《中国电动车百人会》2017年第6期热点问题系列研讨会上的引导发言速记 非常感谢电动车百人会和中汽中心给我这个机会来跟大家一起讨论新能源汽车的循环工况。我们今天在讨论这个话题的时候，实际情况是我国并没有自己的汽车循环工况，这是很大的问题，故专家们聚集在这里探讨中汽中心承担的工信部专项--中国汽车循环工况。 然而我今天讲的无论是测试还是仿真的结果，都是基于我国借用别国的工况，比如说NEDC工况是借用欧盟的等等。据此来谈电机能耗的，当然有一些也是关于整车的能耗情况。然而我今天不主要讲整车，而是讲电机的能耗状况，就是说讲电驱动系统在借助于别国循环工况下的一些能耗仿真和测试情况。 基于能源不断清洁化的电能， 汽车电动化将来二氧化碳排放就越来越少了，甚至就没了，这个应该是全球主流发展方向，也是国家的策略。根据《中国制造2015》节能与新能源汽车技术路线图等一系列规划，怎么能达到燃油经济性要求这一点？ 现实是：汽车电动化做也得做、不做也得做，不是可选项，而是必须项。最近我国即将颁布的双积分政策对外企和部分央企构成严重挑战，但是我国的私营车企反而在汽车电动化方面较超前，例如宇通、比亚迪、吉利等正在引领我国新能源汽车产业。这是从对双积分征求意见期间所看到的一些现象之一。这张幻灯片展示了搭载电机系统的汽车节能原理，我想主要讲的是传统汽车和电动化车主要的区别是什么。 主要的区别就是传统车的能量转换和传递是单向的，一定费能； 电动车能量转换和传递是双向的，一定节能。很简单，当开传统车的时候开到坡顶上，积累了很多势能，下坡刹闸一脚下去，把所积累的势能都变成了热能损耗掉了；传统车加速的时候，例如加速到120公里/小时，一脚下去车辆减速或直到停车，整个车辆储存的动能全部变成热能浪费掉了。而驾驶电动化的车，不管上坡积累的势能，或者加速获取的动能，下坡或减速的时候这些能量部分地可以再生发电被回收回来，这就是基于能量守恒的节能原理，这个是我接下来在讲电动化车辆节能的时候一个很重要的基础。 汽车从井口到车轮，即“W-to-W”，全链条能效分析，这是清华大学张老师在我们为古巴培训新能源汽车政府领导和企业高管时用的一个表，我只是调整了他的几个数据。不言而喻，新能源汽车比传统的内燃机汽车能效高、节能。 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，对于不同工况下的能耗主要是取决于电池。实际上不同工况下的能耗和怎么样减少能耗主要取决于电机系统和电驱动总成，电池只是影响能耗的一部分。因而研究工况能耗的时候，不管是混合动力还是纯电驱动，充分研究电驱动系统非常重要。 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、总成信号控制器等，和能耗有关的主要就是这些主要部件通过算法和软件联系起来，形成电驱动总成。当然车重、风阻和滚阻系数等对车辆能耗的影响，也在如下仿真和实车（尤其是大巴车）测试中进行了参数变化敏感性研究。 永磁电机和感应电机的比较和结论，这个可能大家都已经知道了。 许多人一致以特斯拉选用感应电机为例，说感应电机是最好的电动车驱动电机。 事实上在纯电驱动车辆中，感应电机没有永磁电机好，这也是为什么特斯拉经过10余年的研究决定用永磁电机取代了感应电机。现在特斯拉MODEL3用了永磁电机，许多人逐步开始相信永磁电机的优势，所以榜样的力量是无穷的。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。尽管我们要求电机、要求发动机有很高的转矩特性使汽车有很好的动力性等，但是在循环工况下，车辆大多实际运行在低速和低转矩负载下。 
（a）中国借用欧洲的乘用车NEDC循环工况
（b）中国典型的城市公交车循环工况（CCBC）
图1 车辆循环工况
过去，我们国家乘用车主要是借用了欧洲的NEDC循环工况， 如图1（a）。 很高兴在工信部支持下中企中心等即将统计分析出我国汽车检测工况， 我们期待不久的将来我国就有一个中国工况了，不再需要完全使用别国的汽车循环工况了。由于中国工况仍未颁布，以下做的分析和测试都不是基于中国工况，而是以NEDC工况得出的电动化车辆能耗。
还有一个是评价大巴的CCBC工况，就是典型的城市公交循环工况，如图1（b）。 我也做了一些统计，大概的情况是这个样子的。下面我在讲公交车的时候，对电机系统的损耗主要是基于CCBC工况，讲乘用车的时候主要是基于NEDC工况。
二．乘用车电驱动的工况电耗仿真与测试
乘用车电驱动的工况电耗仿真与测试
