加速装置

开电动重卡的你会不会有这样的疑问:“同型号的车,相同的作业工况,为什么我的充电次数比你多?为什么我的续驶里程比你短?”

一、车辆能耗是如何产生的?

纯电动重卡是以动力蓄电池作为能源装置,以驱动电机作为机械能源转换装置,驱动电机将化学能转换为机械能,从而克服滚动阻力、坡道阻力及空气阻力来驱动车辆前行,驱动电机持续做功就消耗了电能。

二、影响能耗的因素

影响车辆能耗的因素主要有四个:加速时间、车速、坡度和总质量。

1、加速时间

从科学原理角度看加速对能耗没有影响

速度与能耗之间的科学原理非常简单。车辆的加速所依靠的是车辆动能的提升。在加速过程中,电池中储存的电力会被转化成机械动能,然后传递给电机,从而实现车辆的加速。用公式来表示,就是E=MV。其中E代表动能,M代表质量,V代表速度。物体的质量是个衡量,不会改变。而速度会随着加速的提升而提升。因此,达到8英里/小时(约12.8公里/时)的速度所消耗的能量,是达到4英里/小时(约6.4公里/时)所消耗能量的4倍,而不是简单的翻倍。

然而在这个公式中,时间没有发挥任何作用。因此在一秒钟之内达到60英里/小时(约96.6公里/时)所消耗的能量,与在一分钟内达到这个速度所消耗的能量完全相等,只要你能找到一个动力足够大的电机,能在1秒钟内输出所需要的所有能量。简单来说就是驾驶时的急加速似乎不会造成任何里程损失,因为急加速不会消耗额外的能量。听起来是不是很美好,但现实呢?

从实际情况角度看加速会给系统带损失,进而影响能耗

首先,急加速会提高平均行驶速度,而较高的平均行驶速度会让车辆产生更高的风阻,从而提高电力消耗。

其次,路面与轮胎之间产生的滚动阻力也会随着速度的提升而提升。较高的扭矩会提升齿轮组之间的摩擦力,从而消耗更多电力。急加速会让电机暴露在较高的电流之中,在完成加速之前,线圈会长时间暴露在在高电流之下,让线圈温度提升,从而消耗更多的电力。

在讲最后一个因素之前,先说一下电机的加速原理:与传统燃油发动机不同,电机转速的高低,取决于电池放电电流的大小。电池放电电流越大,电机转速越高。而电池放电电流的大小,则取决于电池大倍率放电能力。

因此,一旦需要电动重卡需要在短时间内加速,也即电机需要在短时间内提高就需要电池的放电倍率增大。由于放电倍率大,电池需要在短时间内释放出大量电流,锂离子在电池内部的移动速度必然加快,这样,电池温度会急剧上升,并容易使电池包内部电芯产生不一致,或者使部分电芯出现过放,从而影响电池性能,甚至会缩短电池使用寿命

2、车速

空气阻力对能耗的影响

车辆的车速将直接影响驱动电机功率的输出,同时车辆的空气阻力与车速的二次方成正比,同样反向影响驱动电机的输出功率,因此车速就通过空气阻力和电机功率来影响能耗的。

我们都知道要想车辆启动并正常行驶,必须要满足条件F驱动力≥F阻力,电机所做功除提供车辆动能以外还需要克服阻力做功,即W电机输出=W阻力+EK=F阻力*S+mV。其中F阻力=F摩擦阻力+F空气阻力,地面摩擦阻力在车辆载重变,路面变化情况下基本为定数,为直观的展示空气阻力的影响,咱们先假定F摩擦阻力=0。

这样F阻力=F空气阻力=*CpsV,其中C、p、s分别代表风阻系数、空气密度、迎风面积,V代表车辆与风相对速度。对于同一台车,考虑同地区空气密度不变的情况下,C、p、s即可以假定为常数,那影响空气阻力即为车速,就从公式来看,车速V增加1倍,空气阻力F即增加4倍。关于空气阻力与车速关系我们可以通过下图来直观感受,从图表可见,随车速提升,空气阻力逐渐成为影响车辆行驶主要因素,能耗自然也就上升。

