純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性有效平衡的研究

薛冰

燕京理工學(xué)院工學(xué)院，河北廊坊 065201

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，然而由于油氣資源不足，能源供需矛盾日益突出，2019年中國(guó)的原油進(jìn)口量高達(dá)5.057 2×108t，對(duì)進(jìn)口油氣依賴(lài)度不斷升高。在這種背景下，中國(guó)新能源汽車(chē)2019年產(chǎn)銷(xiāo)規(guī)模突破120萬(wàn)輛，保有量也達(dá)到419萬(wàn)輛，占全球54.5%。2019年，中國(guó)總計(jì)生產(chǎn)了102萬(wàn)輛純電動(dòng)汽車(chē)，銷(xiāo)售了97.2萬(wàn)輛。純電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)相對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)要好得多。同時(shí)，中國(guó)政府出臺(tái)了大量扶持政策，并給予大量購(gòu)置補(bǔ)貼、稅收減免與財(cái)政補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策，推動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)體系化發(fā)展。

2019年7月1日正式出臺(tái)了GB/T 36980—2018《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率限值》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)旨在推動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)向節(jié)能方向發(fā)展，為電動(dòng)汽車(chē)節(jié)約了電能，并優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，同時(shí)為新能源汽車(chē)健康持續(xù)的發(fā)展提供了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于具有三排以下座椅且最高車(chē)速不小于120 km/h的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型，當(dāng)整車(chē)整備質(zhì)量在 750 kg及以下時(shí)，百公里能量消耗率限值應(yīng)為 13.1 kWh[1]。

1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析

汽車(chē)的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有最大車(chē)速、0～100 km加速時(shí)間、最大爬坡度。以乘用車(chē)為例，最高車(chē)速的范圍為120～250 km，與之對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)排量也各不相同；一般用0～100 km/h的加速時(shí)間來(lái)評(píng)定，加速時(shí)間范圍為6～12 s；最大爬坡度一般在30%～60%。

汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)為一定運(yùn)行工況下百公里燃油的消耗量。在國(guó)標(biāo)中規(guī)定的乘用車(chē)燃料消耗限制，按著整車(chē)整備質(zhì)量的不同，分為兩個(gè)階段：第一階段的百公里燃油消耗量范圍為7.6～16.4 L，第二階段的百公里燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)為6.6～14.7 L。

根據(jù)市面上已有傳統(tǒng)燃油車(chē)輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性情況的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，排量大的車(chē)動(dòng)力性較強(qiáng)，排量相同整車(chē)整備質(zhì)量小的車(chē)動(dòng)力性較強(qiáng)，排量小的車(chē)經(jīng)濟(jì)性較好，整車(chē)整備質(zhì)量小的經(jīng)濟(jì)性較好，公路路況比城市路況的經(jīng)濟(jì)性好。

對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)改為電動(dòng)機(jī)，汽車(chē)的使用性能未發(fā)生任何變化，動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)依然是最高車(chē)速、0～100 km加速時(shí)間、最大爬坡度，但是由于純電動(dòng)汽車(chē)是使用電力驅(qū)動(dòng)，所以經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)生了變化，汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性可以用能量消耗率和續(xù)駛里程來(lái)評(píng)價(jià)[2]。動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性歷來(lái)是一對(duì)矛盾體，要得到最佳的狀態(tài)就要均衡動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。也就是電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)都要達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)，在保證汽車(chē)動(dòng)力性的前提下經(jīng)濟(jì)性還要好，只有達(dá)到相互平衡，才能符合國(guó)標(biāo)，才能立足于市場(chǎng)。

續(xù)駛里程是汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)同時(shí)也是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵影響因素，國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)貼政策也圍繞著續(xù)駛里程來(lái)確定，同時(shí)續(xù)駛里程也會(huì)影響電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的駕駛感受。

傳統(tǒng)車(chē)企中比亞迪在很早之前就開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)純電動(dòng)汽車(chē)，從最早的e6純電動(dòng)車(chē)型，其續(xù)駛里程就已經(jīng)達(dá)到了300 km，到后續(xù)推出的王朝系列的漢、秦、唐、宋、元等車(chē)型均有純電動(dòng)版本，再到最近推出的海豚、海豹系列電動(dòng)汽車(chē)，比亞迪品牌的純電動(dòng)汽車(chē)電池、電機(jī)及電控系統(tǒng)的技術(shù)都在快速地提升。除比亞迪外，吉利、長(zhǎng)安、長(zhǎng)城、北汽等品牌的電動(dòng)汽車(chē)板塊也在快速發(fā)展之中。

