車的唯一能量來源，用電環節能耗經濟性評價可以分為動力電池組的電能能耗經濟性評價和車輛的動能能耗經濟性評價兩部分。動力電池組通過增加直流電能表，完成輸出電能直流計量，車載終端采集并上送運營管理系統。所以該環節的研究重點放在車輛的動能能耗經濟性評價上。

2.2 動力電池組全生命周期評價體系

動力電池組全生命周期包括電池采購、編組、入站、充電、放電、配送、換電、維護、梯次利用、報廢等環節，如圖3所示。

建立動力電池組能耗經濟性評價體系，在充放電各環節進行實時數據采集監控、性能分析，提高電池的整體性能和延長使用壽命，降低運營成本。

圖3 動力電池組全生命周期

3 用電環節能耗經濟性評價指標

用電環節能耗經濟性評價以車輛的動能能耗經濟性評價為核心，常用的指標是以一定的車速或循環行駛工況為基礎，以車輛行駛一定里程的能量消耗量或一定能量使車輛可行駛的里程衡量[5]。為了使車輛動能能耗經濟性評價指標具有普遍性，其評價指標應該滿足以下3個條件：①可以對不同類型的電動汽車經濟性進行比較；②指標參數數值與整車儲存能量總量無關；③可以直接從參數指標進行能耗經濟性判斷。下面分別介紹常用的能耗經濟性評價參數[1]。

3.1 續駛里程

續駛里程是指電動汽車在動力電池組完全充電狀態下，以一定的行駛工況，能連續行駛的最大距離，單位為km，可以分為等速續駛里程和循環工況續駛里程。此項指標對于綜合評價動力電池組、電機及傳動系效率、電動汽車實用性具有積極意義[2]。但此指標與動力電池組容量及電壓水平有關，在不同車型和裝配不同容量動力電池組的同種車型間不具有可比性。即使裝配相同容量同種動力電池組的同一車型，續駛里程也受到動力電池組狀態、天氣、環境因素等使用條件影響而有一定的波動。

剩余里程是指電動汽車在當前情況下，保持現有駕駛方式還能行駛的里程，不僅與動力電池組的剩余容量、能量有關，而且與駕駛方式、駕駛環境也有很大關系。

對比來看，續駛里程是實驗測試數據，剩余里程是動態估算數據。

3.2 單位里程容量消耗

車輛等速或按工況行駛單位里程消耗的動力電池組容量為單位里程容量消耗，單位為（A·h）/km。

動力電池組在不同的放電深度，端電壓有明顯的變化；在相同放電功率下動力電池組放電電流有相應的變化。從容量消耗計算公式可知[3]，在不同的動力電池組放電深度，行駛相同里程消耗的動力電池組容量不同。所以單位里程容耗作為經濟性的評價參數在不同的動力電池組使用條件下存在一定的誤差，在不同車型間不具有可比性，僅適用于電壓等級相同，車型相似情況下能耗經濟性能的比較或同一車型能耗水平隨動力電池組壽命變化周期分析。而且動力電池組容量的計算還存在很多精確性問題，該參數不能作為準確的對比依據。

3.3 單位里程能量消耗

單位里程能量消耗也稱能量消耗率，可以分為單位里程電網交流電量消耗和動力電池組直流電量消耗，單位為（kW·h）/km。交流電量消耗受到不同類型充電設備的效率影響，無法直觀的評估用電環節，故放到充電環節評估使用。直流電量消耗僅以動力電池組的能量狀態作為標準，脫離了充電機的影響，可以比較直接地反映電動汽車的實際性能。

3.4 單位容量和單位能量消耗行駛里程

這兩種能耗經濟性評價指標分別是單位里程容量消耗和單位里程能量消耗的倒數。單位分別為（A·h）/km，km/（kW·h）。

3.5 等速能耗經濟特性曲線

通常以測出速度間隔為5 km/h或10 km/h的等速行駛能耗量為標準，在速度—能耗曲線圖上連成曲線，稱為等速能耗經濟特性曲線，但這種評價方法不能反映汽車實際行駛中受工況變化的影響，特別是市區行駛中頻繁出現的加速，減速，怠速及停車等行駛工況，故不予采納。

3.6 直流比容耗和比能耗

不同車型的電動汽車總質量相差很大，因此單位里程能量消耗也有很大差別[4]。為了進行不同車型間的能耗水平分析和比較，采用直流比能耗，即單位質量在單位里程的能耗，單位為（kW·h）/（km·t），此參數可以體現不同車型間傳動系匹配優化程度和能量利用效果。

