NEDC工况电机系统平均效率优化方法_白志浩.pdf
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1、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
2、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
3、 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
4、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 6.9
5、55 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
6、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
7、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;C
8、d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
9、 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
10、_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
11、 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,201
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