除傳統(tǒng)車(chē)企在發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)外，同時(shí)市面上也出現(xiàn)了大量的造車(chē)新勢(shì)力和國(guó)外的電動(dòng)汽車(chē)品牌，如蔚來(lái)、小鵬、特斯拉等，其關(guān)鍵技術(shù)也是非常成熟的，同時(shí)引領(lǐng)了電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展[2]。車(chē)企代表車(chē)型續(xù)駛里程對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 車(chē)企代表車(chē)型續(xù)駛里程對(duì)比

2 ADVISOR簡(jiǎn)介及仿真策略

ADVISOR是各大研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多的仿真軟件，其綜合了各種仿真方法的優(yōu)勢(shì)，并且彌補(bǔ)了不足。軟件可以根據(jù)設(shè)置整車(chē)參數(shù)、動(dòng)力電池參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)、變速箱參數(shù)、車(chē)輪參數(shù)來(lái)分析電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以分析不同控制策略對(duì)整車(chē)性能的影響，并且能夠進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。軟件中參數(shù)優(yōu)化功能Autosize可以對(duì)所選參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)解。該軟件也有一些不足的地方如已有數(shù)據(jù)老化，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)有研究的需求，底層模型都需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)需要更改大量數(shù)據(jù)參數(shù)且不適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析等[3]。

3 車(chē)輛各模塊仿真參數(shù)匹配

3.1 車(chē)輛模塊參數(shù)匹配

在現(xiàn)有市場(chǎng)上，選取了3種不同品牌同類(lèi)型純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行對(duì)比分析[4]，整車(chē)基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 3種車(chē)型整車(chē)基本參數(shù)

3.2 動(dòng)力電池模塊參數(shù)匹配

為純電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的部分是動(dòng)力電池，其質(zhì)量會(huì)影響整車(chē)的性能，所以在選配時(shí)要格外注意，避免影響車(chē)輛性能。在市場(chǎng)上電動(dòng)汽車(chē)中常用的電池類(lèi)型有：鉛酸電池、鎳氫電池、三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池等[5]。

近年來(lái)動(dòng)力電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本逐漸降低。在2021年上半年磷酸鐵鋰電池得到了快速發(fā)展，其市場(chǎng)占比也在不斷地提升，磷酸鐵鋰電池在整車(chē)生產(chǎn)中裝車(chē)輛達(dá)到了45.95%。但是在乘用車(chē)市場(chǎng)上磷酸鐵鋰的表現(xiàn)要遜于三元鋰電池，只有低端車(chē)型如五菱Mini EV，還有采用刀片電池的比亞迪車(chē)型。未來(lái)磷酸鐵鋰電池將繼續(xù)在低端乘用車(chē)、商用車(chē)領(lǐng)域不斷發(fā)展，而三元鋰電池依舊在乘用車(chē)市場(chǎng)上占據(jù)了主力位置[6]。

三元材料的電壓平臺(tái)比磷酸鐵鋰高，電壓平臺(tái)越高，比容量越大，在相同的體積或是質(zhì)量下，甚至同樣安時(shí)的電池，電壓平臺(tái)比較高的三元材料鋰電池續(xù)航里程更遠(yuǎn)[7]。在大倍率充電和耐低溫性能等方面，三元鋰電池也有很大的優(yōu)勢(shì)，所以市面上常見(jiàn)的中高端電動(dòng)汽車(chē)采用的均為三元鋰電池。電池容量、能量、能量密度這些參數(shù)都起著至關(guān)重要的作用。動(dòng)力電池組容量直接關(guān)系汽車(chē)的續(xù)駛里程與動(dòng)力性，一般是以滿(mǎn)足正常車(chē)速下的行駛需要。

3種車(chē)型動(dòng)力電池基本參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 3種車(chē)型動(dòng)力電池基本參數(shù)

