NEDC工况电机系统平均效率优化方法_白志浩.pdf

NEDC 工况电机系统平均效率优化方法 北京汽车2023.No.2 11 北北 京京 汽汽 车车 文章编号：1002-4581（2023）02-0011-05 NEDC工况电机系统平均效率优化方法 白志浩，黄锐锋，陈晓阁，王洪佩 Bai Zhihao，Huang Ruifeng，Chen Xiaoge，Wang Hongpei（菏泽职业学院 交通工程系，山东 菏泽 274000）摘 要：基于 NEDC(New European Driving Cycle，新欧洲驾驶循环)工况将某款电机系统的实际工况点分为电动工况点和发电工况点，并采用 Python 数据处理工具分别计算电动工况点的消耗能量和发电工况点的发电能量，根据二者的能量分布，确定重点优化区间，将优化后数值带入模型进行仿真，结果表明，优化后电动平均效率提升 1%、发电平均效率提升 1.58%、续驶里程提升 1.3%，验证了电机系统平均效率优化方法的有效性。关键词：效率优化；Python；平均效率；能量分布 中图分类号：U462.3+1 文献标志码：A DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.003 0 引 言 随着我国新能源汽车产业政策的引导以及消费者环保意识的提升，新能源汽车市场蓬勃发展，消费者对纯电动汽车的续驶里程尤为关注，厂商也往往将 NEDC(New European Driving Cycle，新欧洲驾驶循环)工况下车辆续驶里程作为卖点。提升续驶里程有两种方法，一是增加电池存储能量，但这不仅增加了车辆安全隐患，而且使车辆成本升高，一定程度上降低了产品竞争力；二是在不增加电池存储能量的同时尽可能提升车辆能量使用效率1-3，降低整体能耗，这种方法虽不能大幅提升续驶里程，但在不增加车辆成本的前提下实现续驶里程小幅增加，从而提升了产品竞争力。本文针对一款纯电动汽车的动力系统，通过Python 计算优化其电机部分效率点，提升电机系统在 NEDC 工况的整体平均效率，提升车辆的续驶里程。1 电机平均效率优化 1.1 NEDC 工况 汽车能量经济性常用一定工况下汽车行驶一定距离的能量消耗量或者一定能量使汽车行驶的里程值进行衡量。运行工况可以选择等速行驶工况或者模拟汽车实际行驶的典型工况，其中等速行驶工况与汽车实际道路运行工况有很大出入，前者无法模拟城市道路行驶过程中的频繁加减速、怠速停车等工况。为了更好地模拟实际道路行驶工况，各国制定出一些典型循环行驶试验工况，据此进行能量经济性评价，我国采用NEDC 工况。NEDC 由 4 个模拟市区运转循环和1 个模拟市郊运转循环组成，市区工况的平均车速为 19 km/h，总时长为 780 s，行驶距离为 4.052 km，市郊工况的平均车速为 62.6 km/h，最高车速为 120 km/h，总时长为 400 s，行驶距离为 6.955 km。1.2 电机效率优化区间 1.2.1 NEDC 工况离散化 由于 NEDC 工况包括车辆加减速过程，所以电机效率优化分为电动效率优化和发电效率优化，在选择电机电动或者发电优化区间之前，首先需要明确哪些工况点属于加速或者匀速工况，哪些工况点属于减速工况，本文将加速和匀速工况点设置为电动工况点，将减速工况点设置为发电工况点。此分类需对 NEDC 工况进行离散处理4-5，基本原则是区间设置足够小，同一区间的系统状态基本保持不变。本文对NEDC 工况电机系统平均效率优化方法 北京汽车2023.No.2 12 北北 京京 汽汽 车车 NEDC 工况进行离散化，将工况总时长划分为 1 180 个区间，每个区间对应的时长为 1 s，共得到 1 180 个工况点，每个工况点以序号、车速、加速度 3 个参数来表示，见表 1。表 1 离散后的 NEDC 工况点 序号 车速/（kmh-1）加速度/（ms-2）1 0 0 2 0 0 3 0 0 1 180 0 0 其中，电动工况点共 995 个，见表 2。