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研讨会

活动通报(一):新能源汽车中国工况研究项目研讨会报告

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9月2日,中国电动汽车百人会和中国汽车技术研究中心联合主办的第六期“电动汽车热点问题系列研讨会”在清华大学召开。本次研讨会的主题是“中国汽车检测工况进展和电动汽车协同发展”。70余位相关领域的学术专家、政府官员、技术人员、企业代表围绕国内外汽车能耗及排放检测工况的建立、更替及相关标准、法规的演进趋势;新能源汽车检测与能耗评价存在的问题及影响;中国新工况导入路径与新能源汽车产业协同发展等主题进行了深入的探讨和交流。

长期以来,我国汽车业的车辆检测,一直套用欧洲的NEDC工况法。在我国没有汽车工况基础的时候,采用NEDC在一定程度上促进了汽车节能技术和排放技术的进步。但欧洲工况是根据欧洲的“洲情”得出,与我国的实际情况有较大差距。目前,我国已成为世界第一汽车大国并大力发展新能源汽车,NEDC工况和我国实际工况差距越来越大。更大的问题出现在新能源汽车领域,NEDC工况无法准确评估新能源汽车的节能效果,不适于评价制动能量回收、怠速启停等新技术,因此,我国开始着手建立属于自己的中国工况,这次研讨会就是为中国工况项目的推进召开的。


中国汽车技术研究中心副主任吴志新主持了此次会议:

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2015年1月,工信部正式下达新能源汽车中国工况研究项目。2015年3月,由中国汽车技术研究中心牵头召开项目启动大会。在两年的时间里,全国41个城市被选作数据采集的典型城市,搜集了大量的数据,正在构建中国汽车工况。该项目是目前世界范围内测试车辆最多、涉及城市最多、搜集数据最多的工况项目。目前仍在进行工况的验证,计划年底结束。工况数据的深度挖掘总项目投资超过一亿元,动用了几十个团队。采用了很多办法在各地区采集数据,也和当地进行一些合作,这在汽车行业是前所未有的。工况公布之后将会变为标准,但工况肯定还会有变化,项目也将持续下去。这一项目到年底结束,明年会努力将成果推向应用,未来还将持续跟踪。希望更多单位参加到项目当中,共同开发,共享成果。

工况是汽车行业最基础的标准,将影响到汽车油耗、排放以及汽车企业的公告。我国需要一个新的工况去完成一系列工作,这个工况如果作为标准来实施就是一把尺子,用于中国地区产生的所有车辆。工况不仅包括乘用车,还涉及到重型商用车以及特殊的工况。

工况的建立和新能源汽车密切相关,比如工况对能耗、电耗的测试,除了工况之外还会有测试规程,这些规程是否应当考虑温度变化以及空调对能耗的影响?此外,未来实行“双积分”政策,工况的变化会对实测油耗产生影响,新工况的导入是否会对排放测试的限值和油耗目标产生影响等问题,需要进一步探讨。

 工况和测试规程的变化会带来一系列的连锁反应,未来企业、公众和国际社会如何去适应这种变化,希望可以实现平顺的过度。


中国汽车技术研究中心高级工程师徐月云首先进行引导发言,详细介绍了中国新能源汽车产品检测工况研究和开发项目进展:

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一. 两大研究目标:

“中国新能源汽车产品检测工况研究和开发”项目,有两大研究目标:一是开发能耗法规检测工况(CATC),拟开发能够反映基本特征的轻型乘用车和轻型商用车、中重型汽车(含城市客车、客车、载货车、半挂牵引车和自卸车等)的工况;此外还将研究发动机和电池电机的工况;二是修订基于新工况汽车能耗测试标准(草案),对现有的能耗测试方法进行修订。

二. 五个研究部分:

一是数据采集。在全国选择约40个城市,不少于4000辆车,一年四季,全时段,全车型,至少五大类(GPS、环境、发动机、电池电机和排放)参数进行采集;二是工况开发,开发轻型车、重型商用车行驶工况和重型商用车相对应的发动机工况;三是工况验证,当前的工况与下一阶段的能耗测试紧密结合来进行工况验证,评估新工况下对车辆能耗的影响;四是标准制定,中国工况项目已申请国家标准并且已经和能耗测试方法进行结合,提出能耗测试方法的一些意见;五是决策支持,将为政府管理和政策评估提供依据。

