電動汽車?yán)m(xù)航提升仿真技術(shù)

崔振陽，范廣麗，楊 軍，劉萬喜

（一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長春 130000）

電動汽車由于充電時間遠大于傳統(tǒng)燃油車的加油時間，因此，大部分人對于續(xù)航里程的焦慮仍未消除，提升電動汽車?yán)m(xù)航里程不僅是為了滿足客戶的需求，也是汽車企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路[1]。而續(xù)航里程作為純電動汽車最為關(guān)鍵的指標(biāo)，如何科學(xué)評價顯得尤為重要[2]。根據(jù)工信部的規(guī)劃，到2025年前，所有輕型新能源乘用汽車都采用中國輕型乘用車行駛工況（China Light-duty vehicle Test Cycle-passenge, CLTC-P）標(biāo)準(zhǔn)來測定續(xù)航里程。

電動汽車在研發(fā)過程中，提升續(xù)航的主要措施是電池能量密度提升和耗電量降低[3]，其中車重、滾動阻力、空氣阻力、電驅(qū)效率主要影響車輛的耗電量，而電池放電量與電池能量密度息息相關(guān)。本文根據(jù)電動汽車能量轉(zhuǎn)化原理進行理論推導(dǎo)，編制Matlab仿真分析程序進行續(xù)航里程仿真計算，再通過實車測試驗證仿真分析準(zhǔn)確性，最后通過仿真分析方法，分析車重、滾動阻力、空氣阻力、電驅(qū)效率、電池放電量等因素對續(xù)航里程的影響，為車企提升電動汽車?yán)m(xù)航里程提供理論依據(jù)。需要說明的是，輪胎滾動半徑也會影響續(xù)航里程，但輪胎尺寸一般與整車造型美觀性、車輛加速性及最高車速息息相關(guān)，通常輪胎尺寸在車型定義前期就確定了，不會隨意變更，因此，本文根據(jù)車輛實際開發(fā)過程，未分析輪胎滾動半徑對續(xù)航里程的影響。電動汽車不同的駕駛模式即不同的滑行能量回收策略也會影響電動汽車?yán)m(xù)航里程，但CLTC-P實際公告試驗測試中，車輛都會選擇最大的能量回收駕駛模式進行試驗以實現(xiàn)最大的續(xù)航里程，因此，本文未考慮滑行能量回收策略對續(xù)航里程的影響，所述理論及計算皆是基于CLTC-P工況及車輛最大的能量回收駕駛模式下進行仿真分析。

1 電動汽車能量轉(zhuǎn)化原理

電動汽車行駛時是將動力電池的電能通過驅(qū)動電機帶動車輪轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)化為車輛的動能，電動車用減速器取代傳統(tǒng)燃油汽車的變速箱，其結(jié)構(gòu)簡單，單級減速，沒有擋位和離合器概念，完全由電機調(diào)速，停車時，車速和電機轉(zhuǎn)速均為0，電機不消耗電能，電動汽車驅(qū)動電機除了充當(dāng)電動機將電能轉(zhuǎn)化為動能外，也能當(dāng)做發(fā)電機，將動能轉(zhuǎn)化為電能，汽車減速時，驅(qū)動電機可工作在發(fā)電模式，提供制動扭矩的同時，將動能轉(zhuǎn)化為電能，將能量回收到動力電池中，進行能量回收再利用。

2 仿真分析流程

電動汽車CLTC-P續(xù)航仿真流程如圖1所示，CLTC-P單個循環(huán)工況共計1 800 s，根據(jù)微分理論，可得到1 800個與時間對應(yīng)的車速點。將每個點的車速轉(zhuǎn)換成電驅(qū)的扭矩和轉(zhuǎn)速，再根據(jù)電驅(qū)系統(tǒng)效率map及電動汽車低壓電耗，就可以計算出電耗及續(xù)航里程。

圖1 電動汽車CLTC-P續(xù)航仿真流程

3 Matlab仿真模型

按照前文所述理論及仿真分析流程，在Matlab中建立仿真模型，輸入相關(guān)參數(shù)即可計算出電驅(qū)效率及續(xù)航里程，部分Matlab模型如下：