图2. 某电机系统在NEDC工况下的仿真分析与测试结果
乘用车的工况电耗的仿真和测试结果如图2所示。图2中的左上图是电机的性能图；右上图是电机系统综合效率，针对NEDC工况仿真的结果；右下图展示了NEDC循环工况下测得的电机综合效率。做个简单分析，来说明大概电机在哪个区间内运行于何种状态、效率是多少。 可见，高效区在转矩vs.转速平面的右边，但是实际的NEDC工况运行都在该平面的左下角，即低转速、低转矩的轻载低速区。换句话说，在NEDC工况下电机系统并没有运行在其最高效区域。但是如果电机高效区的面积大，扩展到了NEDC工况，那么对NEDC工况下低能耗是有利的。
因此，设计和评价电机的优劣取决于我国的汽车实际循环工况。 如果根据工况去设计电机和功率电子控制器产品，车辆会更节能。 但是汽车大部分的设计都是过度设计，为什么？因为驾驶者希望百公里加速快，即动力性好，满足动力需求是过设计的主要原因。 车辆动力性需要很大的功率、很大的转矩，然而实际运行工况是：只需要电机峰值性能的20%， 甚至10%以下的转矩/功率来运行车辆， 如果用NEDC循环工况来评测的话。当然大家都熟悉，车辆重量也好、优异的百公里加速也好都是“能耗子”，这是节能汽车面临的挑战。
这是一辆实车，图2中的右上图这个图展示了仿真结果，右下角则给出了测试结果，可见仿真和测试还挺接近的。
图3. 车辆在NEDC工况下测试时电机系统（含控制器）运行点分析
图3是该实车按照NEDC工况跑下来的测试电机系统的运行点统计。 在NEDC工况下，图的上半部分对应于电机运行于电驱动状态，图中数字是该运行点占整个工况运行时间的百分比，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，如图3的下半部所示。分析可见，实际运行点超过80%落在1000-5000rpm,而且相应转速区间所需转矩也是非常低的,即≤50Nm。对于制动回馈发电运行状态，86%回馈发电运行在转速0-5000rpm和转矩≤75Nm，其转矩略高于电驱动状态。 所有运行点统计分析结果如图3所示。因此，在评价电驱动系统的时候一定需要车辆循环工况。
图4. NEDC工况下占比较高运行点的感应电机与永磁电机系统效率比较
在NEDC工况下做个比较，即感应电机系统和永磁电机系统的比较， 图4中的图表都是测试结果，不是仿真结果。在NEDC工况下，选取被测电机的这几个运行较多的特殊工况点进行比较。 从测试结果可见，感应电机的效率较低，与永磁电机相比大概差3%左右，个别点甚至差6%。一般来说，搭载纯电动车，永磁电机比感应电机好，这个实例也显示强的百分比也是非常明显的。
三
典型插电混合动力客车工况能耗
下面研究典型的新能源客车， 先讲一下插电，再讲一下纯电。总结比较一下国家2016年、2017年的补贴政策，新政策要求车辆的单位质量的单位里程能耗不高于0.24Wh/km·kg，要求续航里程200km（等速法），要求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明智了。作为企业追求最高补贴无可厚非，任何一个企业都这样，所以国家的政策除了引导作用外，一定要与市场需求发展相吻合。
插电混合动力客车对国家新补贴政策的对策是什么？ 那就是有最高的节油率、最高的补贴、最少的电池安装量，特别是最高的节油率和最少的电池安装，都是跟市场的需求一致的。 就是说我国的政策正逐步引导企业跟随市场的需求，而且当国家政策和市场需求有吻合交集的时候，追求国家的政策补贴就是追求市场竞争力。
关于中国典型城市交通工况分析，以精进电动双电机同轴串并联混合动力系统（PHEV）为例。 该系统把传统的干式摩擦离合器去掉了，用齿嵌式电磁离合器，俗称电磁狗牙离合器取而代之。这个电磁离合器的优点是： （1）防护等级能够满足IP67，这一点用原来的传统干式离合器是做不到的；（2）全寿命周期免维护。总所周知客车使用干式离合器，每运行1-2年必须要做一次维护，拆装一次要几千块甚至上万元，而且造成公交车停运等。当换上电磁离合器以后，基本上可做到终身免维护，即离合器满足整车的全寿命周期。该插电双电机串并联动力总成的运行模式包括纯电、串联、并联、发动机运行等各种模式。 结合整车轻量化技术，计算和测试确认搭载该系统的12米PHEV大巴油耗可降至百公里15.27升，对标的内燃机驱动客车的油耗国标是百公里37升左右。
图5. 电磁狗牙离合器(EMDC)
