徐勇 王华秀
摘 要：随着世界能源紧缺和环境污染问题日益加剧，对汽车的节能环保要求也越来越高，发展新能源汽车已成为全球范围内解决能源和环境危机的重要途径之一。作为新能源汽车中的一种，电动汽车具有清洁无污染、能源转换效率高、结构简单、使用维护方便等优点，但电池造价高、续航能力有限已成为电动汽车发展的瓶颈，降低整车能耗、提高整车续航里程已成为电动汽车发展中必须研究的重要课题。
关键词：电动客车；能耗；降低方法
中图分类号：U473.4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0078-06
Abstract： With the problems of energy scarcity and environmental pollution， the developments of energy conservation and environmental protection in vehicle become important. In this way new energy vehicles have become vital in solving the problems mentioned above. As one type of new energy vehicles， the electric bus shows its advantages as cleanness， high energy conversion efficiency， simple structure and easy maintenance. However the high cost of battery and the limited endurance have become the fundamental problems of the electric bus. Reducing the energy consumption and improving the endurance limit have become the inevitable researches in the development of electric bus.
Key Words： Electric Bus； Energy Consumption； Reduction Method
为促进节能与新能源汽车产业的发展，国家连续出台了一系列支持和鼓励新能源汽车发展的政策和措施，如《国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见国办发[2014]35号》； 《四部门关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》（财建[2015]134号 ），中央财政安排资金，对公共服务领域节能与新能源汽车示范、私人购买新能源汽车试点给预补贴，鼓励消费者购买使用节能汽车；发挥政府采购的导向作用，逐步扩大公共机构采购节能新能源汽车的规模。在国家政策鼓励下，新能源汽车发展前景逐渐看好。
但由于电动汽车电池造价太高，使得整车实物成本远高于传统燃油车，而整车续航里程很难做到比传统燃油车更有优势，低使用成本难以填平高售价带来的成本差异，使得用户对电动车的选购望而却步。在保证整车性能和可靠性不变的情况下，探求降低整车能耗方法和措施，提高续驶里程，减少使用成本，是提高电动汽车用户接受度的重要途径之一。
本文以某轻型纯电动客车为例，分析研究整车能耗降低和控制方法。
某车型是在某柴油车的基础上，取消发动机，换装电机开发的纯电动车。本文中涉及的整车参数、整车目标、名词述语及数学符号，及相关的实车测试数据见下表1：
注：按GB18386试验方法，M2类车型试验中，续驶里程测量时，是当车速达不到36km/h时，停止试验。故实际试验中，虽然电池的许用放电深度DOD是85-85%，但放电达95%后，整车车速才降到36km/h以下。本案测试使用电量为整车总电量的95%，下同。
根据新能源补贴政策设定的补贴标准，确定了必达目标1和挑战目标2，见下表2：
经测试，该电动客车整车 V= 40km/h 等速能耗为0.396 Wh/km·kg，未达到整车目标 1（<0.35 Wh/km·kg），远超过的整车目标2（<0.25 Wh/ km·kg）。为此，需进行改进设计，降低整车能耗。
1 影响整车能耗的因素
整车匀速行驶的单位载质量能量消耗量（以下简称能耗量）Ekg可以用以下公式计算：
从以上公式可知，影响电动车40km/h车速整车能耗Ekg的主要因素如下：
1）整车整备质量和装载质量；
2）附件消耗功率：
3）电机效率；
4）传动系效率；
5）迎风面积和风阻系数；
6）滚动阻力系数。
对于该车型来说，迎风面积、风阻系数、传动效率受基础车车型结构、总成结构与功能、制造的限制，更改难度大，可以用来降低能耗、进行优化设计的主要有整车质量、附件功率和电机效率。
1.1 改进前整车参数
在电机MAP图上，可以查出整车车速为40km/h的电机转速下，电机的转换效率约为91%。根据测试数据，车速40 km/h的整车续驶里程为320km，使用电量为76 kWh，由此，可以计算出以下数据：
1.2 整车质量与能耗的关系
整车质量是影响整能耗的重要因素。整车质量由整车整备质量和整车装载质量构成，下面通过分析这两种质量对整车能耗的影响，为后面的能耗改善提供依据。为简化分析，可以通过以下假设来进行分析：
1）假设整车最大设计总质量不变，分析整备质量和装载质量对能耗的影响。
2）假设整车整备质量不变，分析最大设计总质量和装载质量对能耗的影响。
3）假设整车装载质量不变，分析最大设计总质量和整备质量对能耗的影响。
1.2.1 整车最大设计总质量不变
保持整车最大设计质量不变，整车的承载系统、制动系统、转向系统都不需要重新匹配和设计，只对整车车身结构和零部件进行轻量化优化设计。
