電動汽車續(xù)駛里程能量計算和影響因素分析

1、電動汽車續(xù)駛里程能量計算和影響因素分析徐貴寶 ,王震坡 ,張承寧(北京理工大學機械與車輛工程學院 , 北京100081)摘 要 : 基于電池組輸出能量與電動汽車消耗能量相等的原則 , 分析了電動汽車續(xù)駛里程的計算方法 , 并通過H FF6112GK50電動公交車續(xù)駛里程試驗對其進行了驗證 , 最后對實驗所得的數(shù)據進行了研究 , 分析和總結了此電 動公交車電池使用性能以及影響電動汽車續(xù)駛里程的因素 .關鍵詞 : 電動汽車 ; 續(xù)駛里程 ; 電池中圖分類號 : U469172 + 2文獻標識碼 : AAna lysis of the Energy Com puta tion And Influen

2、ce Factorsof Electr ic Veh icle RangeXU Gu i2bao,WAN G Zhen2po,ZHAN G Cheng2n ing( Schoo l of M echan ica l and V eh icu la r Enginee ring, B e ijing In stitu te of Techno logy, B e ijing 100081, Ch ina)A b stra c t: B a sed on the p rinc ip le tha t ou tp u t and con sum ed ene rgy of the ba tte ry

3、 se t on EV a re egua l.The comp u ta tion m e thod of EV range is ana lyzed and ve rified by the exp e rim en ts of H FF6112 GK50 2EV range. B y the fa rthe r study on the exp e rim en ts da ta, the EV ba tte ry se t u sage eva lua tion and influence fac to rs of EV range a re fina lly ana lyzed an

4、d som e va luab le cone lu sion s a re ob ta ined.Key word s: e lec tric veh ic le; d riving range; ba tte ry電動汽車的續(xù)駛里程是指電動汽車上動力蓄電池以全充滿狀態(tài)開始到標準規(guī)定的試驗結束時所走 過的里 程 1 , 它 是 電 動 汽 車 重 要 的 經 濟 性 指 標 .電動汽車續(xù)駛里程短 , 是造成電動汽車商業(yè)化發(fā)展 的瓶頸. 因此 , 在電池技術沒有實質性突破的情況 下 , 研究分析電動汽車續(xù)駛里程中的能量轉換及其 影響因素 , 減少電動汽車運行中的能量消耗 , 提高 電動汽車的能

5、量利用效率 , 對電動汽車的發(fā)展有著重要的意義 .1電動汽車能量源電池攜帶的額定總能量W 0 = Qm U e = Ge q,式中Qm 為 電 池 的 額 定 容 量 , U e 為 電 池 的 端 電壓 , Ge 為電動汽車攜帶的電池總量 , q為電池比能量 .在 H FF6112 GK50電動公交車上所使用的能量 源是 12V ( 85A h)水平鉛酸電池 , 用 32 塊電池串聯(lián)收稿日期 : 2004 11 30基金項目 : 國家 “863 ”高科技資助項目 ( 2003AA501800 )成一組 , 然 后 3 組 并 聯(lián) , 電 池 組 額 定 電 壓 384V ,當 I / Ie

6、3時 , n = 11313;當 I / Ie > 3時 , n = 11414.211 等速法續(xù)駛里程計算 3 電動汽車以等速運行時 , 其坡度阻力和加速阻 力消耗的功率忽略不計 , 續(xù)駛里程的計算值為 S = Va t.額定 容 量 255A h, 額 定 總 能 量 W 097192 kW h.= 384 ×255 =電動汽車能量源的實際能量可以用理論能量表示 , 理論能量計算公式為t0EC = v ( t) i ( t) d t,v ( t) 為 電池 電 壓 , i ( t) 為電 池放 電電 流 ,其中t212 工況法續(xù)駛里程計算為時間.電池的工作電壓降低到一定程度

7、后就不能再繼 續(xù)放電 , 否則 , 就會對電池的使用壽命造成損害 , 此時的電壓值為截止工作電壓 , 該電壓對應于電池 組放電曲線的拐點 . 在 H FF6112 GK50 電動公交車 上的電池組 , 單體電池截止電壓為 10 V , 電池組電動汽車在進行工況試驗測量續(xù)駛里程時 , 一般包括啟 動 、加 速 、勻 速 、減 速 、靜 止 等 幾 個 工 況 , 按照中國客車六工況驅動循環(huán)來考慮 , 對勻加速 、勻速 、勻減速 3個工況分別計算能量消耗 , 然 后計算其總能量消耗 , 在勻減速過程中需要考慮再 生制動 , 再 生 制 動 對 電 池 進 行 短 時 間 (一 般 小 于011 S

