来源 | 中国第一汽车股份有限公司新能源开发院
来源 | 电动学堂
本文基于国产某款纯电动车型,重点分析在高温和低温环境下,除传统的动力学影响因素外的其他重要能耗影响因素,而从车辆自身特性的角度研究能量管理问题,不从其他角度详细分析动力电池能量衰减所引起的里程减少等?
1、高低温工况测试
针对某款纯电动车进行高温?低温环境下能量流测试,研究各影响因素的能耗占比情况,挖掘出高温?低温环境下最大的能耗影响因素,为后续系统设计匹配和能量策略优化提供参考依据?
1.1 测试方法
高温和低温测试在模拟环境舱中进行,测试车辆采用CLTC-P工况循环测试,从充满电到车速不能满足工况要求为止,测试最大里程周期内的能量分配情况?
被测试车辆的浸车时间?温度等参数设置模拟用户实际使用:高温测试以25℃浸车12h,模拟车辆夏季夜间停放,35℃环境温度模拟夏季实际天气,试验中采用850W光照,模拟夏季阳光照射;冬季测试采用环境温度一7℃,能覆盖华北等大多数地域?
测试设备采用CTS环境模拟舱和AVL底盘测功机,采用高精度数据采集仪和电流传感器在车辆主要的能量流位置布置传感器记录能量变化每一个完整的CLTCP循环记录一组试验数据?试验过程的具体测试方案和空调设置条件见表1和表2,主要变量测试位置见表3?
1.2 高?低温测试能耗分析
实测的单个循环车速曲线如图1所示?实测车速曲线与标准工况车速偏差小于1%,符合度较高?高温工况单个循环的动力电池输出电流如图2所示?
空调系统?DC/DC输入端和驱动电机端单个循环能量消耗平均值见表4?
车辆高温(35'C)测试能量分解结果如图3所示?空调系统和低压附件总能耗占车辆总能耗的37%,超过了车辆能量消耗的1130这两个方面是影响高温续驶里程的主要因素?
空调压缩机的能耗主要在于车辆驾驶室制冷和电池过温时利用Chiller换热器对电池进行冷却?空调在只给驾驶室制冷时,功率约为lkW?值得注意的是,低压附件系统能耗占比较高,其一方面原因在于空调开启时空调系统压力大,导致冷凝器对风扇风量需求大,风扇始终保持高转速运行,此时风扇功率远大于常温行驶时的功率,功率始终保持在300W以上;另一方面在于空调系统中的鼓风机消耗车辆低压电能,还要同比增加lOOW以上?因此,在高温环境下空调系统自身和空调开启所引起的附件能耗是高温续驶里程的最大影响因素?
进行低温测试时,测功机模拟阻力设定为车辆常温阻力的1.1倍,其他测试条件见表1,测试结果如图4所示?
在低温(-7℃)行驶工况下,压缩机能耗与低压附件能耗占总能耗的28%?该车型在此温度下的取暖方式以热泵空调为主,能耗相比于FTC取暖方式稍节能,压缩机稳定时刻的功率约700Wa低压附件能耗占比高的主要因素仍是风扇大功率运转和鼓风机开启导致,其中冷却风扇功率变大直接影响了高温和低温两种工况下的能耗?
同时冬季车辆阻力的增加和蓄电池低温可用能量的衰减也是冬季续驶里程缩短的重要因素,这里不进行详细论述?由此可见,从车辆自身角度出发,合理地匹配空调系统与风扇使用是优化冬季能量管理的重要方向?
2、能耗影响因素及优化方向
2.1 空调系统影晌与优化方向
空调系统使用效率的高低决定空调系统的整体能耗,其使用效率与空调系统本身效率?用户空调使用需求和策略设置有关?
在高温实际测试过程中,将高温环境舱设置为35℃,为模拟夏季用户单次实际使用工况,对车辆进行1个CLTCP循环工况测试,里程14.48km,符合用户单次出行特征?
根据前面测试结果可知压缩机功率基本维持在lkW时,该车辆实测头部温度小于25吧,可以满足用户对驾驶室的制冷需求?因此可以通过调整驾驶室温度来调节压缩机功率,将压缩机功率稳定在均值为lOOOW?950W?900W三种情况,测试压缩机功率对车辆实际能耗的影响?以上三种功率值对应着三种不同的头部温度,但均在驾驶室舒适性的可接受范围内?
通过试验测得的空调压缩机功率变化由线如图5所示?空调功率在稳定前处于驾驶室降温过程,此时空调功率高于稳定时刻的功率且波动较大。因此，在计算空调系统能耗时不能简单地按稳定功率值来计算空调能耗,初始降温阶段对计算空调能耗有重要影响?