图5显示电磁狗牙离合器。该离合器是不打滑的，狗牙离合器是咬齿的。因为电机的调速可以更快速而精准，我们力求缩短啮合过程，就是减少啮合所需时间。
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。滚阻变化对整车能耗影响如何？ 这里展示了滚阻系数从0.01开始一直到0.007，该客车的能耗变化。该大巴车的重量、制动能量回收、风阻等对能耗影响，我们都一一进行了分析。 据此仿真该车已经做到了油耗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。轻量化有利于降低整车能耗，国家在补贴电电动车的时候，让电池别占车重的比例太大，是一个很好的节能减排发展方向。可以避免大车拉着电池跑的“电池运输车”。
最后总结一下得出的结果，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，也对10米车的CCBC工况做了仿真，结论是10米车14.12升/100公里。同样，我们的电驱动系统对于8米车可以做到小于10.4升/100公里，这些都跨过了得到国家最高补贴的门槛。
在此不详细罗列“双电机同轴串并联电驱动系统”的优点了。如果做一个比较评价的话，我们把柴油机搭载60千瓦电机的小并联（所谓的小并联就是一个小的电机和发动机进行并联）、大并联（是把120千瓦的大电机进行并联），还有过去曾经有供应商推出的“BSG+感应电机”的系统构成，把它们和同轴混联的电驱动方式进行了比较，比较的结果双电机同轴混联PHEV是最好的，从节油角度来讲是最好的。
四
纯电动客车工况电耗与对策
下面谈一下纯电动客车的工况电耗和节能策略。同理，纯电动城市公交客车的发展趋向是成本低、单位重量油耗低等。电驱动的技术方案是多种多样的。先介绍电机与带有两个电磁离合器的两档变速器总成， 两档变速箱用来解决纯电动大巴车直驱电机的一些诸如起动转矩和最高车速之间的矛盾问题。 在许多城市公交应用中， 由于要求车速不高于70公里/小时，直驱电机可以满足车辆要求，尽管驱动电机大了一些。 但是一旦进了郊区、进了城际应用，直驱电机有时很难满足爬大坡和提升最高车速的要求。
进一步把大型直驱电机、电机+多档变速器、电机+两档箱进行对比后发现，档位太多则换档频繁，影响制动能量回收，这是为什么档位多了反而整车电耗降不下来的主要原因。
表1给出了10米公交驱动电机加上一个两档箱的结果。总结一下电机带搭载两档箱的10米公交车的优劣，不管是从加速性能还是爬坡性能都很优越，其回馈能量跟直驱电机相比也比较接近， 但是没有直驱那么好，这是结论之一。若做另一个比较的话，通过这优化控制其频繁运行点上的功率损耗从7千瓦降到了4.8千瓦，即节电。
表1.直驱电机系统与“电机+两档箱”在10米公交应用比较
总而言之，实际车辆循环工况非常重要，应该根据工况设计电驱动系统硬件，并根据工况调校算法、编写系统控制软件。表2展示了电动车在一条实际的城市公交线路上运营，即在同一条线路上所做的对比测评。对两台直驱电机进行了反复实测，得出表中所示结果，很明显精进电动的电机有节电优势。 如果针对这个线路反复调校软件， 可以进一步减少电耗。该实例积累了七天运行数据，每天都测174公里，搭载不同驱动电机公交车行驶相同里程所消耗电池SOC被列入表中。
表2. 不同直驱电机系统在某一线城市实际公交线路上运行比较
五
电驱动系统发展方向预测
电机和纯电驱动系统发展趋向首先是提高性能、小型轻量、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、降低轴电流以及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初步做到了增加电机的性能，还需努力降低噪音等负面影响；换句话说，就诉求而言，在转矩图上要走到山脊背上、而在转矩纹波图上要走到峡谷里。 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；电机制造向自动化、数字化、智能化方向发展。
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，受制于它国。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。
（来源：中国电动车百人会发言，由作者整理修改）
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