在第一节中也说了,要想实现电动重卡车速的提升就只有提电机转速这一条出路。而对于所有交流用电设备来说,只要涉及到电磁转换部件都离开以下三个功率,其中电动机就最典型例子。

S:实际功率——即加载在用电设备电压与电流乘积,也可认为输入功率。

P:有用功功率——即设备输出电能、热能、机械能等,可认为输出功率。

Q:无用功功率——即维持设备运转以及交变磁场所消耗功率。

满足S=P+Q。其中最为特殊就无用功功率,它参与对外做功,但需要维持整个系统也需要消耗功率。但它又必可少,电动机运行需要旋转磁场、变压器产生感应磁场感应电流都需要消耗无用功功率。

下图为从电机外特性曲线,从图中可以看出,当电机转速超过一定值以后,电机就以恒定功率输出,也就电机输出功率P为定值,而为维持当前转速,就必须以更频率来驱动旋转磁场,需要消耗掉更多无用功功率来维持整个系统,所以无用功功率Q必定增加。

所以在同等路况下,当车速高于一定值后,速度越高所消耗无用功功率就越大,所能行驶距离就越短。如果想要降低能耗,就需要把车速控制在一定的区间内。

3、坡度

判断汽车的爬坡能力,其实主要看汽车的扭矩。扭力越大爬坡能力越强,而电动重卡相比燃油车坡爬坡能力差,主要是受电机和电池的影响。由于纯电动汽车没有多挡变速箱,导致电机的最高转速和基速速比数值偏小,这样就很难同时达到像燃油车一样最高车速和最大爬坡度的要求。

此外,由于纯电动重卡受困于电池容量的限制,当车遭遇爬坡状态时,短时间内损耗电量极大,故而会影响能耗。电动重卡爬坡需要的电流比平时大如果以20°度坡计算的话,其耗电量是平时的5到8倍所以说续航公里的汽车如果一直爬坡的话最后的续航也就是在40公里到60公里左右。

电动重卡的驱动电机的最大转矩通常由最大爬坡度决定,车辆在爬坡过程中需要持续的转矩输出,它也与驱动电机的功率息息相关;车辆在行驶过程的路线若是固定,那么相应道路的坡度亦是固定值,无法人为改变,如果想要降低能耗,就得减速了。

4、总质量

车辆自身的整备质量加上牵引的挂车及货物重量,它直接决定了整个车辆的滚动阻力,影响驱动电机的功率输出。有研究表明,纯电动汽车整车重量降低10kg,续驶里程可增加2.5km。当车辆作业工况一定,那么总质量也将是一个固定值,无法人为改变,只能通过合理的轻量化才能确保汽车强度和安全性能的基础上,提高车辆动力性,减少电能消耗。

三、如何通过驾驶习惯优化电动重卡能耗?

从上所述,车辆总质量和道路坡度在作业工况一定时我们无法改变,但是车辆速度和加速时间我们还是可以调整的,殊不知车辆速度和加速时间所浪费的能耗高达90%。

1、平缓加速

与燃油车相比,纯电动重卡的驱动电机具有低速扭矩高的特性,起步特别迅速,加速特别线性,急加速急减速不仅直接影响驱动电机功率的输出,同样对动力电池的损耗也是巨大的,它将直接导致瞬间释放和回收电流过大,损害动力电池放电效率,严重影响电动机的使用寿命。因此,车辆在起步时应做到平缓加速,在平缓加速到一定的速度后,应该稍松油门,维持当前速度,以降低能耗。

2、车速合理

虽然驱动电机的效率远远高于发动机,但是和燃油车一样,纯电动重卡也有经济时速,车速过高或过低,驱动电机的效率都不能处在高效率区间,同样会增加车辆能耗,减少续驶里程,在道路和交通条件许可的情况下车速应尽量保持在40~60km/h,避免车速过高或过低。

结语

看到这里,你明白为什么同型号的车,相同的作业工况,明明充电次数多,续驶里程还短了嘛?



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