純電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性能影響因素仿真

1、 純電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性能影響因素仿真1 純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)純電動(dòng)汽車是以二次電池為儲(chǔ)能載體二次電池以鉛酸電池鎳氫電池埋離子電池為主。由于二次電池目前在儲(chǔ)電量、充放電性能、使用壽命、成本等方面無法與內(nèi)燃機(jī)相比，因此近一時(shí)期以來，研究進(jìn)展不大，大多數(shù)研究單位已將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)為混合動(dòng)力汽車。純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能是在保證動(dòng)力性的前提下，汽車以盡量少的能量消耗行駛的能力，純電動(dòng)汽車在等速行駛、加速行駛和循環(huán)工況下的能量消耗率和續(xù)駛里程來決定經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)劣。車輛能耗經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)常用的指標(biāo)都是以一定的車速或者循環(huán)行駛工況為基礎(chǔ)，以車輛行駛一定里程的能量消耗量或一定能量可反映出車輛行駛的里程來衡量。純電動(dòng)汽車能量消

2、耗率是動(dòng)力電池存放的電量維持汽車某一工況下運(yùn)行的能力，如單位里程消耗的能量、百公里消耗能量；續(xù)駛里程是指純電動(dòng)汽車從動(dòng)力電池全充滿狀態(tài)開始到試驗(yàn)規(guī)定結(jié)束時(shí)所走過的里程，如以45km/h行駛的里程等。為了使電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)具有普遍性，其評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該具有以下三個(gè)條件： （1）可以對(duì)不同類型的電動(dòng)汽車進(jìn)行比較； （2）指標(biāo)參數(shù)值與整車存儲(chǔ)能量總量無關(guān)； （3）可以直接通過參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行能耗經(jīng)濟(jì)性判斷；不同的純電動(dòng)汽車在不同的行駛工況下能量消耗率和續(xù)駛里程可能會(huì)不同，很難用統(tǒng)一的公式進(jìn)行計(jì)算，下面將運(yùn)用仿真的方法得出純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和能量消耗率。2 鈴木電動(dòng)車仿真分析 根據(jù)目前國內(nèi)外有關(guān)學(xué)

3、者對(duì)純電動(dòng)汽車的研究結(jié)論，可以看出，純電動(dòng)汽車的研發(fā)出現(xiàn)了難以進(jìn)行下去的問題。一方面是由于純電動(dòng)汽車面臨的成本和續(xù)駛里程等問題，一直沒有很好的解決;另一方面，和人們對(duì)電動(dòng)汽車的要求過于完美化，提出不切實(shí)際的過高要求有關(guān)。因此，對(duì)純電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性能影響因素的分析和研究，可以對(duì)解決這個(gè)問題找到一些方法或者啟示。 電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR由美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，使用后向仿真為主、前向仿真為輔的混合設(shè)計(jì)方法，具有車輛總成參數(shù)匹配與優(yōu)化、傳動(dòng)/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化分析、排放特性/能量消耗對(duì)比、車輛能量管理策略評(píng)價(jià)、整車綜合性能預(yù)測分析等功能。以下是鈴木某款純電動(dòng)車的整車部分參數(shù)，汽車采用永磁電機(jī)和

4、鎳氫電池，并建立ADVISOR的仿真模型，分析影響純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能的參數(shù)1阮靜嫻.基于ADVISOR軟件的純電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性能仿真D武漢理工大學(xué)博士論文.2010(05)2陳志雄，鐘少華.基于ADVISOR純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能仿真J新能源汽車.2007（9）3石慶生.純電動(dòng)汽車能量管理關(guān)鍵技術(shù)問題的研究D山東大學(xué)博士論文.2009(04)4高云.基于ADVISOR的純電動(dòng)汽車整車性能參數(shù)化分析J.2011(12)5王貴明，王金懿.電動(dòng)汽車及其性能優(yōu)化M.機(jī)械工業(yè)出版社.2010.56張翔.電動(dòng)汽車建模與仿真的研究D合肥工業(yè)大學(xué)博士論文.2004(10) 表1. 仿真參數(shù)項(xiàng)目單位整車整備質(zhì)量空氣阻力

5、系數(shù)迎風(fēng)面積軸距最大載荷電機(jī)最大功率電機(jī)額定電壓電機(jī)最大扭矩電池容量主減速比kgmmkgkwVNmAh1350 0.3 2 2400 300 50 312 200 60 2.1模型建立：由這些參數(shù)建立仿真模型圖1. 仿真模型道路循環(huán)工況選擇CYC_ECE_EUDC圖2. CYC_ECE_EUDC圖3. 續(xù)駛里程3 參數(shù)匹配及仿真 影響純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能因素很復(fù)雜，模型建立較為復(fù)雜，因此只對(duì)一般的參數(shù)進(jìn)行仿真，分析其對(duì)純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能的影響。3.1蓄電池的數(shù)學(xué)模型 鎳氫電池是一種新型環(huán)保的高容量二次電池，其特性和鎳鎘電池相似，只是以吸藏氫氣的合金材料(MH)取代了鎳鎘電池中的負(fù)極材料鎘(Cd)