三种空调运行功率下的(蓄电池端)百公里能耗如图6所示,空调压缩机功率提高lOOW时,车辆百公里电耗提升约4%,预计影响续驶里程约lOkm?空调系统功耗对实际续驶里程影响较大?
该车型冬季采用热泵空调,在7℃环境下暖风系统能耗仍以空调压缩机能耗为主,其功率对能耗的影响也符合上述分析?但目前电动汽车采用的暖风系统模式多样,如热泵空调与PTC结合?PTC暖风水路加热系统等,其能耗对电动车续驶里程的影响也不同?总之,合理地匹配与设置空调系统与车辆热管理系统模式,充分利用动力总成余热,对提升续驶里程也有一定作用?
由此可见,空调系统运行功率对用户单次行驶里程的影响较大,提升空调系统使用效率对电动汽车高温和低温续驶里程提升都有重要作用?
2.2 低压附件影晌与优化方向
相比常温工况,在高温和低温环境下低压系统功率明显增加,主要在于冷却风扇?鼓风机?水泵能耗增加导致O低压系统及冷却风扇平均功率统计见表5,低压负载中冷却风扇功耗占比最大,约占低压系统耗电量的50%?在常温工况下,该车型低压负载功率只有200W,具体原因在上文中已经详细分析?对于风扇设计尽量选择高效率的无刷风扇,同时合理标定风扇转速与空调系统压力?冷却系统水温的关系,实现节能最大化?
在电气系统开发或设置车辆节能模式时,对其他电附件系统的优化应遵循以下原则开展:
1)在车辆开发前期,在满足功能的前提下采用能耗水平更低的电气元件,将电附件系统的能耗指标进一步细化?
2)在定义车辆节能模式阶段,梳理长时间使用耗电的功能和场景,对不影响行车安全?驾驶操控或对用户体验影响小的功能进行功耗调整?
2.3 冷却系统影响与优化方向
高温工况下驱动电机和动力蓄电池的冷却耗能也是导致能耗上升的一个因素?驱动电机的温度是直接控制水泵流量的重要因素,动力蓄电池的冷量需求也是空调系统的重要负载?因为IGBT电流响应快并且器件热容小,秒级阻升就可达到lOOK以上,所以电机系统在日常行驶中对持续流量的需求较大?
通过前期合理设计和标定冷却流量,在保证对电机寿命影响最小的前提下,在不同工况下实现不同流量的分级控制可以较小程度改善冷却系统功耗Q动力蓄电池需要工作在合适的温度范围内,需要通过Chiller换热器将蓄电池多余热量带走,因此蓄电池冷却也增加了空调系统负荷,导致其高压能耗增加?
为模拟用户夏季夜间停车,将车辆在环境温度25℃下浸车1站在35吃的环境温度下采取CLTCP工况长时间运行,即使循环工况并不激烈,但是由于蓄电池热量长时间积累并温度升高,因而在测试后期,动力蓄电池出现了冷却需求?在蓄电池冷却起动初期,压缩机功率会迅速升至2~3kW,但蓄电池冷却在整个测试过程中所占时间比例少,因此其所占整体能耗的比例只有约2%?
该测试车型只有Chiller换热器给蓄电池冷却,即蓄电池达到冷却需求温度时Chiller开启工作直至达到退出温度?而目前一些车型开始采用散热器和空调系统相结合的蓄电池冷却方式,在蓄电池冷却需求较低时起动散热器回路冷却,在蓄电池冷却需求较高时起动空调系统冷却,采用提前对蓄电池加热的策略,以低压功耗换取部分高压功耗,从而实现蓄电池冷却节能?其主要应用原理如图7所示?
由此可见,如果将动力系统冷却需求尽可能精准化,则有利于降低冷却系统和空调系统负荷,在保证动力总成热安全的前提下实现一定程度的节能?
3、结论
本文详细分析了纯电动汽车在高温和低温工况下主要的能耗影响因素,通过实车的一系列设计试验对这些主要因素进行了量化分析,结论如下:
1)在高温和低温环境下,影响续驶里程的主要因素是空调系统能耗和热管理系统工作的低压能耗,在35吁高温环境下占总能耗1/3以上,在7℃低温环境下占总能耗
约1/30特别注意的是,低压系统中冷却风扇能耗较突出,是最大的低压耗能部件,需要合理进行系统匹配和策略标定?
2)在传统的动力学能耗优化的基础上,针对实际的高温和低温工况,我们可以从空调系统使用效率的提升?降低电附件系统实际使用功率?动力总?成冷却系统的高效利用三个方面开展研究测试,从车辆技术本身最大限度地提升纯电动汽车的续驶里程?
