重型純電動商用車能量流分析

摘 要：為提高重型純電動商用車各部件運行效率，降低能量消耗，進行重型商用車瞬態循環，速度分別為80、60、40 km/h等速，4種工況下轉轂臺架能量流測試試驗。結果表明：4種工況下電池包充放電效率為92%～95%，電池包工作穩定且效率較高；微控制器工作效率為94%～98%，電機輸出效率為91%～96%，電機能量回收效率約為94.37%，電機運行正常；直流電壓轉換器轉化效率均在85%以上，處于較高水平；油泵在靜置狀態下的能耗較大，為0.39 kW，其余附件能耗正常。可采用減少油泵壓力、優化系統結構、減少油管阻力等措施對油泵進行優化。

關鍵詞：純電動商用車；能量流；能耗優化

中圖分類號：U464.12文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）04-0064-07

引用格式：張坤，李琦，張佑源.重型純電動商用車能量流分析［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（4）：64-70.

ZHANG Kun，LI Qi，ZHANG Youyuan.Energy flow analysis of a heavy-duty pure electric commercial vehicle［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：64-70.

0 引言

隨著《節能與新能源汽車技術路線2.0》的提出，零排放、零污染的純電動商用車得到了廣泛應用，但純電動商用車存在續駛里程有限、能量回收不足、控制策略待優化等問題［1］。現行的續駛里程試驗標準僅考核了整車因素，未考核各部件因素，考核指標比較單一［2-3］。在純電動商用車電池包凈放電量一定的情況下，分析各部件能耗，合理優化能量配置，可增大續駛里程，提高車輛競爭力。整車能量流測試可測試和分析動力電池提供的能量分配到各部件的有效功率、熱損耗及其它低壓附件的能量損耗、整車能耗與能量流向等，提高車輛能量利用率，為能量回收和能量分配控制策略提供建議，是研究車輛能耗的主要方法。

由于模型誤差等原因，常規的車輛仿真分析方法不能準確評價各部件能耗；若采用零部件臺架試驗進行測試，測試工況與整車實際運行工況存在差異，使臺架能耗測量結果與實際運行工況不一致，可能導致各系統間能耗分析不準確，難以對車輛優化方向提供有效指導［4］。李敏等［5］基于新歐洲行駛循環（new European driving cycle，NEDC）工況，研究了某純電動汽車高溫、常溫和低溫下電池-車輪能量流，得到不同溫度下的系統能耗轉化效率及能量回收效率，實現了對純電動汽車經濟性的準確評價；馮仁華等［6］基于重型商用車瞬態循環（China-world transient vehicle cycle，C-WTVC）工況，研究了電動商用車純電驅動、并聯驅動、驅動發電和能量回收模式下的運行狀況及能效，表明能量流測試方法對于純電動車輛能耗優化具有顯著意義；Jung等［7］基于發動機能量流提出了一種熱管理模型，發現適當控制冷卻液流量可提高燃油經濟性，縮短發動機預熱時間，確定了能量流對整車-系統-部件多層次能量優化有一定的指導意義。

本文中針對某電動商用車各部件進行能耗分析，從系統集成角度分析電動商用車能量轉換及傳遞過程，對比C-WTVC、不同等速工況下的車輛轉轂臺架測試能耗，提高車輛能耗利用率。

1 研究基礎與試驗方案

1.1 研究基礎

采用C-WTVC工況、等速工況對比分析各部件能耗，C-WTVC工況包括市區、公路、高速3部分路段，不同行駛工況下的能量消耗率的數值

{ci}={Qi}/{Si}，（1）

式中：i為工況編號，i=1，2，3，4，分別指C-WTVC工況包括市區、公路、高速路段及等速工況;{ci}分別為以kW·h為單位的不同工況每100 km能量消耗率ci的數值；{Qi}為以kW·h為單位的不同工況試驗結束后的充電機輸入能量Qi的數值；S1、S2、S3、S4分別為以km為單位的不同工況續駛里程Si的數值。

C-WTVC工況，車輛綜合能量消耗率

ce=c1k1+c2k2+c3k3，（2）

式中：k1、k2、k3分別為市區、公路、高速工況所占權重。

動力電池包、微控制器（micro controller unit，MCU）、電機為電動商用車主要能量部件，動力電池包為電動商用車主要能量輸出源，MCU是電機控制單元的核心組件，負責執行復雜算法、監測傳感器數據、調整電機參數并與其他車輛系統通信。純電動汽車車輛加速和勻速行駛時，電池包給電機及其他高、低壓附件供電；車輛制動時，由于制動能量回收，電機作為電源供電，電能由電機流向高、低壓附件及電池包。各部件輸出能量的數值

Ej0=∫baUj·max（0，Ij）dt/3 600 000，（3）

式中：j為主要能量部件編號，j=1，2，3分別指電池包、MCU、電機;{Ej0}分別為以kW·h為單位的輸出能量Ej0的數值；a為試驗開始時刻；b為試驗當前時刻；{Uj}為以V為單位的輸出電壓Uj的數值；{Ij}為以A為單位的輸出電流Ij的數值;t為時間，s。

