纯电动汽车低压电气系统效率研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.04.015

摘要/Abstract

摘要：

为降低纯电动汽车的能耗和延长其续航里程，系统地研究了纯电动汽车低压电气系统效率低下的原因和能量管理策略的改进措施。首先，采用前向仿真方法构建适应长时间快速运行的低压电气系统效率模型，其中，DC/DC变换器效率模型由1阶惯性环节和效率插值函数组成，系统控制模型包括了浮充控制和规则控制两种策略。然后，搭建了系统试验台架，进行部件和系统的性能测试，以提取模型参数。最后，通过仿真和试验研究了负载功率、变换器效率、环境温度、蓄电池类型和控制策略对系统效率的影响。结果表明：系统效率会随着平均功率的减小、变换器效率的降低和蓄电池内阻的增高而下降，怠速时间的缩短、控制策略的改进和蓄电池类型更换都能提升系统效率，且规则控制的锂离子电池低压电气系统在轻载条件下能使系统效率提升10%。

关键词: 纯电动汽车, 低压电气系统, 锂离子电池, 能量管理, 规则控制

Abstract:

In order to reduce the energy consumption and extend the driving range of battery electric vehicles， the cause of the poor efficiency of low-voltage electric system is systematically investigated for improving its energy management strategy. Firstly， the efficiency model of the low-voltage system， adapted to longtime fast operation is built by using forward simulation method，in which， the efficiency model of DC/DC converter consists of a first-order inertia loop and an efficiency-interpolation function， while the system control model covers two strategies for floating control and rule control. Then， test bench is constructed to measure the performances of the components and system with model parameters extracted. Finally， both simulation and test are conducted to study the influences of load power， converter efficiency， ambient temperature， battery types， and control strategies on system efficiency. The results show that the system efficiency will fall with the reduction of mean power， the reduction of converter efficiency and the increase of battery inner resistance， and will rise with the shortening of idle period， the improvement of control strategies and the change of battery types， and in light load condition， using rule control can enhance the efficiency of low-voltage electric system by 10%.

Key words: battery electric vehicle, low-voltage electric system, lithium-ion battery, energy management, rule control

程夕明,胡薇,翟钧,罗荣华,张盼,徐野. 纯电动汽车低压电气系统效率研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(4): 601-608.

Ximing Cheng,Wei Hu,Jun Zhai,Ronghua Luo,Pan Zhang,Ye Xu. Study on the Efficiency of Low-voltage Electric System in Battery Electric Vehicles[J]. Automotive Engineering, 2022, 44(4): 601-608.

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参考文献 15

1	LI Kaibao， BOUSCAYROL Alain， HAN Shouliang， et al. Comparisons of electric vehicles using modular cascade machines system and classical single drive electric machine［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2018， 67（1）： 354-361.
2	GRUNDIZ Emma， THIRINGER Torbjörn， SAADAT Nima. Acceleration， drive cycle efﬁciency， and cost tradeoffs for scaled electric vehicle drive system［J］. IEEE Transactions on Industry Applications， 2020， 56（3）： 3020-3033.
3	盛继新，张邦基，朱波，等.两挡纯电动汽车传动系统参数优化和试验对比［J］.中国机械工程，2019， 30（7）： 763-770.
	SHENG Jixin， ZHANG Bangji， ZHU Bo， et al. Parameter optimization and experimental comparison of two-speed pure electric vehicle transmission systems［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（7）： 763-770.
4	邱立琦，王良模，邹小俊，等.基于能耗和成本的纯电动汽车传动系统参数匹配［J］.江苏大学学报（自然科学版），2019， 40（1）：16-21.
	QIU Liqi， WANG Liangmo，ZOU Xiaojun，et al. Dynamic powertrain design for electric vehicle based on consumption and cost［J］. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2019， 40（1）： 16-21.
5	胡杰，刘迪，杜常清，等.电动汽车复合能源系统能量管理策略研究［J］.机械科学与技术，https：//doi.org/10.13433/j.cnki.1003-8728.20190303.
	HU Jie，LIU Di，DU Changqing，et al. Study on energy management strategy of hybrid energy storage system for electric vehicles［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， https：//doi.org/10.13433/j.cnki.1003-8728.20190303.
6	ECKERT Javorskijony， SILVA Ludmila， DENINI Franco， et al. Electric vehicle powertrain and fuzzy control multi-objective optimization， considering dual hybrid energy storage systems［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（4）： 3773-3782.
7	LAJUNEN Antti， YANG Yinye， EMADI Ali. Review of cabin thermal management for electriﬁed passenger vehicles［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（6）： 6025-6040.
8	BAEK Donkyu， CHANG Naehyuck. Runtime power management of battery electric vehicles for extended range with consideration of driving time［J］. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration （VLSI） Systems， 2019， 27（3）： 549-559.
9	ZHANG Shuwei， LUO Yugong， WANG Junmin， et al. Predictive energy management strategy for fully electric vehicles based on preceding vehicle movement［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2017， 18（11）： 3049-3060.
10	董冰，田彦涛，周长久. 基于模糊逻辑的纯电动汽车能量管理优化控制［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2015， 45（2）：516-525.
	DONG Bing， TIAN Yantao， ZHOU Changjiu. Fuzzy logic-based optimal control method for energy management of pure electric vehicles［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2015， 45（2）： 516-525.
11	SCHAUT Stefan， SAWODNY Oliver. Thermal management for the cabin of a battery electric vehicle considering passengers’ comfort［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2020， 28（4）： 1476-1492.
12	DENG Weiwen， ZHAO Yang， WU Jian. Energy efﬁciency improvement via bus voltage control of inverter for electric vehicles［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2017， 66（2）： 1063-1073.
13	陆训，刘敏，汪跃中，等.纯电动汽车能量管理仿真分析研究［J］.汽车电器，2019（8）： 19-25.
	LU Xun， LIU Min， WANG Yuezhong， et al. Simulation analysis of battery electric vehicle energy management［J］. Auto Electric Parts， 2019（8）： 19-25.
14	崔华芳.电动车经济性影响因素分析及能量管理测试研究［J］.汽车零部件， 2019（8）： 56-61.
	CUI Huafang. Analysis on the influence factors of electric vehicle economy and energy management test research［J］. Automobile Parts， 2019（8）： 56-61.
15	俞会根，向晋，盛军，等. 12V低压锂离子蓄电池在电动汽车中的应用研究［J］.汽车电器， 2014（12）：25-28.
	YU Huigen， XIANG Jin， SHENG Jun， et al. Research on application of 12V lithium-ion battery in EVs［J］. Auto Electric Parts， 2014（12）： 25-28.

