某純電動乘用車經(jīng)濟性優(yōu)化方法研究

盛德濤　楊俊萍　袁利東

摘 要：行業(yè)內(nèi)通常用NEDC工況對應(yīng)的續(xù)航里程來衡量純電動乘用車經(jīng)濟性的優(yōu)劣。本文作者依據(jù)當前純電動乘用車的設(shè)計開發(fā)流程及經(jīng)濟性設(shè)計原則編寫該篇論文。首先，依據(jù)功率平衡方程進行理論分析，確定變化參量設(shè)計載荷、 滾動阻力系數(shù)、整車工作效率;其次對單一變化參量進行NEDC工況續(xù)航里程仿真分析;最后對單一變化量進行續(xù)航里程臺架測試，通過仿真分析、試驗測試的結(jié)果進行對比分析后，發(fā)現(xiàn)整車工作效率對車輛續(xù)駛里程影響較大，試驗載荷、滾動阻力系數(shù)影響次之。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟性;建模仿真;NEDC工況

1 前言

純電動乘用車是以車載動力電池組為電源，依靠大功率驅(qū)動電機提供動力的交通工具，具有清潔無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[1]。

當前純電動乘用車行業(yè)內(nèi)已刊登的文獻中多數(shù)傾向于理論性研究，運用相關(guān)公式建立數(shù)學(xué)模型進行計算分析[2]。為此本文選定NEDC工況續(xù)駛里程作為評判依據(jù)，通過把理論定性分析、仿真分析與試驗測試相結(jié)合的方式，論述參量設(shè)計載荷、 滾動阻力系數(shù)、整車工作效率對車輛續(xù)駛里程的影響程度。

2 理論定性分析

2.1 整車供電原理簡介

在純電動乘用車產(chǎn)品開發(fā)初期，首先根據(jù)整車動力性設(shè)計目標確定電池、電機等關(guān)鍵高壓用電器參數(shù)，在此基礎(chǔ)上完成低壓用電器件的選型以及參數(shù)匹配，由于用電器配置確定后整車低壓用電器件的能耗很難降低，因此本文僅研究高壓用電器的能耗優(yōu)化方法。驅(qū)動電機是主要的高壓用電器，其工作效率和電機轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩相關(guān)且直接影響整車能耗，因此在進行驅(qū)動電機匹配設(shè)計時，保證其高效區(qū)間與車輛經(jīng)濟車速相匹配是基本的設(shè)計原則。

對于純電動乘用車經(jīng)濟性的改善與提高，主要考慮續(xù)駛里程以及行駛工況能耗。行駛工況能耗是以一定車速或者循環(huán)行駛工況為基礎(chǔ)，以車輛行駛一定里程的能量消耗量來衡量[2-3]。這一點與GB/T 18386-2005《純電動車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》是一致的。

2.2 功率平衡方程

勻速行駛工況純電動乘用車的功率平衡方程

（1）

式中：P為驅(qū)動電機輸出功率，單位kW;為整車工作效率因數(shù);m為純電動乘用車設(shè)計載荷，單位kg;g為重力加速度，單位m/s2;f為滾動阻力系數(shù);V為行駛車速，單位m/s;為風阻系數(shù);A為正投影面積，單位m2。

勻加速行駛工況純電動乘用車的功率平衡方程

（2）

式中：為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);為加速度，勻加速行駛工況下為常量;其余字母含義與（1）式中相同。

NEDC工況試驗循環(huán)由4個市區(qū)循環(huán)和1個市郊循環(huán)組成。整個循環(huán)工況整車分為勻速行駛、勻加速行駛、熄火靜止三種行駛模式。因此，公式（1）和公式（2）可以用來對NEDC工況法經(jīng)濟性優(yōu)化進行理論分析，參考GB/T 18386-2005《純電動車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》附錄A求積分即可。

通常純電動乘用車經(jīng)濟性優(yōu)化有整車輕量化、提升整車工作效率、降低整車用電器件能耗、降低滾動阻力系數(shù)四大類途徑。結(jié)合公式（1），整車輕量化相當于降低整車整備質(zhì)量即降低設(shè)計載荷m;提升整車工作效率對應(yīng)于提高整車工作效率因數(shù);降低整車用電器件能耗主要是指降低整車用高壓電器件的能耗;降低滾動阻力系數(shù)則是優(yōu)化f數(shù)值。

