纯电动客车电机效率对整车能耗的影响

  • 焉知
  • 2021-01-25 16:40:28
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本文重点从电机的效率特性方面,分析电机的效率对整车能耗的影响,为最终驱动电机选型提供依据。

作者 | 上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心/沈海燕

来源 | 电动学堂

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整车能耗是纯电动客车非常重要的经济性指标,影响整车的续驶里程。从整车质量、经济成本等因素考虑,动力电池的电量并不是越大越好。降低整车能耗,是提高续驶里程和经济性的有效手段。驱动电机的选型应满足整车动力性和经济性需求。

影响整车能耗的因素有很多,如车辆零部件结构、零部件性能、道路条件、环境状况、驾驶员操纵特性以及整车控制策略等。本文重点从电机的效率特性方面,分析电机的效率对整车能耗的影响,为最终驱动电机选型提供依据。

1、整车参数及性能要求

本项目车辆为12m的城市公交客车,主要应用环境为上海城区道路。车辆由电机直接驱动行驶,无变速器,驱动电能来源于车载动力电池。根据车辆的使用环境和公交客车相关技术要求,整车技术参数及整车动力性、经济性技术要求如表1所示。

2、驱动电机选型

驱动电机是纯电动客车行驶的动力源。电机的额定功率、峰值功率、峰值扭矩、最高转速和效率等参数应满足整车最高车速、爬坡度和能耗等


2.1 电机参数匹配计算

车辆在行驶过程中需要驱动电机系统输出的功率为


车辆在行驶过程中需要驱动电机系统输出的扭矩为


车辆在行驶过程中需要驱动电机系统输出的转速为

式(1)-式(3)中各参数含义及单位如表2所示。


电机的额定功率和额定扭矩必须满足车辆在良好的道路上以最高限制车速行驶及以一定速度持续爬坡的需求。电机的峰值功率和峰值扭矩应满足车辆最大爬坡度的需求。电机的最高转速应满足车辆最高车速的需求。

MATLAB软件是集算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算于一体的高级计算语言和交互式环境。电机参数的匹配计算利用MATLAB软件的可视化GUI人机交互界面,可以进行数据读取、数据计算和图形生成等操作。

根据整车技术参数及驱动电机需求的功率、扭矩和转速计算公式,在MATLAB软件中编写相应的程序,并通过GUI界面进行交互,对驱动电机需求进行匹配计算。GUI设计界面及电机参数的匹配计算如图1所示。


根据整车的性能需求计算结果,为满足车辆动力性需求,电机的额定功率应大于等于99kW,

电机的额定扭矩应大于等于1370N·m,电机的峰值扭矩应大于等于2605N·m,电机的最高转速应大于等于2403r/min。

2.2 电机选型

通过上述计算,初步认为符合整车动力性需求的电机有如下两款,其参数如表3所示。


2.3 电机系统效率及整车能耗计算

根据GB/T18386-2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》规定,公交客车车辆试验质量为最大设计装载质量的65%,可使用等速法和工况法计算整车的能量消耗。

2.3.1 电机系统效率图

根据两款电机系统电动状态和馈电状态下的效率数据,利用MATLAB软件绘制电机系统的效率图如图2和图3所示。


2.3.2 匀速行驶下电机系统效率及整车能耗计算

计算整车在65%加载匀速行驶工况下所需的电机系统转速扭矩值,根据电机系统的效率数据,通过插值命令可以计算出对应转速扭矩下的效率值。65%加载匀速行驶工况下电机A和电机B系统效率点如图4所示。


整车在65%加载匀速行驶状态下每公里能耗数据如图5所示。


整车65%加载匀速行驶工况下两款电机效率及整车能耗对比如表4所示。


在车速为0-40km/h、对应转速为0-1372r/min的区域,电机A的效率明显高于电机B的效率,配电机A的整车能耗要优于配电机B的整车能耗。在车速为40-70km/h、对应转速为1372-2402r/min的区域,电机A的效率比电机B的效率低,配电机A的整车能耗要高于配电机B的整车能耗。

2.3.3 典型工况下整车能耗计算

利用中国典型城市公交循环数据绘制中国典型城市公交循环车辆驾驶速度图样,如图6所示。运行时间为1314s,怠速时间为381s,实际行驶过程中的时间为933s,行驶过程中速度分布及比例如表5和图7所示。


计算车辆65%加载在中国典型城市公交工况下对应车速所需求的扭矩,利用MATLAB软件绘制典型城市公交循环运行在电机效率图上的分布图,如图8和图9所示;计算车辆65%加载按典型城市公交工况运行的整车能耗数据,如表6所示。百公里下配电机B的整车能耗要比配电机A的整车能耗高2.3kW·h。


2.4 电机选型最终方案

根据上述计算分析,当车速在40km/h以下时,配电机A的整车能耗优于配电机B的整车能耗,从中国典型城市公交循环工况看,配电机A的整车能耗要优于配电机B的整车能耗。典型公交工况数据统计结果显示,典型工况下车速在10-35km/h区域范围内占比为68.8%左右,车速大于35km/h的运行区域占比仅为14.3%左右,电机高效区为车速10-35km/h区域,有利于整车实际运营能耗的降低。因此,仅从电机效率对整车能耗影响角度,在不考虑其他因素的情况下,整车配置可以优先选用电机A,有利于续驶里程的提升。

3、结语

以上仅从电机的效率特性方面,分析了2款电机的效率在匀速行驶和典型工况下对整车能耗的影响,整车能耗还有其他较多的影响因素,如实际运行的道路状况、速度状况、环境状况、驾驶习惯和控制策略等。电机本身的采购成本差别也对经济性有较大的影响,电机的选型最终需要综合考虑多方面的因素,对比选取较优的方案,有利于客户在使用期限内获得较好的经济性收益。