8、)充電. 另外制動后車輛仍有一段空檔滑行距 離 , 所以 , 一般可以延長續(xù)駛里程 7 % 20 % , 因此在進行計算時 , 工況的續(xù)駛里程應考慮再生制動 所提供的能量 .車輛每完成一個啟動 、運行 、停止的距離定義 為一個行駛區(qū)段 , 將每個區(qū)段計算出的能量累加等 于電池所能釋放出來的總能量 , 汽車所能行使的總距離即為所需計算的續(xù)駛里程.截至電壓 為 320 V. 電 池 中 可 以 釋 放 的 能 量 W=W 0DOD ,DOD為電池的放電深度 .2 續(xù)駛里程中的能量計算電動汽車在續(xù)駛里程中的的能量轉換主要是指能量源所輸出的能量轉換為電動汽車行駛時所消耗 掉的能量 , 國內外對電動汽車

9、續(xù)駛里程中的能量計 算提出過很多種方法 , 但都基于這種能量相等的原 則來進行理論分析的 .汽車功率平衡方程式為3 實驗驗證及數(shù)據分析3 Gf co sV a CD AV a 1PM = 3 600+ 76 140 +通過上述方法對 H FF6112 GK型電動公交車進行續(xù)駛里程仿真計算 , 工況計算中用中國客車城市 六工況為計算工況 , 并進行實際行駛試驗. 試驗線 路長度約 313 km. 路 面狀 況 良好 , 無積 水 , 車 流 量 、人流量很小 , 每小時車流量在 200輛以下 . 公 交循環(huán)工況采取模擬方式 . 在線路上設置 7個停車 點 , 模擬 6個站點和 1個紅路燈停車點

10、. 車輛在停 車點制動停穩(wěn)后 , 起步行駛 . 在工況行駛中 , 忽略 開閉車門 , 車輛燈光使用和特殊情況下能耗 (如雨 天雨刮器使用 ) . 在加載工況試驗時 , 車輛加載約 為設計車輛載荷的 50 %.測試試驗工況包括 40 km / h空載勻速 、空載工 況 、 40 km / h半載勻速 、半載工況共 4 項 . 試驗仿 真結果如表 1所示.從表 1可以看出 , 理論計算出的續(xù)駛里程值與 實驗得到的值基本符合 , 誤差率在 10 %以內 , 所以上面提出的計算方法是可行的 ; 誤差率隨著試驗 的進行逐漸減小可能存在 3 種原因 : 隨著對電 G sinV aGVadV3 600 +

11、3 600 g · d t, 1即PM = ( Pf + Pw + Pi + Pj ) ,式中Pf 為滾動阻力所消耗的功率 ;Pw 為空氣阻力所消 耗 的 功 率 ; Pi 為 坡 度 阻 力 所 消 耗 的 功 率 ; 2 Pj 為加速阻力所消耗的功率.單個蓄電池的放電電流PI =,UB nbto ta l式中to ta l為 機 械 系 統(tǒng) 和 電 氣 系 統(tǒng) 的 總 效 率 ;為電池組端電壓 ; nb 為電池組并聯(lián)支路數(shù) .考慮到 Peuke rt方程 , 電池放電電流 I大于額 定放電電流 Ie 時 , 其總能量要相應減少 . 單個電池的可持續(xù)的放電時間UBn - 1CeIe

12、t =,II池均衡充電的進行 , 電池組性能有所提高 ; 由于充電時間 、天氣情況變化等充電環(huán)境原因使充電 量有所提高 ; 駕駛員對電動汽車操縱的熟練程度有所提高 . 另外 , 低速行駛 、電動汽車質量小有助于增加電動汽車的續(xù)駛里程.表 2列出了各種電車能源消耗的情況 , 從表 2中可以看出 H FF6112 GK50 電動公交車每公里能耗 及比能耗都是最低的 , 該電動公交車能量利用效率高 , 傳動系統(tǒng)匹配合理 , 系統(tǒng)效率穩(wěn)定 .表 1 HFF6112GK型電動公交車試驗數(shù)據和理論計算值續(xù)駛里程(計算值 ) / km續(xù)駛里程(試驗值 ) / km試驗工況起始電壓 /V終止電壓 /V誤差率