三. 主要进展:

1. 工况构建

在技术路线上,项目组提出了包含数据采集规划、数据采集、数据管理、工况构建和工况验证五部分的中国工况开发和项目实施方法论。

在城市选择方面,项目组选择了41个城市,考虑了地理特征、环境特征、城市等级等因素。这些城市的人口及车辆数量占到全国的40%以上。

从数据采集的总量情况来看,截止2017年8月1日,采集里程共3200万公里,每天约10万公里;轻型车约1800万公里,重型车约1000万公里,新能源车330万公里。截至2017年8月1日,采集车辆规模达4600余辆,已经实现了一年的数据稳定采集,涵盖约600个不同车型,其中,轻型车3312辆,重型车964辆。

除了正常的汽车实际运行数据采集之外,项目组还获得了40个城市30万条道路GIS交通低频动态大数据,总容量300GB。记录的动态数据是每5 min更新一次的道路交通数据。   

在数据采集之后,项目组对数据进行了一系列分析。以平均车速这一主要交通特征为例,与第三方大数据结果(百度、滴滴、高德)进行对比。无论是在各城市的平均车速比较,还是在全国综合平均车速比较,中国工况与它们都较为接近,反映了CATC符合中国实际。

利用采集的数据以及低频交通大数据,构建了轻型乘用车工况和轻型商用车工况。

在重型车方面,项目组根据运行范围和用途的区别,将重型车分为城市客车、普通客车、载货车、自卸车和半挂牵引车五大类。为每一类构建单独的工况曲线。其中半挂牵引车、载货车和自卸车运行特征接近,三者共同使用同一条曲线。

2. 燃油车工况验证

工况验证的一个主要指标就是油耗。项目组对采集的3000多辆车的油耗进行了分类,包括自然吸气和增压的车辆。发现工况曲线对车辆能耗的影响有以下几个方面:中国工况油耗比公告油耗高了8%至25%之间,而WLTC油耗与公告油耗接近,有高有低,中国工况油耗更接近社会油耗;不同工况下,增压车型的差异大于自然吸气车型;车辆质量越大,差异越大。

在不同工况对排放的影响上,国五车辆更换为中国工况下,大部分车辆仍然能够满足国五排放限值;超出限值的部分车辆多为小排量,且大多为国3/4车辆;在机内和机外净化技术作用下,基本都可以达到限值标准(但小排量车难度较大)。

3.纯电动汽车里程焦虑普遍存在 

在续驶里程方面,53%的电动车一次充电出行里程低于80 km,90%低于120 km,98%低于150 km,20%低于 40km,10%低于20km,这表明在充电机会允许的情况下,实际使用中用户有意愿尽早充满电。SOC方面来看,80%的用户在SOC 20%—60%的时候去充电,60%的用户会把电充到SOC至100%。虽然PHEV里程不受限,但超长距离行驶的比例较低。在实际使用中,只要有条件,用户还是非常喜欢去充电的,有80%的一次出行里程低于40公里。还有很多的出行里程低于10公里。


中国电动汽车百人会副秘书长王贺武进行了题为《行驶工况与出行特征在我国新能源汽车节能评价中的作用》的引导发言,介绍了北京与上海私家车行驶工况与出行特征、不同行驶工况对车辆能耗的影响以及出行特征对新能源汽车节能的影响:

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从2012年开始,清华大学就开始对新能源汽车潜在的节能效果进行评价方法的研究,搭建了基于GPS的车辆出行特征调查平台,形成系统规范的数据库,完成了北京和上海两个超级城市私家车的研究。

一. 北京与上海私家车行驶工况与出行特征

1. 北京研究进展

从2012年5月到2013年3月,在北京市内共采集了116车,1415天,3467次出行的有效数据。其中节假日(国庆、元旦、春节)199天,占14.1%;双休日398天,占28.1%。出行里程分布见下图:

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从日里程分布来看,绝大多数分布在100km以内,最集中分布在15 -18km区间,80% 的出行里程在54km以内。数据显示,私家车单日出行里程平均值在35km。在对北京不同区域的出行数据进行分析后发现,通州、大兴等远郊区,车辆出行里程比较长,在主城区里出行里程短。