3.3 電機(jī)模塊參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)電機(jī)也是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，不同的電機(jī)對(duì)整車(chē)性能存在不同的影響，永磁同步電機(jī)和交流電機(jī)是常見(jiàn)的類(lèi)型[8]。交流三相電機(jī)與永磁同步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 交流三相電機(jī)與永磁同步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)要滿(mǎn)足不同的行駛環(huán)境，對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)越高，功率和轉(zhuǎn)矩是電動(dòng)汽車(chē)的重要參數(shù)。為了滿(mǎn)足車(chē)輛行駛環(huán)境與汽車(chē)性能等方面的要求，要匹配合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，3種車(chē)型選擇的是交流電機(jī)，但是3種電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩是不同的[9]。3種車(chē)型驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 3種車(chē)型驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)對(duì)比

4 仿真結(jié)果分析

4.1 動(dòng)力性仿真結(jié)果

3種車(chē)型仿真分析結(jié)果如圖1至圖3所示。

圖1 A車(chē)型仿真分析結(jié)果

圖2 B車(chē)型仿真分析結(jié)果

圖3 C車(chē)型仿真分析結(jié)果

選取了3種不同類(lèi)型的純電動(dòng)車(chē)進(jìn)行對(duì)比分析，3種車(chē)型動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。由表可知，A車(chē)型的最高車(chē)速達(dá)到了144.1 km/h是3種車(chē)型中車(chē)速最高的，百公里加速時(shí)間也僅有9.9 s是3種車(chē)型中最快的，最大爬坡度3種車(chē)型比較接近沒(méi)有太大差別。綜上所述，A車(chē)型的動(dòng)力性最好，主要原因是其質(zhì)量最輕，空氣阻力系數(shù)最小，動(dòng)力電池能量最大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率最高，這些參數(shù)都影響了A車(chē)型的動(dòng)力性能。可見(jiàn)，這些參數(shù)的提升，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能的提升有著顯著的影響，在純電動(dòng)車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于想要提升整車(chē)動(dòng)力性能的車(chē)輛，可以適當(dāng)提升這些關(guān)鍵影響參數(shù)。

表6 3種車(chē)型動(dòng)力性指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

4.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)來(lái)說(shuō)，百公里耗油量為汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)可以用百公里的耗電量來(lái)衡量電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性，也就是能量消耗率。Advisor軟件中是把耗電量轉(zhuǎn)換成耗油量來(lái)表示電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性[10]。

3種車(chē)型經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表7。由表可以看到在NDEC循環(huán)工況下，電動(dòng)汽車(chē)的耗電量轉(zhuǎn)換為耗油量之后的值都較小，可見(jiàn)電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)來(lái)說(shuō)能耗是非常少的，而且電能的經(jīng)濟(jì)性要比燃油的經(jīng)濟(jì)性要好很多。根據(jù)3種車(chē)型的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比結(jié)果分析，A車(chē)型的百公里油耗僅有2.3 L，相對(duì)于其他兩種車(chē)型是最低的，因?yàn)锳車(chē)型的整車(chē)基本參數(shù)整備質(zhì)量最輕，風(fēng)阻最小。A車(chē)型的續(xù)駛里程最長(zhǎng)，B車(chē)型次之，C車(chē)型最短，3種車(chē)型的動(dòng)力電池容量是依次降低的。可見(jiàn)續(xù)駛里程受到電池容量的影響是非常大的，提升動(dòng)力電池的容量對(duì)提高續(xù)駛里程是十分有效的。

表7 3種車(chē)型經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

4.3 動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性平衡分析

由仿真結(jié)果可知，對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，要提升整車(chē)的動(dòng)力性可以調(diào)整以下幾個(gè)方面：①整車(chē)的基本參數(shù)包括減輕整車(chē)整備質(zhì)量和減小空氣阻力系數(shù)等；②提升動(dòng)力電池的能量；③選用高功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。要提升整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性同樣也可以調(diào)整整車(chē)的基本參數(shù)同時(shí)可以提高動(dòng)力電池的容量?？傊胶饧冸妱?dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性可以使整車(chē)性能得到全面提升，通過(guò)調(diào)整整車(chē)基本參數(shù)、動(dòng)力電池的基本性能、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取這3個(gè)方面入手可以高效地提升純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò) Matlab/Simulink對(duì)3種純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真，為了平衡動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，對(duì)3種純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了仿真分析，得到整車(chē)基本參數(shù)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的不同對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響結(jié)果，以及A車(chē)型電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性均衡相比于其他兩種汽車(chē)要做得更好，為電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性平衡方面提供了借鑒。