在電壓等級相同的情況下，采用比容耗，即單位質量在單位里程的容量消耗。 單位為（A·h）/（km·t）。

3.7 能耗評價參數關系

能耗經濟性評價參數之間相互轉換的計算關系如圖4所示。動力電池組可放出的有效能量、有效容量、單位里程能耗及單位里程容耗是電動汽車續駛里程的決定性因素[5-6]。車輛的整備質量把單位里程能耗、容耗與比能耗、比容耗聯系起來。單位里程容耗和能耗的區別在于計算中是否考慮動力電池組電壓變化的影響。

圖4 電動汽車能耗參數關系示意圖

4 車載終端能耗經濟性評價模塊設計

在電動汽車智能充換電服務網絡能耗經濟性評價體系中，車載終端作為研究用電環節能效經濟性的主要載體，起著數據采集，分析動力電池組及車輛動能能耗經濟性等功能。其模塊流程如圖5所示。

圖5 模塊流程圖

車載終端根據監測數據計算單位里程容量消耗（4.3），單位里程能量消耗（4.4），繼而計算單位容量和單位能量消耗行駛里程（3.4），以及直流比容耗和比能耗（3.6）。根據單位容量和單位能量消耗行駛里程以及車輛當前的可用電池容量、可用能量，在工況一定時可以計算出剩余里程（4.5）。

車載終端可以在車輛正常運營工況行駛下記錄其行駛路線、行駛里程、行駛時間、最高車速、平均車速，以及每一階段工況的操作狀態、加速度、速度、操作時間、工況時間、累計時間，并統計停車、加速、等速、減速的時長。以及直流電量、充電交流電量，能耗經濟性評價參數計算，從而為充電導引調度，充電站提示，最短路線提示、能耗經濟性評價體系等增值業務服務。

4.1 動力電池組的初次充電

動力電池組的初次充電指車輛入網以后動力電池組的第一次充電。此時車輛行駛里程為D0，補充的電網交流電量為E0，動力電池組直流電量G0，動力電池組容量 Q0。

4.2 動力電池組正常充電和能量測量

正常運營后，動力電池組與充電機連接，直到充滿電。此時車輛行駛里程為Di，補充的電網交流電量為Ei，動力電池組直流電量累計值Gi，動力電池組容量Qi。

4.3 單位里程能量消耗的計算

使用下式計算單位里程能量消耗F，單位（A·h）/km：

式中：△Q為運營期間消耗的電池組容量（Qi-Qi-1），A·h；△D為運營期間行駛的總距離即續駛里程（Di-Di-1），km。

4.4 能量消耗率的計算

使用下式計算能量消耗率C，單位（kW·h）/km：

式中：△G為運營期間動力電池組直流電量（Gi-Gi-1），kW·h；△D為運營期間行駛的總距離即續駛里程（Di-Di-1），km。

4.5 剩余里程的計算

車輛在行駛時消耗的功率P為[6]：

式中：m為電動汽車的質量，kg；F為電動汽車重力，F=mg；vn為車輛行駛速度，km/h。那么動力電池組還可以持續放電的時間為：

η為機械效率和驅動電機的總效率；那么可行駛里程為：

4.6 在臨沂電動汽車智能充換電服務網絡中的應用

升級后的車載終端已經應用于臨沂市電動汽車智能充換電服務網絡運營管理系統中，監控著7條公交線路，100多輛運營車輛，為電動汽車智能充換電服務網絡的運營、能效評估提供有力支撐。尤其是在電池性能狀態檢修和駕駛員行為分析方面發揮了非常重要的作用。例如，2011年“五一”期間一批新駕駛員上崗，車載終端反饋運營管理系統的能耗經濟性參數明顯降低，而且相關的BMS系統經常提示“單體電池電壓低”和“單體電池電壓高”故障。運營管理系統監控中心通過回調車載終端記錄數據發現存在異常加速、減速等指令，建議駕駛員加強操作學習，很快車輛的能耗經濟性參數明顯回復平穩。這種數據交互手段的常態化、狀態化，大大提高了電動汽車的工作運行效率。

5 結束語

車載終端作為運營管理系統的電動汽車監控設備，有完備的數據采集能力和強大的自主分析功能，對于動力電池組全生命周期管理和車輛動能能耗經濟性評價具有重要意義。