新能源汽车综合能量需求计算方法研究

张雪钊

摘要： 在车辆动力性经济性开发流程中，需要明确车辆在运动过程中对动力系统的能量需求，以便根据此需求进行动力系统参数匹配和能量管理策略分析。本文提出了一种新能源汽车综合能量需求计算方法，根据车辆在运动过程的车速时间历程，分析车辆在加速、匀速和减速3种情况下的能量消耗，结合制动能量回收对能量消耗的影响，计算车辆的轮端功率需求和能量需求。

Abstract： In the development process of vehicle dynamics and economy， it is necessary to clarify the energy demand of the powertrain during the movement of the vehicle， so that powertrain parameter matching and energy management strategy analysis can be carried out according to this demand. This paper proposes a new energy vehicle comprehensive energy demand calculation method. According to the vehicle's speed in the movement process， the energy consumption of the vehicle under three conditions of acceleration， constant speed and deceleration is analyzed， combined with the impact of braking energy recovery on energy consumption. Calculate the wheel end power and energy demand of the vehicle.

关键词： 新能源汽车;能量需求;制动回收;车辆阻力计算

Key words： new energy vehicles;energy demand;brake recovery;vehicle resistance calculation

中图分类号：U469.722                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0039-02

0  引言

在车辆动力性经济性开发流程和能量管理策略分析中，首先需要明确车辆在一个完整运行过程中的真实能量需求情况。在以前的研究中，通常只是计算车辆在一个瞬时状态下的功率需求，并没有考虑车辆在一个运动周期的完整能量消耗情况。因而，按照此功率计算的动力系统参数只能满足某一时刻的需求，按照此功率得出的能量管理策略是瞬时较优的策略。下面将车辆从一个静止状态变化到另一个静止状态（完整循环工况）或保持某一个稳定状态（匀速行驶）的过程作为一个完整分析单元，分析车辆能量需求情况。

1  循环工况能量需求分析

目前在汽车能量管理策略的评估中，一般采用车速随时间变化的历程作为车辆行驶的典型工况。

根据GB 18352.5-2013 《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》[1]规定的试验循环NEDC工况，可以得到其车速时间历程，见图1。

根据GB 18352.6-2016 《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[2]规定的试验循环WLTC工况，同样可以得到其车速时间历程，见图2。

轻型车能耗测试工况的调整，更加符合用户实际使用的情况，也更能体现实际的能量消耗。

循环工况包含加速、匀速和减速3种情况。加速工况，车辆一方面需要克服加速阻力提升车辆动能，另一方面需要克服空气阻力、滚动阻和机械损失造成的能量消耗。匀速工况，车辆仅需克服空气阻力、滾动阻和机械损失造成的能量消耗。减速工况，造成车辆减速的除了空气阻力、滚动阻和机械损失造成的能量消耗，还有制动能量消耗。制动能量消耗是对车辆加速过程积累动能的再次利用，如果以电机回收形式消耗则可以存储在电池中再利用，如果通过机械摩擦消耗则无法再利用。结合以上分析，能量消耗公式如下：

E1=Eacc+Ef（1）

E2=Ef（2）

E3=Ef-Eebrk+Embrk（3）

式中：

E1：加速过程能量消耗;

E2：匀速过程能量消耗;

E3：减速过程能量消耗;

Eacc：车辆加速转换为动能的能量消耗;

Ef：车辆在一定车速时对应的风阻、滚阻和机械损失的能量消耗;

Eebrk：车辆减速时的电制动回收能量;

Embrk：车辆在减速时机械制动能量消耗。

2  制动能量回收分析

当前主流车型为了最大限度发挥混动的节能优势，均采用全解耦的制动能量回收系统，在没有紧急制动的情况下基本可以实现全部回收[3，4]，即Eebrk=Eacc且Embrk=0。某款插电式混合动力汽车制动强度工作点分布，等高线为可以回收的比例，可以看出，大部分工作点都可以全部回收（即处于1的等高线内），只有当制动强度大于0.21g时不能全部回收（即处于0.8和1之间的工作点，可回收80%以上的能量），见图3。因此，在没有紧急制动的情况下可以将可回收能量全部回收。

车辆在加速阶段消耗的能量在减速阶段可以进行回收（Eebrk=Eacc且Embrk=0），那么在整个过程中，车辆运行消耗的能量即为空气阻力、滚动阻力和内部机械损失等阻力消耗的能量。

E=E1+E2+E3=Eacc+Ef1+Ef2+Ef3-Eebrk+Embrk=Ef1+Ef2+Ef3=Ef（4）

3  车辆阻力计算

理论公式计算要想获得精确的空气阻力、滚动阻力和内部机械损失等阻力，需要较多的试验数据来支撑，如轮胎滚阻参数、风阻系数以及传动系统的拖滞力等，目前主机厂也难以获得完全的参数。因此，对整车进行阻力测试直接获得基于车速的三参数阻力数据在实际工程实践中更加常见。

基于三参数的车辆阻力的数学模型：

F=F0+F1*V+F2*V2（5）

其中：F为车辆阻力;

F0为阻力常数项;

F1为阻力一次项;

F2为阻力二次项。

4  车辆轮端能量需求计算

车辆在运动过程中实际消耗的能量即為克服车辆阻力消耗的能量，其计算数学模型为：

平均功率计算如公式：根据某款车型的阻力参数，经过计算可得不同工况下的阻力计算结果，见表1。

从循环工况和常用匀速工况（<100km/h）的平均功率来看，需求较低，完全不能使发动机运行在其高效区域。在总能量不变的情况下，通过减少发动机实际运行时间，可以提高发动机功率，使发动机工作点调整到高效区域。

5  结论

通过对新能源汽车综合能量需求的研究，得出了3个结论：①循环工况包含加速、匀速和减速3种情况。加速工况，车辆需要克服加速阻力和空气阻力、滚动阻和机械损失。匀速工况，车辆仅需克服空气阻力、滚动阻和机械损失造成的能量消耗。减速工况，造成车辆减速的除了空气阻力、滚动阻和机械损失造成的能量消耗，还有制动能量消耗。②由于新能源汽车普遍存在的制动能量回收系统，车辆在加速阶段消耗的能量在减速阶段可以进行回收，车辆加速阻力可以认为不消耗能量。在整个过程中，车辆运行消耗的能量即为空气阻力、滚动阻力和内部机械损失等阻力消耗的能量。③整车阻力计算通过基于车速的三参数阻力数据来进行，该计算方法在仅有车速时间历程的情况下即可计算车辆轮端的功率和能量需求情况。

参考文献：

[1]GB 18352.5-2013，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）[S].

[2]GB 18352.6-2016，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[3]朱波，陈超，徐益胜，等.纯电动汽车再生制动与ESC液压制动协调控制[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2020，43（11）：7-15.

[4]朱绍鹏，江旭东，王燕然，等.分布式四驱电动汽车并联制动控制研究[J].汽车工程，2020，42（11）：1506-1512.