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纯电动轻型载货车能量流测试优化研究

article 2025/2/25 13:06:42

摘要：本文旨在实现能量流向比例的可视化，对电能数据进行定量分析。基于能量流的测试、量化分析、策略优化是新能源商用车正向开发的必要条件，本文旨在通过对车辆上的电压、电流、温度、can报文信息、GPS数据等维度信息进行指向性采集、实时数据运算、积分处理，动态数据拟合、聚类分析等方法，实现能量流占比可视化、电能数据量化分析、核心系统匹配验证、与竞品对标分析等结果。达到应用于进行相关零部件选型、性能匹配；进行新能源纯电动轻型载货车整车能量流量化摸底、不同流向占比分析、相关策略优化验证，达到整车核心性能参数提升的目的。通过本文实践，在提升纯电动轻型载货车能耗优势，提升产品在不同运行需求的适用性，保持产品市场竞争力具有重大意义，通过整车性能参数识别、测试方法研究、数据信号处理，最终得到了一套基于实车在道路上进行的，适用于纯电动轻型载货车的能量流测试优化方法。

关键词：电动汽车；轻型载货；能量流；车辆研发测试；

Study on Optimization of Energy Flow Testing for EV Light Duty Trucks

Abstract: This paper aims to visualize the proportion of energy flow and make a quantitative analysis of electric energy data. Test, quantitative analysis and strategy optimization based on energy flow are necessary conditions for the forward development of new energy commercial vehicles. This paper aims to realize the visualization of energy flow proportion and quantitative analysis of electric energy data by means of targeted collection, real-time data operation, integral processing, dynamic data fitting, cluster analysis and other methods for voltage, current, temperature, can message information, GPS data and other dimensional information on the vehicle, so as to achieve the results of energy flow proportion visualization, electric energy data quantitative analysis, core system matching verification, benchmarking analysis with competitors and so on. It is applied to the selection of related parts, performance matching; Carry out the quantification of the whole vehicle energy flow of new energy pure electric light trucks, analyze the proportion of different flow directions, verify the optimization of relevant strategies, so as to improve the core performance parameters of the whole vehicle.Through the practice of this paper, it is of great significance to improve the energy consumption advantage of pure electric light trucks, improve the applicability of products in different operation requirements, and maintain the market competitiveness of products. Through the research of vehicle performance parameter identification, test method and data signal processing, a set of energy flow test and optimization methods suitable for pure electric light trucks based on real vehicles on the road is finally obtained.

Keywords：Electric Vehicle；Light Duty Trucks；Energy Flow；Vehicle Development Test

引言

汽车的电动化为全球汽车行业的主流发展趋势，此外，电动汽车、锂电池、光伏产品“新三样”出口增长近30%。新能源汽车研发测试技术在不断的迭代更新，基于整车能量流管理维度进行性能优化是目前新能源产品的核心技术方向之一，整车能耗量化分析可服务于整车匹配设计、零部件级选型，整车设计指标与市场需求的有效对接匹配。

何嘉俊等[1]以某款纯电动汽车为测试对象，开展了常温、高温、低温下的标准全球轻型车辆测试循环（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，WLTC）工况的能量流测试，并且通过建立能量流分析模型定量分析了不同环境温度下的车辆能量传递特性。杨文华等[2]测试对比不同车型在常温、高温、低温环境中国乘用车工况（China Light-duty Vehicle Test Cycle Passenger Car，CLTC-P）下的能耗表现，再根据理论与实际的偏差值，实现对整车电驱系统的能耗水平预测；邹驹等[3]通过电驱水泵流量控制电驱油温，进行低温CLTC-P工况电耗测试。验证表明电驱余热自加热油温总电耗更优。葛胜迅等[4]在整车上开展用电负载功率和当量电阻的测试方法。于凤珠等[5]通过能量流测试和阻力分解测试得到能量流流向差异，得到了能量流向差异，搭建常温和低温经济性仿真模型，校核显示模型精度。

综上，大多数研究集中于基于转鼓、环境仓等试验设备进行常温、高温、低温等温度下的中国重型商用车瞬态工况（China World Transient Vehicle Cycle，C-WTVC）、中国城市和高速公路循环测试（China City and Highway Cycle，CHTC）等标准路谱对续驶里程的影响。商用车车型较多、载重、实际运行情况多变。以上方法与实际用户需求有偏差，无法满足多样需求，导致试验结果与用户需求有出入，只做定性分析，没有具体实际意义。同时不利于特定运行环境需求的竞品对标工作开展。

本文创新性提出，在指定道路或用户工况的能量流测试、整车策略标定方法，测试结果更切近实际需求、实际道路情况及实际环境，标定的策略也更切合实际需求。同时无需转毂、环境仓等一整套设备，实现低成本设备投入，达到满足需求的效果。