表 2 电动工况点 序号 车速/（kmh-1）加速度/（ms-2）1 0 0 2 0 0 3 0 0 995 0 0 车辆制动过程中执行整车能量回收策略，需对发电工况点进一步处理。整车能量回收策略规定当车速小于10 km/h 或者车辆减速度大于0.15 g时，车辆停止能量回收，据此剔除部分工况点后得到发电工况点 160 个，见表 3。表 3 发电工况点 序号 车速/（kmh-1）加速度/（ms-2）1 15 0.69 2 12 0.69 3 10 0.90 160 10 1.38 1.2.2 电机能耗分布计算 将 NEDC 工况离散后，根据每个工况点的车速、加速度和持续时间计算该点的电机输出能量6-7。电动工况点 n 电机输出和输入能量计算见式（1）（3）。P=(mgfcos+mgfsin+CdAu2/21.15+mdu/dt)u/3600 （1）En输出_电动=Ptn （2）En输入_电动=En输出_电动/n电动（3）式中：m 为车辆满载质量；f 为滚动阻力系数；为道路坡度；Cd为风阻系数；A 为车辆迎风面积；P 为电动工况下第 n 个工况点电机输出功率；g 为重力加速度；u 为车辆速度；为车辆的转动惯量系数；En输出_电动为电动工况下第 n 个工况点电机系统输出功；tn为电动工况下第 n 个工况点对应的时间区间的时长；En输入_电动为电动工况下第 n 个工况点电机系统输入功；n电动为电动工况下第 n 个工况点电机系统效率。发电工况点 n 电机输出和输入能量计算见式（4）（6）。P=(mgfcos+mgfsin+CdAu2/21.15+mdu/dt)u/3600（4）En输出_发电=PTn（5）En输入_发电=En输出_发电/n发电（6）式中：Tn为发电工况下第 n 个工况点对应的时间区间的时长；En输出_发电为发电工况下第 n 个工况点电机系统输出功；En输入_发电为发电工况下第 n 个工况点电机系统输入功；n发电为发电工况下第 n 个工况点电机系统效率。由式（7）、（8）得出 NEDC 工况电机电动总输出 E总输出_电动和总输入 E总输入_电动，由式（9）计算出电动平均效率电动_平均。E总输出_电动=E1输出_电动+E2输出_电动+E995输出_电动 （7）E总输入_电动=E1输入_电动+E2输入_电动+E995输入_电动 （8）电动_平均=E总输出_电动/E总输入_电动 （9）同理，由式（10）、（11）得出 NEDC 工况电机发电总输出 E总输出_发电和总输入 E总输入_发电，由式（12）计算出发电平均效率发电_平均。E总输出_发电=E1输出_发电+E2输出_发电+E160输出_发电（10）E总输入_发电=E1输入_发电+E2输入_发电+E160输入_发电 （11）发电_平均=E总输出_发电/E总输入_发电（12）n电动、n发电可通过插值法得到，本文采用Python 结合第三方库 NumPy 和 Pandas 编程，得到插值程序，插值方法为“最近取值法”，如图 1所示，并根据电机效率实测数据对电动和发电工况点插值计算，得到每个工况点的效率。NEDC 工况电机系统平均效率优化方法 北京汽车2023.No.2 13 北北 京京 汽汽 车车 图 1 基于 Python 的工况点效率插值程序 （a）电动工况的能量分布计算程序 （b）发电工况的能量分布计算程序 图 2 电动和发电工况的能量分布计算程序 将计算出的每个工况点的输入和输出能量按照转速和扭矩进行划分，得出整个 NEDC 工况电机系统特定转速和扭矩范围的输出能量分布。将电动工况转速划分为 0500 r/min，5001 000 r/min，9 50010 000 r/min，将扭矩划分为 010 Nm，1020 Nm，6070 Nm。将发电工况转速划分为 0500 r/min，5001 000 r/min，9 50010 000 r/min，将扭矩划分为100 Nm，2010 Nm，5040 Nm。