2. 上海研究进展

数据来源于上海电动汽车数据中心,时间跨度从 2014 年4月到 2014年12 月,数据量达到了4168 车天,总计 8154 次出行,总里程达到了 13 .9 万公里。单日出行里程在15公里以内总计占到总日均出行里程的44%。日均出行里程33km。可以看出,北京和上海的日均出行里程非常相似。

二. 不同行驶工况对车辆能耗的影响

北京的工况特征是,三环内高峰时段出行代表中心城区较拥堵工况,五环外非高峰时段出行代表近郊城区较通畅工况。从中心城区往外拥堵情况逐渐改善;五环外行驶工况明显通畅一些。

通过分析发现,最拥堵的情况下,即城区内高峰期的时候,传统车油耗接近15L/百公里,而NEDC的工况大概9L,差值较大。纯电动的电耗则变化不是非常明显。PHEV的电耗变化没有油耗变化剧烈。

三. 出行特征对新能源汽车节能的影响

上海的数据对PHEV的运行结果表明,依照国家检测方法为1.6L平均油耗的插电混合动力轿车,上海实际运行的情况表明,小于2L百公里油耗的只占了10%,2L—3L的占了20%,有35%的车辆运行平均油耗是在4L—5L,还有25%的车辆平均油耗是在5L—7L的,平均百公里油耗为6.1L。这主要涉及到不同出行里程下,平均油耗的计算方法和出行里程有极大的关系。


精进电动科技股份有限公司创始人兼CEO蔡蔚进行了题为《新能源汽车电机系统的工况能耗》的引导发言:

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一.电驱动总成和循环工况

很多人认为不同工况下的能耗主要取决于电池,实际上不同工况下的能耗和怎样减少能耗主要取决于电驱动总成,电池仅是影响能耗的一部分。电驱动系统由动力总成和传动总成组成。电池、齿轮箱、电机、电力电子是新能源汽车的核心,这四项集成装在底盘上就是电动车、和发动机装在一起搭载的就是混合动力汽车、和燃料电池发动机结合搭载的就是燃料电池汽车。如果先除去电池,剩下减/变速器、电机本体、功率电子控制器、车载充电器、附机电驱系统、总成控制器等,和能耗有关的主要就是这些零部件,即电驱动总成的主要部件。

我长期以来一致认为,纯电动汽车中的感应电机没有永磁电机具有优势,这也是特斯拉为何经过十余年努力决定将感应电机改为永磁电机的原因。感应电机低效的主要原因是存在转子电阻损耗和定子额外电阻损耗,而永磁电机则没有。尽管通常要求电机、发动机有很高的转矩特性使汽车有很好的动力性等,但是循环工况实际运行的都是在低速下和低转矩负载下的情况。

二.乘用车电驱动工况电耗仿真与测

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上图是某款电动车驱动电机在NEDC工况运行情况,左上方是电机的性能图,右下方是电机在NEDC工况下综合运行的状况。通过分析来说明大概电机在哪个区间如何运行、效率是多少。可以看出,在NEDC工况下,电机并没有运行在其最高效率区域,但是如果电机高效区的面积增大,扩展到NEDC工况运行区域,那么对降低NEDC工况下能耗是有利的。因此,设计和评价电机的优劣,取决于我国的汽车循环工况。根据工况需求去设计产品会更节能,然而大家都希望汽车的动力性好,因此汽车大部分动力总成设计都是过度设计。车辆动力性需要很大的功率和转矩,如果用NEDC循环工况来评测车辆,实际运行工况是只需要峰值的20-30%甚至10%以下的转矩/功率来运行车辆。然而质量重、百公里加速快的汽车都能量消耗高,这是节能汽车面临的挑战。

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上图是实车按照NEDC工况跑下来的测试结果。我们对该车NEDC下的全部运行点做了统计,该图上半部分统计的是电驱动状态,图中这些数字是该运行点占整个工况运行的百分比,如果把全部数字在NEDC工况下运行的占比加起来是百分之百,电机的所有发电状态也是这样,把它们加起来也是百分之百。 

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上图是一台300-350牛顿米左右电机的搭载试验,可以看出17%、15%、14%的运行点对应的速度基本上从每分钟2000转到低于4500转的范围内,而且相应转速区间所需转矩也非常低。在NEDC工况下所做感应电机和永磁电机的比较,图表都是测试结果,不是仿真结果。在NEDC工况下,我们选取被测电机的这几个特殊工况点,主要原因是通过统计发现这几个工况点运行的比较多。从测试结果可以看到,两者效率大概差3%左右,个别点甚至差6%,大部分的工况是差2.5—6%之间,也就是说感应电机的效率较低。

