1. 前言
随着我国经济持续高速发展,人民生活水平日益提高,机动车保有量逐年上升,石油需求量巨大,导致能源消耗量激增,时刻威胁着国家的能源安全,同时造成持续的环境污染。据统计,2017年全国机动车排放污染物为4359.7万吨 [1]。机动车污染已成为中国空气污染的重要来源,是造成细颗粒物、光化学烟雾污染的重要原因,机动车污染防治的紧迫性日益凸显。纯电动汽车因“零排放、无污染、低能耗”而被认为是解决能源危机和交通排放污染的有效方法,政府也出台各种政策加大电动汽车推广力度 [2]。据公安部公布的数据,截至2018年6月底,新能源汽车保有量达199万辆,其中纯电动汽车162万辆,占新能源汽车总量的81.4%。然而,在电动汽车高速发展的同时,仍然存在着续航不足、充电时间长等诸多问题。
为了研究道路条件对能耗的影响,相关学者做了大量研究。李礼夫等人研究了电动汽车续驶里程与行驶工况的关系,分析了速度和加速度对能耗的影响 [3]。解难等人研究了环境温度对电动汽车续驶里程的影响,找到了电池容量、整备质量和环境温度等因素对续驶里程的影响规律 [4]。武仲斌等人研究了空调能耗对电动汽车性能的影响,对空调系统主演参数优化匹配方法进行了研究并在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证 [5]。
为了研究实际道路中影响电动汽车能耗的因素。本文采用了六款电动车型在四条不同路线进行了为期一年的实际道路试验,分析了季节、路况、空调、驾驶习惯等对能耗的影响。
2. 试验方案
2.1. 车辆的选择
选择了市场销量及消费者关注较高的六款纯电动车型,基本覆盖了常见车型和品牌,具有一定的代表意义,车辆的基本参数如表1所示。同时挑选了两名驾驶经验丰富的司机作为试验驾驶员。
2.2. 路线选择
为了排除不同路况的干扰,更深入的研究纯电动汽车的整车性能以及影响因素,根据天津市交通状况制定了四条固定路线,包括市区拥堵、市区通畅、郊区通畅和郊区高速。每种路况的路跑试验均要求覆盖四季,其中在夏季和冬季进行空调开关对比路跑试验。四条固定路线说明如下:
1) 固定路线1 (后文简称R1,如图1):拥堵路线。
往返距离:57 km;平均车速:18.21 km/h。
路线特点:市中心、车多、人多、灯多、学校医院多。此条要求必须在上下班高峰期开展路试。
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Table 1. Vehicle basic parameter list
表1. 车辆基本参数表
2) 固定路线2 (后文简称R2,如图2):市区路线。
往返距离:49 km;平均车速:30.63 km/h。
路线特点:城郊结合,在非上下班高峰期间比较畅通。
3) 固定路线3 (后文简称R3,如图3):郊区路线。
往返距离:46 km;平均车速:36.22 km/h。
路线特点:路线处于郊区,比较顺畅。
4) 固定路线4 (后文简称R4,如图4):郊区路线。
往返距离:52 km;平均车速:73.61 km/h。
路线特点:高速公路,车辆处于高速工况,最高车速在100 km/h~120 km/h之间。
2.3. 数据采集和记录
为了及时的收集有效数据,试验中为每辆车配备平板电脑。并装有为记录路跑试验数据开发的APP,驾驶员在每次路跑之前都需要记录相关数据,并上传到云端储存。由于每辆车都配备了GPS,因此在数据网站可以实时查询车辆位置和速度等相关信息。在路跑结束后,立刻到充电桩充电,充电结束后记录充入电量,从而形成车、桩、网全方位的数据采集存储系统。整体采集系统如图5所示,采集的主要数据参见表2。
2.4. 试验过程
路跑试验开始时,驾驶员在启动车辆之后,马上用随车平板电脑记录相关数据,然后选择路线,随后进行路跑试验,在试验结束后,再次用平板电脑记录相关数据,然后用充电桩充电,充电结束后用平板电脑记录充入电量,至此试验结束。试验流程如图6所示。
3. 试验结果
3.1. 路跑试验实施情况
固定路线6辆车目前共行驶了703车次,固定路线R1、R2、R3及R4的路跑试验实施情况参见表3。
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Table 3. Statistics on the implementation of fixed route test
表3. 固定路线试验实施情况统计
固定路线试驾人员目前覆盖春、夏、秋和冬四季。春秋两季不开空调,夏季、冬季空调ON/OFF交替行驶。对于自动控制式空调,设定为“自动模式”,空气循环开关设置为内循环,温度定为25℃;对于手动控制式空调,空气循环开关设置为内循环,将温度和风量调节开关置于中档。
3.2. 固定路线路跑试验能耗
这六辆车均参与了固定路线R1、R2、R3、R4的春季、夏季、秋季和冬季试验,其中夏季、冬季试验中空调开/关交替行驶。
为了排除空调对能耗的影响,整理得到了不同季节下各车型在关空调情况下的平均能耗,如图8所示。
图7是春季、夏季、秋季和冬季在不开空调情况下四条路线的平均能耗。从图7中可以看出各车型冬季能耗最高,夏季能耗最低,六个车型冬季能耗比夏季能耗平均增长了39.5%,其中车型五夏季与冬季能耗相差最大为62.4%,车型一夏季与冬季能耗相差最小为27.4%。六个车型春季能耗与秋季能耗最大相差4.9%,由此可知电动汽车的春季能耗与秋季能相差不大。夏季能耗最低是因为夏季平均温度较高,电池包等效率高。春季与秋季能耗相差不大是因为秋季与春季的平均温度相差不大,由于气温比夏季低,电池包效率有所下降,所以能耗相对较大 [6] [7]。冬季能耗最高是因为冬季气温最低,电池工作条件最差,因此冬季时能耗最大。
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Figure 7. Energy consumption of each model in different seasons
