基于新歐洲行駛循環(huán)工況的某純電動(dòng)車型續(xù)駛里程仿真優(yōu)化

馬家明

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 200092)

0 前言

在節(jié)能減排的全球大趨勢(shì)下,世界各國對(duì)新能源汽車的發(fā)展越來越重視。根據(jù)中國汽車流通協(xié)會(huì)汽車市場(chǎng)研究分會(huì)(簡(jiǎn)稱乘聯(lián)會(huì))2015—2019年中國新能源汽車銷量數(shù)據(jù),我國新能源汽車市場(chǎng)銷量逐年增長(zhǎng),其中純電動(dòng)汽車維持高占比,如圖1所示。

圖1 2015—2019年中國新能源汽車銷量及結(jié)構(gòu)占比

純電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)能源汽車、節(jié)能汽車、插電式混合動(dòng)力汽車,在環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)型式、性能方面具有突出的優(yōu)勢(shì),但續(xù)航能力極大地制約了純電動(dòng)汽車的發(fā)展。本文以續(xù)駛里程為優(yōu)化目標(biāo),開展某純電動(dòng)多用途車型(MPV)續(xù)駛里程影響因素研究及新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)工況仿真優(yōu)化。

1 純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素研究

1.1 純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素

傳統(tǒng)能源汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)阻、整車質(zhì)量、行駛工況等。對(duì)于純電動(dòng)汽車來說,續(xù)駛里程影響因素還包括：動(dòng)力電池性能、能量密度、額定容量；空調(diào)等附件系統(tǒng)和低壓電器系統(tǒng)的能量消耗,電機(jī)制動(dòng)能量回收效率、電機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)不僅要求電機(jī)具有較高的額定效率,而且要求電機(jī)具有較寬的高效率區(qū)域,才能在各種行駛工況下充分利用有限的能量。

1.2 純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素思維導(dǎo)圖

采用思維導(dǎo)圖的形式,從能源供給端、能源傳遞路徑、能源消耗端,展開全過程分解,如圖2所示。根據(jù)思維導(dǎo)圖歸納總結(jié)出各環(huán)節(jié)參數(shù)如表1。

2 基于車輛動(dòng)力學(xué)的整車能耗模型建模

2.1 純電動(dòng)汽車受力分析

圖2 純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素思維導(dǎo)圖

純電動(dòng)汽車在行駛時(shí),電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)功率將隨阻力功率的變化而變化,但與阻力功率始終保持平衡。根據(jù)電池輸出驅(qū)動(dòng)能量與車輛消耗的能量相等的原則,以方程形式建立純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程仿真計(jì)算模型。本文研究了車輛在指定參數(shù)條件下的續(xù)駛里程,只涉及車輛行駛阻力,并未涉及操縱穩(wěn)定性及振動(dòng)問題,同時(shí)對(duì)車輛縱向動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模。

2.2 整車能耗模型建模

車輛能耗主要由行駛能耗及車輛附件能耗2部分組成,設(shè)定車輛附件功率為某一恒定值,圍繞車輛行駛能耗進(jìn)行整車能耗模型建模。車輛行駛能耗主要包括行駛阻力能耗Pt(k W)、傳動(dòng)系統(tǒng)損耗、電機(jī)及控制器損耗、電池內(nèi)阻損耗、附件系統(tǒng)能耗Pf(k W)等部分組成,另外通過制動(dòng)回收部分能量。傳動(dòng)系統(tǒng)損耗、電機(jī)及控制器損耗、電池內(nèi)阻損耗,分別以機(jī)械傳動(dòng)效率(η),電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率(ηm),電機(jī)控制器效率(ηc),電池充放電效率(ηE)來計(jì)算。

3 優(yōu)化建議

根據(jù)前述電池輸出能量與車輛消耗能量相等的原則,以方程形式建立純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程計(jì)算模型,本文以某純電動(dòng)MPV 整車基本參數(shù)作為仿真計(jì)算數(shù)據(jù)基礎(chǔ),如表2所列。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中再優(yōu)化車身外形的基礎(chǔ)上,采用低滾阻輪胎,降低整車質(zhì)量,采用高效率電機(jī)和高性能電池等方法以提升純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程,并提供了實(shí)際工程解決方案。

表1 純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素參數(shù)表

表2 某純電動(dòng)MPV整車基本參數(shù)

本文在續(xù)駛里程仿真試驗(yàn)優(yōu)化分析時(shí),選取整車質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、動(dòng)力電池包額定電量作為4個(gè)核心因子,基于實(shí)際工程解決方案,在表2所示初始參數(shù)值基礎(chǔ)上每個(gè)因子選擇3個(gè)水平。

根據(jù)工程實(shí)踐中的解決方案,將4個(gè)核心因子的水平設(shè)定如表3。

表3 核心因子及水平設(shè)定

4個(gè)因子不同水平的工程解決方案如下論述。

(1)整車質(zhì)量減小：通過車身地板縱梁結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化,車身輕量化設(shè)計(jì),減輕質(zhì)量151 kg；通過取消備胎進(jìn)一步降低質(zhì)量25 kg,參數(shù)水平見表4。