变换器	b₂	b₁	b₀	c₁	c₀
H	2.965×10^-3	0.903 9	2.451	2.18×10^-4	0.888 7
M	3.965×10^-3	0.872 9	2.201	1.63×10^-4	0.876 2
L	5.965×10^-3	0.821 9	1.951	1.08×10^-4	0.863 7

容量	铅酸蓄电池		锂离子电池
温度/℃	放电/（A·h）	充电/（A·h）	放电/（A·h）	充电/（A·h）
0	33.30	40.11	36.40	37.40
25	44.00	52.00	39.50	39.70

工况	气候	负载功率
A1	日常	基准负载功率
A2	夜晚/雾天	基准负载功率+300 W
A3	夏季雨夜	基准负载功率+600 W
A4	路况较差	基准负载功率×1.5
A5	红绿灯较多	基准怠速时间+30 s

[1]	张鹏博, 陈仁祥, 邵毅明, 孙世政, 闫凯波. 纯电动汽车电驱动系统故障诊断研究进展[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 61-74.
[2]	陈飞,孔祥栋,孙跃东,韩雪冰,卢兰光,郑岳久,欧阳明高. 锂离子电池制造工艺仿真技术进展[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1516-1529.
[3]	胡明辉,朱广曜,刘长贺,唐国峰. 考虑迟滞特性的卡尔曼滤波和门控循环单元神经网络的锂离子电池SOC联合估计[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1688-1701.
[4]	梁海强,何洪文,代康伟,庞博,王鹏. 融合经验老化模型和机理模型的电动汽车锂离子电池寿命预测方法研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(5): 825-835.
[5]	廉玉波,凌和平,马晴婵,任强,贺斌. 电动汽车锂离子电池脉冲加热技术研究进展[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 169-174.
[6]	吕又付,罗卫明,陈荐,吴锡鸿,李传常. 分层优化测定锂离子电池比热容参数的实验研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 183-190.
[7]	张健豪,高兴奇,张莉. 基于容量增量曲线与充电容量差的电池组微短路诊断方法[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 191-198.
[8]	李贵敬,谷青锴,杨昊鑫,黄健齐,邸立明. PA/EG耦合风冷电池热管理系统轻量研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 209-218.
[9]	刘晋霞,梁志豪,王强,温明星. TTR汽车等效燃油消耗最小的能量管理策略研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 285-292.
[10]	朱成,刘頔,滕欣余,张国华,于丹,刘沙,胡苧丹. 新能源汽车综合经济性对比分析及预测研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 333-340.
[11]	李学良,赵志福,杨树军,彭增雄. 双电机耦合驱动系统构型分层设计方法[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1897-1907.
[12]	齐春阳,宋传学,宋世欣,靳立强,王达,肖峰. 基于逆强化学习的混合动力汽车能量管理策略研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1954-1964.
[13]	解少博,屈鹏程,李嘉诚,王惠庆,郎昆. 跟驰场景中网联混合电动货车速度规划和能量管理协同控制的研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1136-1143.
[14]	王萍,弓清瑞,程泽,张吉昂. 基于AUKF的锂离子电池SOC估计方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(7): 1080-1088.
[15]	魏小栋,刘波,冷江昊,周星宇,孙超,孙逢春. 基于凸优化的燃料电池汽车节能驾驶研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(6): 851-858.