各部件回收能量的數值

{Ejb}=∫baUj·min（0，{Ij}）dt/3 600 000，（4）

式中：{Ejb}分別為以kW·h為單位的回收能量Ejb的數值。

各部件凈輸出能量

Ejt=Ejo-Ejb，

式中：Ejt為凈輸出能量，kW。

1.2 試驗方案

某重型電動廂式貨車若按照文獻［3］進行續駛里程測試，由于相關的試驗數據較少，缺少樣本對比數據，因此本文中按照文獻［8］進行續駛里程測試；參考文獻［9-10］，設計車輛各部件能量流測試試驗方案，試驗過程中監控和分析電池包、電源分配單元（power distribution unit，PDU）、電池配電單元（battery distribution unit，BDU）、MCU、電機、直流交流（direct current-alternating current，DCAC）轉換器、直流電壓（direct current-direct current，DCDC）轉換器、正溫度系數（positive temperature coefficient，PTC）熱敏電阻加熱器、低壓蓄電池、油泵、水泵、風扇等主要零部件的工作狀態，計算C-WTVC工況、等速工況下部件能耗。重型電動廂式貨車性能參數如表1所示。

根據測試車輛系統結構安裝傳感器，采集時間、電壓、電流、功率、溫度、壓力等信號，針對重型電動貨車主要能耗部件測試要求，參考企業純電動汽車高、低壓模塊操作規范，設置了14個電流測試點（I1～I14）和12個電壓測試點（U1～U12），按照編號順序，電流測試點包括電池包、MCU輸出、電機輸出、MCU輸入、DCAC輸入、轉向油泵輸出、制動空壓機泵輸入、快充輸出（僅限于電池包充電時）、空調壓縮機輸出、PTC輸出、DCDC輸入、DCDC輸出、水泵輸出、風扇輸出共14個電流測點；電壓測試點包括電池包輸出、MCU輸出、電機輸出、MCU輸入、DCAC輸入、轉向油泵（三相電）、制動空壓機泵（三相電）、快充輸出（僅限于充電工況）、DCDC輸入、DCDC輸出、水泵輸入、風扇輸入共12個電壓測點。能量流測試點如圖1所示。

為使車輛轉轂滑行試驗阻力與道路滑行阻力效果一致，根據道路滑行阻力曲線確定整車道路阻力因數，調整轉轂滑行試驗阻力曲線，模擬實際道路行駛阻力。阻力曲線如圖2所示。

由于不同駕駛風格對整車各部件能耗測試結果存在明顯影響［11］，本次測試選取溫和型駕駛風格的駕駛員，要求油門輕踩輕收，C-WTVC工況下，車速跟隨性偏差為±2 km/h。在C-WTVC工況（記為A1工況），等速車速分別為80、60、40 km/h的循環工況（記為A2、A3、A4工況）下進行車輛各部件轉轂臺架能耗測試，A1工況的k1、k2、k3分別為10%、40%、50%。

能量回收策略應在車輛減速狀態下實現，C-WTVC工況規定了時間與車速，無法進行復雜車速及減速變化下的能量回收策略研究，等速工況測試無能量回收，因此，能量回收數據只參考C-WTVC工況。

2 試驗結果

2.1 整車能耗及能量分布特性

電池包輸出能量經過PDU分為不同方向，一部分經過MCU、電機到車輪，一部分經DCDC、低壓部件到水泵，還有一部分到油泵或氣泵，不同工況下整車能量流如圖3所示。

4種工況下電池荷電狀態從99%分別下降到7%、6%、3%、5%，試驗結束后按照文獻［3］的規定進行充電試驗，因車輛充電地點與轉轂臺架之間存在距離，在計算電池包凈放電量時需考慮充電地點與轉轂臺架往返途中的耗電量。不同工況整車各部件能量試驗結果如表2所示。

由表2可知：A1工況下電池包輸出能量最大，等速工況下，電池包輸出能量隨車速增大而減??；不同工況下均為MCU耗能最多，A1工況下，MCU輸入能量占電池包輸出能量的98.24%；油泵、水泵、氣泵的能耗都相對較低，4種工況油泵平均功耗約占電池包輸出能量的1.1%，氣泵、水泵、低壓蓄電池的平均功耗占比均不足1%；等速工況下，車輛能量消耗率隨著車速降低而明顯降低。計算4種工況續駛里程分別為237.20、236.66、326.49、435.25 km，車輛續駛里程隨車速降低而升高，符合電動車車速越高能耗越高的規律。