3 仿真分析

3.1 模型建立

以某微型純電動乘用車為例進行仿真分析，在Cruise軟件環(huán)境中構(gòu)建仿真模型。把整車的相關(guān)參數(shù)輸入到模型中;把驅(qū)動電機外特性曲線圖等信息輸入到驅(qū)動電機模型中;動力電池組參數(shù)輸入到電池模型中;其余模型信息以此類推進行處理。模型建立后，調(diào)試驗證后進行仿真分析。

3.2 滾動阻力系數(shù)優(yōu)化

初始狀態(tài)時，車輛采用的輪胎滾阻系數(shù)偏高，采用低滾阻輪胎進行仿真NEDC工況法分析，仿真分析結(jié)果見表1。

優(yōu)化滾動阻力系數(shù)后，兩兩對比續(xù)駛里程分別增加了10.7km、8.2km，增幅為8.3%、5.87%（對應(yīng)滾動阻力系數(shù)優(yōu)化幅度20%、16.7%），滾動阻力系數(shù)優(yōu)化對于續(xù)駛里程的改善，效果較為顯著。

3.3 設(shè)計載荷優(yōu)化

設(shè)計載荷優(yōu)化的主要途徑是整車輕量化，主要途徑有減薄料厚、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、采用鋁合金碳纖維等復(fù)合材料等。由于該微型純電動乘用車已經(jīng)充分進行了整車輕量化工作，故仿真時采用設(shè)計載荷增值法進行分析，NEDC工況法仿真分析結(jié)果見表2。

NEDC工況法兩兩對比續(xù)駛里程分別增加了1.9km、4km，增幅分別為1.54%、3.2%（對應(yīng)設(shè)計載荷優(yōu)化幅度4.85%、5.10%），設(shè)計載荷優(yōu)化對于續(xù)駛里程的改善，效果較為顯著。

3.4 整車工作效率優(yōu)化

整車工作效率優(yōu)化主要有改善機械部分傳遞效率及電力部分傳遞效率兩大類方法。NEDC工況法仿真分析結(jié)果見表格3。

NEDC工況法整車工作效率優(yōu)化0.01（增幅1.25%）后，續(xù)駛里程增加1.2km，增幅0.93%，整車工作效率優(yōu)化對于續(xù)駛里程的改善，效果顯著。

4 NEDC工況法測試

4.1 測試準備工作

準備新下線經(jīng)過磨合的新商品車一輛（整車工作效率可調(diào)），隨帶充電槍等一系列工具，委托國內(nèi)權(quán)威第三方檢測機構(gòu)進行NEDC工況法測試，同時安排2名試驗人員及2名電氣工程師全程跟蹤試驗過程。試驗大綱可以與第三方檢測機構(gòu)人員共同討論后定稿，其余工作依據(jù)GB/T 18386-2005《純電動車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》執(zhí)行。

4.2 測試結(jié)果分析

測試過程中具體操作完全由第三方檢測機構(gòu)人員進行，單項問題進行多次測試（關(guān)閉制動能量回收裝置），經(jīng)過處理后的具體測試結(jié)果見表格4。

通過把表4中測量結(jié)果分別與表1至表3的仿真分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，測向結(jié)果較仿真分析結(jié)果偏小，誤差在±1.5%以內(nèi)，實測數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)吻合性較好。

5 結(jié)論

（1）純電動乘用車設(shè)計開發(fā)過程中，在整車配置以及外造型確定的前提下，其低壓電器件能耗總功率、風阻系數(shù)、迎風面積A隨之確定，此時續(xù)駛里程S主要影響參變量是滾動阻力系數(shù)f、設(shè)計載荷m、整車工作效率。

（2）整車工作效率對續(xù)駛里程的影響最大，設(shè)計載荷m與滾動阻力系數(shù)f對續(xù)駛里程的影響次之。

（3）制動能量回收裝置涉及因素較多，具體有制動性、整車控制策略、主觀駕駛感受等，本位論述的是僅僅影響純電動乘用車能耗經(jīng)濟性的單一因素，故本文不把其列為能耗經(jīng)濟性優(yōu)化方法之一進行論述。

參考文獻：

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002：24-25.

[2]王震坡、甄子健.純電動汽車能耗經(jīng)濟性評價方法研究[J].高技術(shù)通訊，2007，17（2）：171-174.

[3]王震坡、姚利民、孫逢春.純電動汽車能耗經(jīng)濟性評價體系初步探討[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2005，25（6）：479-482.

[4]秦孔建，陳海峰，方茂東等.插電式混合動力電動汽車排放和能耗評價方法研究[J].汽車技術(shù)，2010，7：11-16.

[5]余志生，《汽車理論》第三版，2000年4月，第38頁-56頁.

[6]GB/T 18386《純電動車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》，2005版.