梁 涛 ，孟祥军 ，张华栋 ，李建祥 ，付崇光

（1.山东电力研究院，山东 济南 250002；2.山东鲁能智能技术有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

能源和环保问题使近年电动汽车研究深入而广泛开展，在电动汽车产业化、商业化的进程中，纯电动汽车能耗经济性问题被日趋重视，急需确立一套纯电动汽车能耗经济性的评价体系[1]。在电动汽车能耗评价体系中，车载终端作为研究电动汽车能耗经济性的主要载体，起着数据采集，分析单车能耗经济性评价参数等功能。

以临沂市电动汽车智能充换电服务网络运营管理系统为研究平台，介绍了车载终端的定制功能业务以及电动汽车智能充换电服务网络能耗经济性评价体系，综合分析了国内外文献中提到的车辆动能能耗经济性评价参数，开发了相应的车载终端功能模块进行电动汽车智能充换电服务网络能耗经济性评价。

1 车载终端

车载终端是安装在电动汽车上完成运营管理系统对车辆控制功能的装置。其主要功能是采集车辆GPS信息和电池运行数据，通过GPRS无线通讯网络将数据送至运营管理系统，运营管理系统存储接收到的GPS信息和电池数据，可实时展示和历史查询车辆运行轨迹及电池数据，为车辆运营及电池运行状况分析提供第一手的数据资料。

车载终端主要由GPS模块、GPRS模块、视频采集模块、存储模块、电源模块、显示模块、主控板和监控板组成。车载终端组成框图如图1所示。

2 电动汽车智能充换电服务网络能耗经济性评价体系

经济、高效是电动汽车智能充换电服务网络能耗经济性评价体系研究的内在驱动力。目前存在两个评价视角，一个以电能在电动汽车智能充换电服务网络生产消费过程中的流动为主线，一个以动力电池组的全生命周期为主线。

图1 车载终端功能框架

2.1 智能充换电服务网络过程评价体系

按照电这种特殊商品在配电、充电、用电、充换电辅助设施各个环节的流动和消费作为主线，如图2所示。

图2 电的流动环节

配电环节主要是配电变压器的能耗经济性评价。综合计算配电变压器的初始投资，以及在使用期内因空载损耗和负载损耗产生的损耗费用。通过合理配置变压器，优化选择运行方式，协调下游充电环节负载实施经济调整，最大限度的降低变压器的电能损耗。

充电环节主要是充电机的能耗经济性评价。通过提高充电机的转换效率，以及对充电计划合理调度，降低整个环节的电能损耗。通过对动力电池组的荷电能力优化控制，保持动力电池组充放电性能最优。

动力电池组作为电动汽车的唯一能量来源，用电环节能耗经济性评价可以分为动力电池组的电能能耗经济性评价和车辆的动能能耗经济性评价两部分。动力电池组通过增加直流电能表，完成输出电能直流计量，车载终端采集并上送运营管理系统。所以该环节的研究重点放在车辆的动能能耗经济性评价上。

2.2 动力电池组全生命周期评价体系

动力电池组全生命周期包括电池采购、编组、入站、充电、放电、配送、换电、维护、梯次利用、报废等环节，如图3所示。

建立动力电池组能耗经济性评价体系，在充放电各环节进行实时数据采集监控、性能分析，提高电池的整体性能和延长使用寿命，降低运营成本。

图3 动力电池组全生命周期

3 用电环节能耗经济性评价指标

用电环节能耗经济性评价以车辆的动能能耗经济性评价为核心，常用的指标是以一定的车速或循环行驶工况为基础，以车辆行驶一定里程的能量消耗量或一定能量使车辆可行驶的里程衡量[5]。为了使车辆动能能耗经济性评价指标具有普遍性，其评价指标应该满足以下3个条件：①可以对不同类型的电动汽车经济性进行比较；②指标参数数值与整车储存能量总量无关；③可以直接从参数指标进行能耗经济性判断。下面分别介绍常用的能耗经济性评价参数[1]。

3.1 续驶里程

续驶里程是指电动汽车在动力电池组完全充电状态下，以一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离，单位为km，可以分为等速续驶里程和循环工况续驶里程。此项指标对于综合评价动力电池组、电机及传动系效率、电动汽车实用性具有积极意义[2]。但此指标与动力电池组容量及电压水平有关，在不同车型和装配不同容量动力电池组的同种车型间不具有可比性。即使装配相同容量同种动力电池组的同一车型，续驶里程也受到动力电池组状态、天气、环境因素等使用条件影响而有一定的波动。

剩余里程是指电动汽车在当前情况下，保持现有驾驶方式还能行驶的里程，不仅与动力电池组的剩余容量、能量有关，而且与驾驶方式、驾驶环境也有很大关系。

对比来看，续驶里程是实验测试数据，剩余里程是动态估算数据。

3.2 单位里程容量消耗

车辆等速或按工况行驶单位里程消耗的动力电池组容量为单位里程容量消耗，单位为（A·h）/km。

动力电池组在不同的放电深度，端电压有明显的变化；在相同放电功率下动力电池组放电电流有相应的变化。从容量消耗计算公式可知[3]，在不同的动力电池组放电深度，行驶相同里程消耗的动力电池组容量不同。所以单位里程容耗作为经济性的评价参数在不同的动力电池组使用条件下存在一定的误差，在不同车型间不具有可比性，仅适用于电压等级相同，车型相似情况下能耗经济性能的比较或同一车型能耗水平随动力电池组寿命变化周期分析。而且动力电池组容量的计算还存在很多精确性问题，该参数不能作为准确的对比依据。