6、。較之上述其它電池，鎳氫電池有許多優(yōu)點(diǎn)：能量密度高，是鎳鎘電池的1.52倍；可快速充放電，低溫性能好；可密封，耐過充放電性能強(qiáng)；無毒無環(huán)境污染，不使用貴金屬；無記憶效應(yīng)16。在當(dāng)前的電動(dòng)汽車仿真軟件中，電池模型多采用內(nèi)阻模型。內(nèi)阻模型將電池看成是一個(gè)理想的電壓源和一個(gè)電阻串聯(lián)的等效電路13，簡化模型如圖2-4所示。 圖 4 內(nèi)阻模型等效電路圖中 E0單體電池電動(dòng)勢(V)； U工作電壓(V)； I工作電流(A)； Rint等效內(nèi)阻()。由圖4所示得到電池的電壓特性方程為： (31)電池電動(dòng)勢E0和內(nèi)阻Rint受多個(gè)因素的影響，數(shù)值隨電池狀態(tài)時(shí)時(shí)變化，但通常只考慮主要因素的影響，例如在電動(dòng)汽車的仿

7、真軟件ADVISOR中，內(nèi)阻模型將E0和Rint看做荷電狀態(tài)SOC（State of charge）和溫度T的函數(shù)。下面為了簡化計(jì)算，暫將其視為常數(shù)。得到，電池的放電功率為： (32)電池的放電效率為： (33)電池的最大輸出功率為： (34)是一個(gè)理論的計(jì)算值。在實(shí)際應(yīng)用中為了防止過大的放電電流而產(chǎn)生過大的熱量進(jìn)而影響到電池的壽命，通常要求電池工作電壓處于2/31倍的E0內(nèi)，這樣也可以保證電池具有較高的效率。故在實(shí)際應(yīng)用中電池的最大功率應(yīng)限制為： (35)蓄電池儲(chǔ)存的總能量6: (36)式中 單個(gè)電池組的容量(Ah)； 單個(gè)電池組的電壓()； 電池組的數(shù)目； 電池組的放電深度，用百分?jǐn)?shù)表示。

8、3.2整車能量 整車能量消耗為： (37) (38)式中 每個(gè)狀態(tài)的電動(dòng)汽車的行駛速度(km/h)； 每個(gè)狀態(tài)電動(dòng)汽車消耗的功率(kW)； 電動(dòng)汽車總的傳動(dòng)效率，它與主減速器及變速器各速比有關(guān)。蓄電池存儲(chǔ)的總能量41： (39)式中 單個(gè)電池組的容量(Ah)； 單個(gè)電池組的電壓(V)； 電池組的數(shù)目； 電池的放電深度，用百分?jǐn)?shù)表示?？紤]到電池通常以高于額定電流的電流放電，所以電池的總能量要相應(yīng)減少4244，則有： (310)當(dāng)時(shí)，；當(dāng)，。等速行駛時(shí)的續(xù)駛里程： (311)綜上，建立遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)： (312)式中 ，加權(quán)系數(shù)；一般加權(quán)系數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)依據(jù)所側(cè)重的性能來確定的，這里目標(biāo)函數(shù)中的

9、整車能量消耗和續(xù)駛里程兩者之間是相互聯(lián)系的，整車能量消耗越少，相同的蓄電池條件下，續(xù)駛里程就會(huì)越長。3.1 電池電容對(duì)純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性影響在鈴木上述鈴木純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上將電池電容分別變?yōu)?0Ah，30 Ah，40 Ah，50 Ah進(jìn)行仿真7徐國凱，趙秀春，蘇航.電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)與控制M.電子工業(yè)出版社.2010.68夏德建.電動(dòng)汽車研究綜述J.能源技術(shù)經(jīng)濟(jì).2010（7）9張祥，趙韓，錢立軍.電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISORJ.汽車研究與開發(fā).2003(04).10艾新平，楊漢西.電動(dòng)汽車與動(dòng)力電池J電化學(xué).2011（5） 圖5. 全工況下電容影響電池soc變化情況 圖6. 單循環(huán)工況下電容影響電

10、池soc變化情況表2. 續(xù)駛里程電池容量（Ah） 102030405060續(xù)駛里程（km） 30.16089118.1148.8 177.9圖5、圖6中相同顏色的曲線代表相同電池容量，表2可知，由單循環(huán)工況就能夠看出，隨電池容量的增加純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程也相應(yīng)增加。電池容量是純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的重要影響因素。3.2 電池電量對(duì)純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能的影響相同電池容量的電池模塊組數(shù)越多則電量越大，電池模塊數(shù)分別設(shè)置為30，33，36，40，44，47，50，進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如下 圖7. 全工況下電量影響電池soc變化情況 圖8.單循環(huán)工況下電量影響電池soc變化情況表3. 續(xù)駛里程電池組數(shù) 30