計算A1工況電池包、MCU、電機、電機機械回收能量分別為43.86、44.51、47.79、50.64 kW·h。MCU輸出效率為MCU輸出能量與MCU輸入能量的比，電機輸出效率為電機輸出能量與MCU輸出能量的比，DCDC輸出效率為DCDC輸出能量與DCDC輸入能量的比，A1工況MCU回收效率為MCU回收能量與電機回收能量的比，A1工況電機回收效率為電機回收能量與電機機械回收能量的比，電池充放電效率為電池包凈放電量與充電機輸入電量的比。計算A1工況MCU、電機回收效率分別為93.14%、94.37%。不同工況主要部件效率如表3所示。

由表3可知：不同工況下，各部件運行效率也有較大差別，電機輸出效率在A1工況下最大，等速工況下電機輸出效率隨車速增加而增大，A1、A2、A3工況電機輸出效率均大于93%；4種工況下DCDC輸出效率均在85%以上；電池包充、放電效率為92%～95%，MCU工作效率為94%～98%。由于本車型電機最高轉化效率為97%，結合驅動電機高效運轉特性分析［12-13］，判斷電機運行效率正常；結合同種類型車輛的經驗數據庫，參考文獻［14-16］，本車型能量回收效率水平較優；通常DCDC轉化效率為75%～94%，判斷本車型DCDC工作效率較好；根據直流電充電效率大于90%的經驗數據判斷，本車型電池包充、放電效率較高。

各工況下電池包輸出電壓、電流如圖4、5所示。

由圖4、5可知：4種工況動力電池包輸出電壓為比較穩定，波動范圍較小，試驗結束時電壓為524.50～531.48 V；A2、A3、A4工況的電流輸出穩定，電池包整體工作狀態穩定。

2.2 關鍵附件工作分析

對轉向油泵、氣泵、PTC部件、空調壓縮機、電子風扇等關鍵能耗附件進行能耗測試。測試轉向油泵能耗時，設置轉向盤正向、左半圈、左一圈、左打滿、右半圈、右一圈、右打滿7種狀態（記為Z1～Z7），測試不同轉向盤狀態下對應的油泵輸入功率、輸出功率、工作效率；測試氣泵能耗時，設置氣泵壓力分別為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 MPa（記為L1～L5）時，氣泵的輸入功率、輸出功率、工作效率；PTC加熱器、空調壓縮機均有打開、關閉2種狀態；通過脈寬調制（pulse-width modulation，PWM）控制電子風扇的開啟占比，測試PWM分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%及PWM為100%且空調開啟的11個狀態（記為M1～M11）時，電子風扇的平均工作功率。PTC加熱器開啟時，空調電壓為552.9 V，電流為5.6 A，平均功率為3.1 kW；空調壓縮機開啟時，空調電壓為553.0 V，電流為1.8 A，平均功率為1.0 kW。附件能耗測試結果如表4、5所示。

由表4可知：轉向盤正向時的油泵功率為0.39 kW。由于同類型車輛油泵功率通常為0.2 kW，且試驗在轉轂臺架進行，轉向盤未參與實際運行，判斷該車型油泵能耗較大，可從減少油泵壓力，優化系統結構，減少管路阻力等對油泵進行優化。參考文獻［17］，結合表4、5中的結果，本車型氣泵、電子風扇能耗正常。

3 結論

本文中以重型純電商用車為研究對象，采用轉轂試驗臺架，對比C-WTVC、等速工況的能量流測試結果，分析車輛各部件能耗，評價系統整體工作效率并進行能耗優化。

1）車輛整體能耗表現正常，電池包充放電效率、MCU運行效率、電機運行效率、系統能量回收效率等均處于正常范圍內。

2）該車型氣泵、電子風扇能耗正常，油泵能耗較大；可采用減少油泵壓力，優化系統結構，減少管路阻力等方式進行優化。

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Energy flow analysis of a heavy-duty pure electric commercial vehicle

ZHANG Kun， LI Qi， ZHANG Youyuan

Dongfeng Liuzhou Motor Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China

Abstract：To improve the operational efficiency of components in a heavy-duty pure electric commercial vehicle and reduce energy consumption， energy flow tests are conducted on a hub dynamometer under four steady-state conditions at speeds of 80， 60， and 40 km/h. The results indicate that the battery charge and discharge efficiency ranges from 92% to 95%， demonstrating stable and high efficiency. The microcontroller operates at an efficiency of 94% to 98%， while the motor output efficiency is between 91% and 96%， with a motor energy recovery efficiency of approximately 94.37%， indicating normal motor operation. The conversion efficiency of the DC voltage converter is above 85%， which is at a high level. The energy consumption of the oil pump in a stationary state is relatively high at 0.39 kW， while the energy consumption of other accessories is normal. Optimization measures for the oil pump include reducing pump pressure， optimizing system structure， and minimizing pipe resistance.

Keywords：pure electric commercial vehicle; energy flow; energy consumption optimization

（責任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2024-05-27

基金項目：柳州市科技重大專項項目（2022ABA0101）

第一作者簡介：張坤（1983—），男，貴陽人，高級經濟師，主要研究方向為汽車產業管理、戰略轉型、汽車技術開發，E-mail：zhangkun@dflzm.com。