3.3 单位里程能量消耗

单位里程能量消耗也称能量消耗率，可以分为单位里程电网交流电量消耗和动力电池组直流电量消耗，单位为（kW·h）/km。交流电量消耗受到不同类型充电设备的效率影响，无法直观的评估用电环节，故放到充电环节评估使用。直流电量消耗仅以动力电池组的能量状态作为标准，脱离了充电机的影响，可以比较直接地反映电动汽车的实际性能。

3.4 单位容量和单位能量消耗行驶里程

这两种能耗经济性评价指标分别是单位里程容量消耗和单位里程能量消耗的倒数。单位分别为（A·h）/km，km/（kW·h）。

3.5 等速能耗经济特性曲线

通常以测出速度间隔为5 km/h或10 km/h的等速行驶能耗量为标准，在速度—能耗曲线图上连成曲线，称为等速能耗经济特性曲线，但这种评价方法不能反映汽车实际行驶中受工况变化的影响，特别是市区行驶中频繁出现的加速，减速，怠速及停车等行驶工况，故不予采纳。

3.6 直流比容耗和比能耗

不同车型的电动汽车总质量相差很大，因此单位里程能量消耗也有很大差别[4]。为了进行不同车型间的能耗水平分析和比较，采用直流比能耗，即单位质量在单位里程的能耗，单位为（kW·h）/（km·t），此参数可以体现不同车型间传动系匹配优化程度和能量利用效果。

在电压等级相同的情况下，采用比容耗，即单位质量在单位里程的容量消耗。 单位为（A·h）/（km·t）。

3.7 能耗评价参数关系

能耗经济性评价参数之间相互转换的计算关系如图4所示。动力电池组可放出的有效能量、有效容量、单位里程能耗及单位里程容耗是电动汽车续驶里程的决定性因素[5-6]。车辆的整备质量把单位里程能耗、容耗与比能耗、比容耗联系起来。单位里程容耗和能耗的区别在于计算中是否考虑动力电池组电压变化的影响。

图4 电动汽车能耗参数关系示意图

4 车载终端能耗经济性评价模块设计

在电动汽车智能充换电服务网络能耗经济性评价体系中，车载终端作为研究用电环节能效经济性的主要载体，起着数据采集，分析动力电池组及车辆动能能耗经济性等功能。其模块流程如图5所示。

图5 模块流程图

车载终端根据监测数据计算单位里程容量消耗（4.3），单位里程能量消耗（4.4），继而计算单位容量和单位能量消耗行驶里程（3.4），以及直流比容耗和比能耗（3.6）。根据单位容量和单位能量消耗行驶里程以及车辆当前的可用电池容量、可用能量，在工况一定时可以计算出剩余里程（4.5）。

车载终端可以在车辆正常运营工况行驶下记录其行驶路线、行驶里程、行驶时间、最高车速、平均车速，以及每一阶段工况的操作状态、加速度、速度、操作时间、工况时间、累计时间，并统计停车、加速、等速、减速的时长。以及直流电量、充电交流电量，能耗经济性评价参数计算，从而为充电导引调度，充电站提示，最短路线提示、能耗经济性评价体系等增值业务服务。

4.1 动力电池组的初次充电

动力电池组的初次充电指车辆入网以后动力电池组的第一次充电。此时车辆行驶里程为D0，补充的电网交流电量为E0，动力电池组直流电量G0，动力电池组容量 Q0。

4.2 动力电池组正常充电和能量测量

正常运营后，动力电池组与充电机连接，直到充满电。此时车辆行驶里程为Di，补充的电网交流电量为Ei，动力电池组直流电量累计值Gi，动力电池组容量Qi。

4.3 单位里程能量消耗的计算

使用下式计算单位里程能量消耗F，单位（A·h）/km：

式中：△Q为运营期间消耗的电池组容量（Qi-Qi-1），A·h；△D为运营期间行驶的总距离即续驶里程（Di-Di-1），km。

4.4 能量消耗率的计算

使用下式计算能量消耗率C，单位（kW·h）/km：

式中：△G为运营期间动力电池组直流电量（Gi-Gi-1），kW·h；△D为运营期间行驶的总距离即续驶里程（Di-Di-1），km。

4.5 剩余里程的计算

车辆在行驶时消耗的功率P为[6]：

式中：m为电动汽车的质量，kg；F为电动汽车重力，F=mg；vn为车辆行驶速度，km/h。那么动力电池组还可以持续放电的时间为：

η为机械效率和驱动电机的总效率；那么可行驶里程为：

4.6 在临沂电动汽车智能充换电服务网络中的应用

升级后的车载终端已经应用于临沂市电动汽车智能充换电服务网络运营管理系统中，监控着7条公交线路，100多辆运营车辆，为电动汽车智能充换电服务网络的运营、能效评估提供有力支撑。尤其是在电池性能状态检修和驾驶员行为分析方面发挥了非常重要的作用。例如，2011年“五一”期间一批新驾驶员上岗，车载终端反馈运营管理系统的能耗经济性参数明显降低，而且相关的BMS系统经常提示“单体电池电压低”和“单体电池电压高”故障。运营管理系统监控中心通过回调车载终端记录数据发现存在异常加速、减速等指令，建议驾驶员加强操作学习，很快车辆的能耗经济性参数明显回复平稳。这种数据交互手段的常态化、状态化，大大提高了电动汽车的工作运行效率。

5 结束语

车载终端作为运营管理系统的电动汽车监控设备，有完备的数据采集能力和强大的自主分析功能，对于动力电池组全生命周期管理和车辆动能能耗经济性评价具有重要意义。