图7. 固定路线不同季节下各车型的能耗
3.3. 不同状态下的路况适应性
3.3.1. 季节对能耗的影响
综合整理六个车型在夏季、冬季开空调状态时的平均能耗,如图8所示。从图中可以看出,六个车型冬季的平均能耗比同一路况下的夏季平均能耗高,在R3路况下冬季能耗增长率最大,增长了34.5%;在R2路况下冬季能耗增长率最小,增长了20.10%。从中可以看出在夏季电动汽车对R3路况适应性较好 [8],在冬季电动汽车对R2路况适应性较好。这是因为在夏季电池等部件等工作效率较高,而且在R3路况下,电动机工作在高效率区,因此夏季车辆在R3路况能耗最低。
综合整理六个车型在夏季、冬季关空调状态下的平均能耗,如图9所示。从图中可以看出,关空调时冬季能耗比夏季高,在R1路况下能耗增长最大,增长了41.3%。在R4路况下能耗增长最小,增长了24.6%,这是因为无论夏季还是冬季在R4路况下能耗都比较高,能耗增长相对较小,这也说明温度对电动汽车能耗的影响大于路况对能耗的影响。
3.3.2. 空调对能耗的影响
综合整理六个车型在夏季开/关空调时的平均能耗对比,如图10所示。从图中可以看出,夏季时开空调能耗高于关空调能耗,在R4路况下开空调能耗增长最小,增长了13.94%,这是因为无论是否开空调在R4路况下,电动汽车的能耗是最大的;在R1路况下开空调能耗增长最大,增长了30.05%,这是因为在R1路况下,电动汽车速度较慢,同样距离内空调工作时间较长增加了能耗 [9] [10]。
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Figure 8. Average energy consumption of six cars when air conditioning is turned on in summer and winter
图8. 夏季、冬季开空调时六车平均能耗
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Figure 9. Average energy consumption of six cars in summer and winter when air conditioning is turned off
图9. 夏季、冬季关空调时六车平均能耗
综合整理六个车型在冬季开关空调平均能耗对比,如图11所示,从图中可以看出R2路况下,开空调时平均能耗增加最小,增加了9.91%,这是因为在冬季无论是否开空调,R2路况下能耗最低;在R4路况下开空调能耗增加最大,增加了14.3%,这是因为冬季在R4路况下,不管是否开空调能耗都是最大的,开空调后电池工作条件进一步恶化。
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Figure 10. Average energy consumption of six switches in the summer switch air conditioner
图10. 夏季开关空调六车平均能耗
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Figure 11. Average energy consumption of six vehicles in winter switching air conditioner
图11. 冬季开关空调六车平均能耗
3.4. 路况适应性分析
综合六辆车的路跑试验,得出了四条路线中六个车型不同季节平均能耗对比,如图12所示。为了排除空调对能耗的影响,数据中不包括开空调时的能耗。
从图12中可以看出,无论在哪个季节R3路况下各车型能耗最低,R4路况下各车型能耗最高。从四季平均数据来看,电动汽车在中速区间30~50 km/h (R2及R3的正常行驶速度)的连续行驶路况下能耗最低;对低速区间20 km/h以下(R1的正常行驶速度)的行驶路况下能耗稍大;对于高速70 km/h以上(R4的正常行驶速度)的连续行驶路况下能耗最大。
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Figure 12. Comparison of road conditions adaptability in different seasons
图12. 不同季节路况适应性对比
3.5. 驾驶习惯对能耗的影响
选取了车型四在冬季的数据,对比了两个驾驶员在不同路况的能耗,如图13所示。从图中可以看出,在R1、R3路况时,无论是否开空调驾驶员1的能耗低于驾驶员2的能耗;在R2路况时,无论是否开空调,驾驶员1的能耗高于驾驶员2的能耗;在R4路况时,开空调时驾驶员1的能耗低于驾驶员2的能耗,关空调时,驾驶员1的能耗高于驾驶员2的能耗。这就表明个人的驾驶习惯会影响电动汽车的能耗。
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Figure 13. Relationship between driver and energy consumption
图13. 驾驶员与能耗的关系
实际交通状况也会影响驾驶员的驾驶行为 [11],由此即使在同一路线或者相似路线上也会出现一定程度的能耗差异。在电动汽车的驱动过程中保持稳定的、平顺的驾驶习惯将是优质能效的驾驶行为。
4. 结论
本文开展了路跑实证试验。固定路线分别选择了拥堵、市区、郊区和高速路线,并针对空调开、关进行对比试验。最终得出了路况、空调、季节和驾驶习惯对能耗的影响规律。其结论如下:
1) 电动汽车在夏季时能耗最低。
2) 在郊区通畅的路况下,四季平均能耗最低。
3) 在关空调状态下,冬季能耗比夏季能耗高25%~45%;在开空调状态下,冬季能耗比夏季能耗高20%~35%。
4) 夏季开空调能耗比关空调高14%~30%,冬季开空调能耗比关空调能耗高10%~14%。
5) 个人驾驶习惯也会影响电动汽车能耗。