表4 整車質(zhì)量水平設(shè)定

(2)迎風(fēng)面積A 減小：通過懸架參數(shù)的調(diào)整,減低車高,實(shí)現(xiàn)迎風(fēng)面積的減小0.05 m2和0.08 m2,參數(shù)水平見表5。

表5 迎風(fēng)面積A水平設(shè)定

(3)風(fēng)阻系數(shù)CD減小措施：通過車身造型面優(yōu)化、增加底盤下護(hù)板、前艙下護(hù)板等降風(fēng)阻措施,如圖3所示,減小風(fēng)阻系數(shù),使得風(fēng)阻系數(shù)可降低至0.011 和0.034,參數(shù)水平見表6。

圖3 前艙及底盤下護(hù)板方案

表6 風(fēng)阻系數(shù)水平設(shè)定

(4)動(dòng)力電池包額定電量的變化：首先相對(duì)于傳統(tǒng)車身地板結(jié)構(gòu)形式,該純電動(dòng)MPV 縱梁向外側(cè)移動(dòng)并與門檻梁集成,有效擴(kuò)大了動(dòng)力電池包橫向空間,相較傳統(tǒng)車身,縱梁內(nèi)側(cè)間距從730 mm 擴(kuò)大至1 040 mm,如圖4所示,可容納3PT 電芯PHEV2模組24塊,按照2020年電芯能量密度200(W·h)/kg預(yù)測(cè),動(dòng)力電池包最大電量可達(dá)到70.1 k W·h。

圖4 車身底板結(jié)構(gòu)與動(dòng)力電池分布置方案

在相同的空間條件下,可以通過減少模組數(shù)量,適當(dāng)減少電量,起到降低質(zhì)量和物料成本的作用,每個(gè)模組為2.92 k W·h,分別設(shè)定22、23、24塊模組組合,參數(shù)水平見表7。

表7 動(dòng)力電池包額定電量E B 水平設(shè)定

在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí),采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,同時(shí)結(jié)合方差分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)推斷。由NEDC循環(huán)工況各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)算出必要的統(tǒng)計(jì)量的觀測(cè)值后,列出方差計(jì)算統(tǒng)計(jì)量觀測(cè)值表,如表8所列。

表8 方差計(jì)算統(tǒng)計(jì)量觀測(cè)值

由方差計(jì)算統(tǒng)計(jì)量觀測(cè)值表可以看出,極差最小的因子為B的迎風(fēng)面積,可視作誤差項(xiàng),考察每個(gè)因子在各水平下的效應(yīng)是否具有顯著差異。由方差計(jì)算統(tǒng)計(jì)量觀測(cè)值進(jìn)一步得到方差分析表,如表9所列。

表9 方差分析表

由方差分析表,比較各因子的F 值和對(duì)應(yīng)顯著性水平下的F 臨界值,獲得各因子的顯著性判斷。總體較優(yōu)組合是A3+B1+C3+D1,即在NEDC循環(huán)下,可采用整車質(zhì)量1 800 kg,迎風(fēng)面積2.83 m2,風(fēng)阻系數(shù)0.305,動(dòng)力電池包額定電量70.1 k W·h這一方案組合,仿真試驗(yàn)的續(xù)駛里程可達(dá)到443.7 km(含制動(dòng)能量回收),較初始狀態(tài)續(xù)駛里程408.8 km 提升了8.5%。

4 續(xù)駛里程與核心因子間的傳遞函數(shù)

在NEDC工況下,運(yùn)用Minitab軟件,選用2K因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,選取4個(gè)因子的高低水平全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì),各組試驗(yàn)方案通過仿真分析得到續(xù)駛里程值,如表10所列。

表10 2k 全因子試驗(yàn)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文以續(xù)駛里程為優(yōu)化目標(biāo),開展某純電動(dòng)MPV續(xù)駛里程影響因素研究及NEDC 循環(huán)工況仿真優(yōu)化。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面,選取A 整車質(zhì)量、B迎風(fēng)面積、C風(fēng)阻系數(shù)、D 動(dòng)力電池包額定電量作為核心因子,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),運(yùn)用方差分析F 值檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)推斷,基于實(shí)際工程解決方案,平衡經(jīng)濟(jì)性,從提升儲(chǔ)能和降低能耗方面提出了優(yōu)化建議,包括車身結(jié)構(gòu)輕量化、取消備胎等減重措施,設(shè)計(jì)開發(fā)底盤護(hù)板等降低風(fēng)阻措施,優(yōu)化車身底板結(jié)構(gòu)擴(kuò)大動(dòng)力電池模組布置空間提高電量等,仿真試驗(yàn)續(xù)駛里程提升了8.5%,取得了較好的效果,具有一定的工程推廣價(jià)值。