三.典型插电混合动力客车工况能耗

当前,我国新政策要求的单位质量和单位里程能耗不高于0.24Wh/km·kg,要求续航里程200km(等速法),整个电池重量不高于车重的20%,这些新规显示我国补贴政策变得更加明智了。在典型的插电混合动力客车的新支持政策下,想要获得高补贴就要实现有最高的节油率和最低的电池安装量,这和市场需求是一致的。表明我国的政策正逐步引导企业跟随市场的需求。

关于中国典型城市交通工况分析,我们以典型的12米插电混合动力公交客车为例,对滚阻、车重、制动能量回收、风阻都进行了敏感性的研究,对该大巴车的重量、制动能量回收、风阻等对能耗影响进行了一一分析。据此仿真已经做到了油耗15.27-17升/100公里,目前取得的成果已经考虑了车重下降的贡献。所以,我认为国家在补贴电池的时候,让电池别占车重的比例太大是非常重要的一个部分,是一个很好的节能减排发展方向。考虑到测试一致性允许6%的误差,基本可以做到接近60%的节能,也就是可以拿到国家的最高补贴。除了12米车PHEV外,我们也对10米车的CCBC工况做了分析,结论是10米车油耗14.12升/100公里。同样,8米车电驱动系统可以做到油耗小于10.4升/100公里。

四.纯电动客车工况电耗与对策

纯电动客车追求最低的整车成本、最优的EKG、更少的电池安装量、更长的续航里程和最优的动力性能。目前市场需求与政策指向趋于一致。精进电动的电驱动系统包括直驱电机、电机带有两个电磁离合器的两档变速箱,用两档变速箱来解决现在纯电动大巴车的一些起动转矩和最高车速之间的矛盾问题。在城市公交应用中,由于要求车速不高于70公里/小时,很多的直驱电机可以满足车辆要求,尽管驱动电机大了一些。但是一旦进入郊区和城际应用,直驱电机有时很难同时满足爬大坡和提升最高车速的组合要求。

下图是10米纯电动公交客车性能参数,电驱动系统由电机加上一个两挡变速器组成。无论是从加速性能还是爬坡性能都很优越,和直驱相比回馈能量比较接近, 但是没有直驱那么好,这是通过比较得出的一个结论。通过优化运行控制,可以把功率损耗从7千瓦降到了4.8千瓦。

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性能优异的电机系统节电效果明显。搭载精进电动的直驱电机与搭载某竞争对手电机的直驱电机的同一款电动大巴,在某一线城市的同一公交线路上经过7天实际运营测评,显示我们的电机系统每天消耗电池SOC少2-3%。好的电机系统不仅节电而且可延长续航里程。

总而言之,实际车辆循环工况和优秀的电机和电驱动总成都非常重要,应该根据工况设计电驱动系统硬件,并根据工况调校算法、编写系统软件。

五.电驱动系统发展方向预测 

电机和纯电驱动系统发展方向之一是减小纹波、减少损耗、减少振动和噪音,做好EMC;第二是加大制动能量回收、提高能量回馈效率,这是一个非常重要的节能措施;第三是从控制上要增加电机的性能,同时要用算法和软件减小振动和噪音以及EMI,也就是从软件上解决系统问题。大部分电机系统供应商现今只做到了增加电机的性能,并没有做到降低噪音等负面影响;对于功率电子系统,现代硅基功率半导体向第三代宽紧带功率半导体发展;电机的直接油冷也是一个发展方向;电机制造向智能化、数字化方向发展。

我们要从“借补贴占市场”向未来“全球竞争抢市场”过渡,我认为这是中国必须要做到的。否则,无论推进双积分也好、还是鼓励自主创新也好,如果自身不强的话,结果还是会重蹈传统车的旧辙:汽车技术因缺乏核心零部件创新而落后于世界,受制于他国。汽车的核心零部件强,中国的汽车产业则强。新能源汽车和核心零部件评测需要中国汽车的循环工况。

(未完待续)



(来源:中国电动汽车百人会 )

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