对此，本文主要基于某款电动轻型载货车进行能量流测试优化研究，并验证其科学合理性，为新能源商用车型整车开发提供依据。

1 整车及核心动力链模型

1. 整车模型

以某4.5T纯电动车型为测试优化实物，其定位为绿牌轻卡车型，搭载单排驾驶室、4.15m货厢，货箱容积：16-20㎡。采用的是控制器局域网（Controller Area Network，can）通讯技术。

1. 整车构型及测量参数

整车所有的能量来源为动力电池，经由集成控制器实现高压交流电（Alternating Current，AC）、直流电（Direct Current，DC）的转换分配以及经由高压转24VDC-DC转换为整车的24V低压电，其中：

核心动力链：采用磷酸铁锂动力电池+电机控制器+电驱桥，其中驱动电机采用高速电机，车桥采用一体式桥壳；

整车热管理：集成式方案，其中耗能零部件包含高电压平台空调压缩机、高电压平台正温度系数热敏电阻（Positive Temperature Coefficient Thermistor，PTC）、2个24V电压平台散热风扇、2个24V直流离心水泵等实现驾驶室座舱、动力电池、驱动电机及其控制器的加热制冷需求；

24V平台电能由集成控制器中的DC-DC模块来实现降压处理，实现转向器、灯光、风机、雨刮等24V电压及整车控制器（Vehicle Control Unit，VCU）、继电器等需求；

制动系统能量来源为高压的空气源压缩机；

设计参数如表1所示：

表1 测量基本参数

零部件/系统	功能描述	测量参数值
动力电池	整车高压DC能量源	420~615VDC -370A~450A DC
集成控制器	主驱电机DC-AC模块	±410VDC ±320A AC
	PTC高压DC模块	420~613.2VDC 0~8A DC
	空调压缩机高压DC模块	420~613.2VDC 0~5A DC
	空气源压缩机DC-AC模块	3kW
	高压转24VDC-DC	0~32VDC 0~200A DC
散热风扇1	给散热器提供空气交换	18~32VDC 0~28A DC
散热风扇2	给散热器提供空气交换	18~32VDC 0~28A DC
直流离心水泵1	给电机冷却循环系统提供流量	18-32VDC 0~8A DC 0-25L/min
直流离心水泵2	给电池冷却循环系统提供流量	18~32VDC 0~4A DC 0-25L/min
PCan	动力can通讯网络信息交互	CAN 2.0B
ECan	整车can通讯网络信息交互	CAN 2.0B
热管理系统	座舱、电机及控制器、电池系统热管理及控制策略	8路温度

2 测试方案搭建及测试原理

2.1 试验设备

能量流数据采集系统（具备can网络通讯接口、温度采集模块、电力输入模块、虚拟全球定位系统（Virtual Global Positioning System，VGPS）模块、热电偶测量模块、流量测量模块、功率分析模块、电源盒等）、电流传感器、测试道路。其中主机外观如图1所示：

图1 能量流数据采集系统

2.2 测试目的

2.2.1 能量流研究方向

整车能量流损失、传递/转换路径；量化评价关键系统/部件能效；系统/部件协同状态，控制策略解析优化；

2.2.2 能量流测试主要目的

纯电动车型开发过程中核心的课题之一是通过优化能耗增加续航。或达到同样续航的前提下减少电池的搭载量。最终目标实现更低能耗、更长续航、更轻的重量、更低的成本。基于以上需求，能量流测试主要目的如下：

基于不同实际路况电动轻型载货车能量转换、能量流向占比、能量利用和能量回收的过程优化提升；

不同零部件实际电力参数、特性与技术文件要求核对；

基于不同实际路况电动轻型载货车动力性、经济性、热管理等相关策略标定；

结合整车can报文信息筛选出的动力电池单体信息，电机扭矩转速落点分布、制动踏板、油门踏板等使用情况及基于全球定位系统（Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，GPS）的路谱数据进行整车零部件匹配评估，控制策略优化验证。

2.2.3 创新性

1.基于实车实际运行环境，在指定道路或用户工况的能量流测试方法，测试结果更切近实际需求。无需转毂、环境仓等一整套设备，实现低成本设备投入，达到更切合实际需求的效果；

2.基于采集设备所采集的温度、VGPS、流量、电流、电压、整车can报文信息等数据可进行整车动力性、经济性、热管理等相关策略标定，标定结果更符合实际需求。

2.3 测试原理

采用控制变量法或指定确定运行要求进行定向优化。其中能量流可分解为电能量流、机械能量流及热能量流。其中通过直接测量法采集环境温度、冷却液的温度流量和压力等数据得到在环境温度和冷却液中的热能量流。通过can采集模块采集处理得到扭矩、转速等服务于机械能量流。

本文主要针对整车能量流测试过程中电参数测量、结合GPS、can、压力、流量、温度测量参数进行数据分析处理进行论述，电参数测量可归纳为直流、交流两类。其中电压均采用直接测量法，电流采用互感器测量法。