上述工况点样本量较大，进行电机特定转速和扭矩范围的输出能量分布计算时，采用 Python结合第三方库 Openpyxl 编程，如图 2 所示。经过计算得出 NEDC 工况下电动能量和发电能量的分布，见表 4、表 5。表 4 电动工况点能量分布 转速/(rmin-1)扭矩 0 10 Nm 10 20 Nm 2030 Nm 3040 Nm 40 50 Nm 50 10 0 Nm 20 10 Nm 30 20 Nm 40 30 Nm 50 40 Nm 0500 0.0%0.0%0.0%0.0%1.0%5001 000 0.0%0.0%0.0%0.0%4.9%1 0001 500 0.0%0.0%0.0%5.6%2.7%1 5002 000 0.0%0.0%0.0%3.5%3.8%2 0002 500 0.0%0.0%0.0%4.3%4.9%2 5003 000 0.0%2.4%1.7%2.4%2.9%3 0003 500 0.0%0.0%5.6%0.0%0.0%3 5004 000 0.0%0.0%6.2%0.0%0.0%4 0004 500 0.0%0.0%3.9%0.0%1.4%4 5005 000 0.0%0.0%1.8%0.0%1.5%5 0005 500 0.0%0.0%2.9%0.0%0.0%5 5006 000 0.0%0.0%1.0%0.0%3.5%6 0006 500 0.0%0.0%0.0%0.0%3.8%6 5007 000 0.0%0.0%2.2%0.0%0.0%7 0007 500 0.0%0.0%3.4%0.0%0.0%7 5008 000 0.0%0.0%2.3%0.0%0.0%8 0008 500 0.0%0.0%3.4%0.0%0.0%8 5009 000 0.0%2.2%0.0%0.0%0.0%9 0009 500 0.0%2.2%0.0%0.0%0.0%9 50010 000 0.0%2.1%0.0%0.0%0.0%注：发电工况点能量分布=区间能量/E总输出_发电100%。2 电机平均效率提升验证 部分工况点提升效率之后，需对电机系统的电动和发电平均效率进行仿真，确认平均效率是否提升以及效率优化方法是否有效。表 6 优化前、后电机系统效率 参数 优化前 优化后 E总输出_电动/kWh 1.43 1.43 E总输入_电动/kWh 1.57 1.55 电动_平均 91.1%92.3%E总输出_发电/kWh 0.46 0.46 E总输入_发电/kWh 0.51 0.50 发电_平均 90.2%92%仿真计算时，首先将电机系统 NEDC 工况下电动和发电工况点离散化，其次采用插值程序和优化后的电机效率数值计算各工况点的新效率值电动、发电，然后由式（3）、（6）计算优化后电动和发电工况下电机输入能量和输出能量，最后根据式（9）、（12）计算 NEDC 工况下电机系统电动和发电平均效率。优化前、后电机系统电动和发电效率对比见表 6。根据电机的电动和发电能量以及附件消耗能量 E附件，计算出单一 NEDC 工况的总能耗 E单一NEDC（式 13），根据电池总能量 E总能量以及 SOC（State of Charge，荷电状态）使用范围（SOC初始SOC截止），通过式（14）计算得到车辆 NEDC 工况续驶里程S，具体参数见表 7。E单一NEDC=E总输入_电动E总输出_发电+E附件 （13）S=E总能量（SOC初始SOC截止）/E单一NEDC11（14）式中：单一 NEDC 工况的运行里程为 11 km。表 7 仿真参数 参数 参数值 电池包总能量E总能量/kWh 53 SOC使用范围/%5100 附件能耗E附件/kWh 0.3 通过计算得到优化前、后车辆续驶里程，见表 8。表 8 NEDC 工况续驶里程仿真对比 参数 优化前/km 优化后/km 变化率 参数值 393 399 1.5%注：变化率=（优化后优化前）/优化前100%。由表 8 可知，优化后续驶里程提高了 1.5%，说明所采用的电机系