11、333640444750續(xù)駛里程（km）132.9147.2160.2177.9195.4 209223.2圖7、圖8中相同顏色的曲線代表相同電池組數(shù)，電量相同，由表3可以清楚的看到電池組數(shù)越大續(xù)駛里程越大，但電池組數(shù)越多汽車整車質(zhì)量將加大，又會(huì)對(duì)汽車動(dòng)力性能影響，必須在滿足動(dòng)力性能的前提下研究其經(jīng)濟(jì)性能。3.3電機(jī)功率對(duì)經(jīng)濟(jì)性能的影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車中最關(guān)鍵的系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型和性能直接決定了電動(dòng)汽車的運(yùn)行性能。作為電動(dòng)汽車的牽引電機(jī)，應(yīng)具有寬的調(diào)速范圍、高的轉(zhuǎn)速及足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還要求體積小、重量輕、效率高，并且能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)制動(dòng)和能量回饋。由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力和調(diào)速性能，

12、早期開發(fā)的電動(dòng)汽車大多數(shù)都采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。然而隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，以及各種高性能電力電子元件的出現(xiàn)，交流調(diào)速技術(shù)有了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)能夠獲得同直流電機(jī)一樣優(yōu)良的調(diào)速性能。而且交流感應(yīng)電機(jī)所具有的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)非常適合電動(dòng)汽車的要求。所以，在近來的電動(dòng)汽車研制中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都競相采用交流感應(yīng)電機(jī)。車架電動(dòng)機(jī)的功率包括額定功率和最大功率。電動(dòng)機(jī)的功率選的越大，則電動(dòng)汽車的后備功率越多，加速度和爬坡性越好，但同時(shí)電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量也會(huì)迅速增加，而且會(huì)使電動(dòng)機(jī)不能經(jīng)常工作在峰值功率附近，使電動(dòng)機(jī)的效率下降。因此，電動(dòng)機(jī)的功率不能選的太大，應(yīng)該依照電動(dòng)汽車的最高

13、行駛車速、爬坡和加速性能來確定電動(dòng)機(jī)的功率1318。設(shè)計(jì)中常以先保證汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)有的功率。已知電動(dòng)機(jī)期望的最高車速，選擇的電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)大體上等于但不小與汽車以最高車速行駛時(shí)行駛阻力消耗的功率之和。電動(dòng)汽車以最高車速行駛消耗的功率： (313) 式中 整車質(zhì)量(); 滾動(dòng)阻力系數(shù)； 迎風(fēng)阻力系數(shù)； 迎風(fēng)面積()。電動(dòng)汽車以某一車速爬上一定坡度消耗的功率： (314)式中 電動(dòng)汽車行駛速度(); 坡度。電動(dòng)汽車在水平路面上加速行駛消耗的功率： (315) (316)式中 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算質(zhì)量； 車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()； 飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(); 車輪半徑(); 變速箱傳動(dòng)比； 主減

14、速器傳動(dòng)比?？傊?，電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)能同時(shí)滿足汽車對(duì)最高車速、加速度及爬坡度的要求。所以電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的額定功率： (317)電動(dòng)機(jī)的最大功率： (318) 式中機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率；電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)。 電機(jī)作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力部件，它的性能參數(shù)是否會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生影響。下面對(duì)電機(jī)功率做仿真分析。 圖9. 全工況下電機(jī)功率影響電池SOC值情況電機(jī)功率(kw)1020304050續(xù)駛里程(km)228.3213.2202.4188.7177.9表4. 續(xù)駛里程由圖9和表4可以看出電機(jī)功率越大純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程越小，電機(jī)功率越大汽車的動(dòng)力性能可能會(huì)更好，但其相對(duì)質(zhì)量就越大，需要更多的能

15、量維持運(yùn)行；反而功率越小，電池更多的電能可供行駛，續(xù)駛里程就越大，但是太小了可能又達(dá)不到汽車動(dòng)力性要求，因此電機(jī)功率應(yīng)滿足其能夠勝任動(dòng)力性要求，同時(shí)達(dá)到最經(jīng)濟(jì)最合理。3.4能量消耗分析 能量消耗作為經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)劣的另一指標(biāo)，因?yàn)槠湓u(píng)判標(biāo)準(zhǔn)較多，建模較為復(fù)雜，本文由汽車等速行駛所消耗的能量來評(píng)價(jià)，由計(jì)算公式：能量消耗=電池全充滿的電量/總續(xù)駛里程，并通過擬合得到經(jīng)驗(yàn)公式。又圖9可以看出，純電動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性能最佳的車速為40千米每小時(shí)，在低于或者高于該區(qū)域的地方，能量的消耗都相對(duì)較高。因此將設(shè)計(jì)車速控制在40千米每小時(shí)，對(duì)降低能量的消耗又很大的好處。 圖10. 純電動(dòng)汽車等速行駛能量消耗與車速關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式：, , , .4 結(jié)論以上的仿真對(duì)評(píng)判純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo)續(xù)駛