在包含逆变器及电机的系统中通过测量逆变器前端输入电压电流、电机前端的UVW三项电压电流，来确定直流输入功率、逆变器输出的交流功率、电机逆变器效率、损耗及能量流占比等。

其中以驱动电机为例：

因车辆运行过程中电流电压瞬态变化比较大，且有感性元器件、容性元器件、高频开关电源、车辆的动态颠簸、环境温湿度变化、产品一致性等影响会产生电流电压的相位差、谐波、三相不均衡等情况。所以的测量电流电压值及功率等的准确计算变得异常困难且至关重要。核心关注点主要如下：

1.设置合适的同步源可以稳定、高精度测量效率及损耗。我们采用的是逆变器的输出电流设置为相关通道的同步源，同时开通抗混叠滤波器对带宽限制的模拟信号进行A/D转换，用数字信号处理检测零交叉。经验证可稳定的实现测量需求；

2.输入功率作为效率评判的分母，其准确性至关重要，其误差的引入可导致效率评判误差成倍增长，需在测量前对功率分析仪及电流传感器的输入进行调零。可以消除测量仪的直流偏移，测得正确的直流；

3.逆变器输出包含了开关频率和谐波成分。电机的绕线存在电感成分，所以高频的电流难以流过电机，电流相较电压会有相位角偏差并且会因频率而动态变化，通常需正确测量开关频率10倍带宽的电压、电流、相位差。这款车型所用逆变器最大交流电频率不超过50KHz，按照奈奎斯特采样定理选用功率分析仪，采集曲线如图2所示；

图2 逆变器输出波形

4.电机高速运转时，绕组的电感影响占比会加大，开关频率及其谐波的功率为低功率因数，选择电流传感器时需具备校准补偿功能来实现电流测量误差减少。同时考虑测量开关频率及其谐波功率所需的带宽。结合磁通门、电流互感器（Current Transformer，CT）方式的各自优缺点进行电流传感器选择。可实现从DC到高频率，宽频带的稳定测量；

注：涉及到电机机械功率的计算，因涉及到扭矩的准确测量，因该项目动力总成采用的是平行轴式电驱桥，因其采用整体式桥壳，测量难度较大，我们是在电机及控制器测试台架上加载采集的路谱来实现，其效率测量原理为：

2.4 设备安装

电动轻型载货车能量流测试过程中设备安装主要内容为电流、电压的采集安装点，如图3所示，共计需要10个电压采集点，其中高压直流电压可以复用，只采集1个点，24V蓄电池后端24V电压可以复用，只采集1个点；共计需要17个电流采集点，其中直流11个点，交流6个采集点。

图3 设备安装采集点布置

3 测试结果分析

3.1 整车能量流测试结果分析

图4 能量流测试结果可视化展示

图5 能量流占比可视化展示

测试结果中能量流测试界面如图4所示，能量流占比如图五可视化展示结果。

测量值精度：直接测量法获得的数据有电压、流量、温度误差较小，高于《GB/T 18386-2022 电动汽车能量消耗量和续驶里程试验方法》中要求精度10倍以上，电流采用互感器测量，采用本文的方案，数据精度在0.5%，转速、扭矩为报文读取，转速精度±≤1%，扭矩精度在≤±3%。

经校核得到基于不同路况及环境温度下电动轻型载货车能量流分布；

实现对动力电池、驱动电机及控制器、散热风扇、直流离心水泵实际测试电力参数、特性与技术文件要求对比，并发现差异；

结合整车can报文及GPS路谱数据可实现量化分析制动踏板、油门踏板等用户使用习惯及道路坡度情况对能耗的影响；可实现电机扭矩转速落点分布、核心零部件温度变化；以上可有效支持整车零部件匹配评估，控制策略优化验证；

同时对充电能量流、行驶能量流、热管理系统测试过程中数据分析，可得出动力电池的充放电效率，热管理系统能耗及因热管理控制策略变化对动力电池充电时间、充放电效率的量化影响分析。

4 结论

通过验证该方案可实现量化分析整车能量消耗分布，核对各耗能零部件与技术参数对比，为整车降能耗提供第一手数据支持；其次可实现为整车控制策略优化提供全程车辆运行数据；再次可实现最低成本与竞品进行指定工况背靠背对标分析。过程中测量数据精度满足设计端要求。

因本文的局限性，在实际工程应用中，还需要兼顾执行力、时间成本等因素，进行综合评价。

因新能源轻型载货车及相关产业技术研究发展比较晚，同时又是一个高速增长的细分领域。其能量流分析研究是一个变量较多、较为复杂且关键的环节。涉及到整车运行需求、整车匹配、实车运行环境，最后通过能量流测试结果进行优化匹配及逻辑优化，各个环节互为验证，逐步优化。通过验证，该套研究结果满足实际设计使用需求。实际使用过程中可进行适应性调整及试验方案的迭代优化，为产品正向开发提供支撑。

参考文献