从图上可以看出，装载质量越大，能耗越低；整备质量越大，能耗越高。在整车最大设计总质量不变、底盘不做重大变更的情况下（转向、制动、冷却等不做优化），整车能耗要低于0.35 Wh/km·kg的目标，整车整备质量需从目前的3300kg下降到3160kg。
1.2.2 整车整备质量不变
整车整备质量不变，即对现有车辆不作任何设计改进，只加大装载质量，分析装载质量与能耗的关系。
假设整车整备质量保持现状不变，即Go=3300kg，可以计算出能耗Ekg与装载质量M和整车最大设计总质量Ga的关系见下图：
从图上可以看出，装载质量越大，能耗越低。在整车整备质量不变的情况下，加大装载质量从600kg加大到690kg，整车GVW加大到4680kg，整车能耗就能下降到0.35Wh/km·kg以下。但加大整车GVW后，整车承载系统、转向、制动系统等都需重新校核，如果超出了许用范围，就需重新匹配和设计开发，同时，承载系统等进行加强设计后，会相应地增加零部件质量，使整车整备质量上升。故尽量不通过加大整车GVW来减少能耗。
1.2.3 整车装载质量不变
在不改变整车装载质量M的情况下，整车整备质量与能耗的关系见下图：
从图上可以看出，在装载质量不变的情况下，整备质量越小，整车最大设计总质量越小，整车能耗越低。整备质量需降690kg，降到2610kg以下，才能满足整车能耗小于0.35 Wh/ km·kg的目标。对本车型来说，整备质量降690kg，基本不太可能，也就是说，在装载质量不变的情况下，单纯通过降整车整备质量，很难达成能耗预期目标。
1.3 附件功率对整车能耗的影响
整车附件功率是指整车正常行驶中，除了提供整车驱动的功率外，冷却风扇、电子转向泵、电子真空泵等消耗的功率。在该车型的能耗测试中，采用的是40km/h车速等速法，理论状态是不需要制动、转向等工作的，但在实际试验中，受试验路况和起动、停车等因素影响，也需要进行必要的转向、制动等操作，因此，也有附件功率消耗，且根据路况和驾驶员的驾驶习惯不同，附件功率大小会略有不同。通过计算，整车附件功率与能耗的关系见图4：
2 整车能耗改进方案
通过前面的分析知，降低整车整备质量，加大整车装载质量、降低整车附件功率，提高电机转换效率，都能有效的降低整车能耗。
1）降低整车整备质量
在不减少整车功能配置和零部件，不改变整车性能的前提下，通过零部件结构优化设计，整车整备质量可以减少约80kg；如果在此基础上，再将整车电量减少20度电（减小整车续驶里程），则整车整备质量减少约260kg，见下表4：
2）降低整车附件功率
在该车型能耗测试试验中，使用的是三档40km/h匀速行驶，在试验中，尽量少用刹车和转向，避免急转弯。通过前面的测试，附件消耗功率约为1.32kW，估算该车型整车主要附件及消耗的功率见下表5：
该车型使用的电动转向泵电机为工业用高压电机，噪声大，重量大，能耗大，改进为额定电压12V的直流无刷电机，取消DC/AC，改进前后参数对比见下表6：
电动转向泵优化后，在保持功能和可靠性不变的情况下，重量减轻了5.7kg，功率下降0.3kW。
电机冷却风扇采用的是传统柴油发动车配用的双冷却风扇，功率有较大富余。经过重匹配选用较小功率的风扇，功率可由原来的0.23kW降为0.15kW。通过以上改善，整车附件功率由原来的1.32kW降为1.0kW。
3）整车匹配优化和提升电机转换效率
通过优化变速箱速比和电机参数，将整车的常用车速匹配在电机的高效区率，就能有效降低整车能耗。由于整车匹配不是本文讨论的主题，故变速箱速比匹配在此不作论述，本文仅就电机特性优化和能耗试验中档位的选用进行研究。
通过下面的计算公式，可计算出试验工况电机转速ne、功率Pe及扭矩Me：
计算出试验工况的电机扭矩和转速后，在电机MAP图上，就可查出此工况下电机的转换效率。
该车型采用四档变速箱，可以计算出，该车型整车40km/h均速行驶时，四个档位对应的使用功率、电机扭矩、电机转速等见下表7：
从表中可以看出，车速为40km/h时，用四档行驶，电机效率更高，耗能较小。为此，在能耗测试试验中，建议选用四档进行测试，可以获得更大的续驶里程。同理，可以推出不同车速时，选用何种档位行驶更节能。
另外，对电机特性进行调整和改进设计，提高常用车速对应电机转速区域的电机转换效率。改进前后的电机MAP图分别见图5和图6：
通过改进，电机在40km/h匀速工况下的转换效率约提升了1%，达到约92%以上。
4）增大整车装载质量
在整车整备质量一定的情况下，增加装载质量，也就是增大整车GVW。按改进后的整车整备质量、整车附件功率和电机效率，计算不同GVW下的整车能耗，分析增大GVW的可能性。
增大整车GVW后，通过对整车承载、制动、转向系统系统的校核和匹配，需加大悬架系统的承载能力，悬架系统增加重量约2kg。
3 改进后的整车目标达成情况分析
通过前面的分析，根据改进情况提出四种改进设计方案，通过理论计算，四种方案的整车能耗及续驶里程（使用电量按放电深度95%计算）见表9：
改进后的整车能达成整车能耗和续驶里程目标。经过整车整体方案论证后，最终采用方案1和方案4进行实施。
4 实车试验结果
按方案1和方案4开发出的整车实车测试结果见下表10：
实车测试结果证实，对该车型的能耗降低改进方案是有效的，两种电量整车的能耗和续驶里程匀达到整车目标。
5 结束语
电动车是顺应国家产业政策发展需要，为节省能源、减少环境污染而开发的新能源汽车。受整车开发成本限制，加上产量小，大部分的纯电动车还是在基础燃油车的基础上，换装动力总成单元开发的，为了提高与基础车的零部件通用性，大部分的底盘、车身零部件是直接从基础车上借用过来的，这对降低纯电动车的整车能耗加深了难度。本文通过分析影响整车能耗的主要因素，制订合理的改进方案，用最小的改进成本获得最大的改进效果，使整车能耗达到了预期的目标。
参考文献：
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