4 仿真準(zhǔn)確性校驗

以某A級電動車型為例，驗證仿真分析準(zhǔn)確性。

實測車重m=1 800 kg，車輪滾動半徑R=0.324 m，電池可用電量Q=50 kW·h，滾動阻力系數(shù)f=0.007 5；風(fēng)阻系數(shù)CD=0.317，汽車迎風(fēng)面積A=2.624 m2，將各參數(shù)輸入到仿真模型中，得出仿真結(jié)果，將仿真結(jié)果與實測值進行比較，如表1所示。

表1 仿真結(jié)果與實測值對比

可以看出，仿真值與實測值偏差較小，仿真精度較高，因此，可以通過本文所述仿真計算方法分析各因素對電動汽車?yán)m(xù)航里程的影響。

5 各因素對續(xù)航里程影響

通過Matlab仿真計算，分析車重、滾動阻力、空氣阻力、電驅(qū)效率及電池放電量對續(xù)航里程的影響。

5.1 車重對續(xù)航里程的影響

隨著整備質(zhì)量的增加，續(xù)駛里程逐漸降低[4]。改變仿真模型中汽車重量m，得到續(xù)航里程S的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 車重對續(xù)航里程影響

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，車重每變化50 kg，影響續(xù)航里程約4 km。因此，可通過選擇碳釬維復(fù)合材料、進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、采用先進制造技術(shù)等輕量化技術(shù)手段減輕整車總質(zhì)量，延長電動汽車?yán)m(xù)航里程[5]。

5.2 滾動阻力對續(xù)航里程的影響

整車在行駛過程中產(chǎn)生阻力是不可避免的，切實有效地降低阻力，是一個長期的工作[6]。改變仿真模型中的滾動阻力系數(shù)f，得到續(xù)航里程S的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 滾動阻力對續(xù)航里程影響

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，滾動阻力系數(shù)每變化0.5‰，影響續(xù)航里程約9 km。

5.3 空氣阻力對續(xù)航里程的影響

空氣阻力主要受風(fēng)阻系數(shù)CD和迎風(fēng)面積A影響，分別分析風(fēng)阻系數(shù)和迎風(fēng)面積對續(xù)航里程的影響。

5.3.1 風(fēng)阻系數(shù)對續(xù)航里程的影響

改變仿真模型中的風(fēng)阻系數(shù)CD，得到續(xù)航里程S的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)阻系數(shù)對續(xù)航里程影響

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，風(fēng)阻系數(shù)每變化0.01，影響續(xù)航里程約4.4 km。

5.3.2 迎風(fēng)面積對續(xù)航里程的影響

改變仿真模型中的迎風(fēng)面積A，得到續(xù)航里程S的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 迎風(fēng)面積對續(xù)航里程影響

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，迎風(fēng)面積每變化0.1 m2，影響續(xù)航里程約5.4 km。

5.4 電驅(qū)效率對續(xù)航里程的影響

改變仿真模型中電驅(qū)系統(tǒng)效率map，得到續(xù)航里程S的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 電驅(qū)效率對續(xù)航里程影響

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，電驅(qū)綜合效率每變化1%，影響續(xù)航里程約8 km。

5.5 電池可用電量對續(xù)航里程的影響

改變仿真模型中的電池可用電量Q，得到續(xù)航里程S的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 電池可用電量對續(xù)航里程影響

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，電池可用電量每變化1 kW·h，影響續(xù)航里程約8.3 km。

6 結(jié)論

本文介紹了基于Matlab的CLTC-P續(xù)航里程仿真分析方法，并根據(jù)實車數(shù)據(jù)對仿真準(zhǔn)確性進行了校驗。通過仿真計算，可分析出車重、滾動阻力、空氣阻力、電驅(qū)效率及電池放電量對續(xù)航里程的影響，雖然提升續(xù)航里程的途徑很多，但每一種途徑都會帶來成本的增加，對于車企而言，可通過本文所述仿真方法及仿真結(jié)論，綜合考慮成本及可行性，最終確定提升續(xù)航里程的最優(yōu)方案。