13、/ %40 km / h空載勻速空載工況40 km / h半載勻速 半載工況14210713310113199. 212494. 54144164144163253173253217. 77. 36. 86. 4表 2各種電車能源消耗情況表能耗 / ( kW h· ( km ) - 1 ) 比能耗 / (W h· ( km ) - 1 ·t - 1 )車型總質量 / kg電池類型電機類型續(xù)駛里程 / km168 ( 40 km / h等速 )154 ( 40 km / h等速 )BJD6100H FF6112 GK50 北京市無軌電車 電車國家標準12 22512

14、 48516 000 18 00016 000 18 000鉛酸鉛網直流直流 直流 直流0. 6640. 570. 961. 1554. 345. 655 6064 72可以看出 ,在電動汽車初始運行期間 , 電壓下降比4 電池性能對續(xù)駛里程的影響 4 較平緩 , 中間略有波動 , 這是因為停車至啟動的時間不同而使電池組電壓略有上升 ; 而在 90 m in 左 右時電壓上升較大 , 此處停車時間較長 , 電池組電壓恢復數(shù)值較大 ; 在 170 m in左右電壓呈現(xiàn)下降趨 勢 , 而在 200 m in左右電壓下降十分迅速 , 此時應 進行充電 , 避免繼續(xù)放電 , 否則會影響電池的使用 壽命

15、 .電池為電動汽車的動力源 , 其性能直接影響著電動汽車的續(xù)駛里程 , 分析電池的使用性能 ,高電動汽車的續(xù)駛里程有著重要的意義.對提411 電池組放電總電壓曲線圖 1為電池組放電總電壓曲線 ,從放電曲線上圖 1 電池組放電總電壓曲線1219V , 1310V , 1310V.圖 3是空載勻速 ( 40 km / h)和半載工況測試結 束即放電后的電壓不一致性分布圖 , 從圖 3中可以看出 , 最大電壓差兩次分別為 415V , 5135V; 平均電壓分別是 10185V , 9132V. 由于續(xù)駛里程試驗結 束后 , 各個電池之間存在著電壓差 , 電池之間進行 相互充電 , 導致輸出功率達不

16、到預期值 , 因此在裝車之前 , 應盡量保證各個電池電壓保持均勻一致 ,412 電池組電池不一致性分析圖 2為電動汽車在進行空載勻速 ( 40 km / h ) 、空載工況和半載工況測試前即電池充電后電壓分布 圖 , 從圖 2中可以看出 , 隨著試驗的進行 (空載勻 速 - 空載工況 - 半載工況 ) , 充電后的電壓有所上 升 , 各電池之間的不一致性降低 . 最大電壓差 3 次分別為 0135V , 0132V , 0129V; 平 均 電 壓 分 別 是進行預檢 , 淘汰性能較差的電池 5 .這樣在其它因素相同時 ,使用之后電池電壓應該是對在車上使用的各個電池比較接近的 .另一方面 ,圖

17、 2 空載勻速 ( 40 km / h) 、空載工況和半載工況充電后電壓分布圖圖 3 空載勻速 ( 40 km / h) 和半載工況放電后電壓分布圖兩個電池電壓差較小 , 隨著車輛的運行和放電時間的延長 , 兩電池電壓逐步出現(xiàn)電壓差 , 在放電后期 電池電壓差極為明顯 , 單個電池的電壓出現(xiàn)急速下 降的情況 , 在此時刻之前電動汽車應該停止運行 , 并回到充電站進行充電 .413 單電池電壓在運行過程中的變化情況圖 4是用測試儀監(jiān)控的兩塊電池在車輛運行時單電池放電電壓變化曲線 . 從圖 4中可以看到 , 在 車輛運行的初始階段 , 電池電壓比較平緩的下降 ,圖 4 單電池放電電壓變化情況5.

18、從圖 5 中可以看出 , 阻值在 114 m 210 m之間變化 , 應該屬于正常變化范圍 . 但與日本 GS電池 ( 018 m 116 m )相比 , 內阻略大 . (下轉第 61頁 )414 電池組內阻抽測結果在車輛試驗期間 , 通過對 19 塊電池的電壓和電流進行 測量 , 然后 計 算出 各個 電 池內 阻 , 如 圖機的必備部件 J . 國外內燃機 , 1994 ( 2) : 4 - 7.Roe ssle r M e ta l. V a riab le Nozzle Tu rbocha rge r fo r M ed i2um - sp eed D ie se l Engine C

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