新能源汽車技術(shù)解析-第七章純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性

第七章

純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性1一、純電動(dòng)汽車動(dòng)力性電機(jī)的外特性電動(dòng)汽車中驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的外特性曲線如上圖所示。該特性曲線分為兩個(gè)區(qū)域，恒轉(zhuǎn)矩和恒功率工作區(qū)。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域是從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩恒定，而功率隨轉(zhuǎn)速的提高線性增加；恒功率區(qū)域是從額定轉(zhuǎn)速到最大轉(zhuǎn)速，電機(jī)的輸出功率恒定，而轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的提高呈雙曲線逐漸下降。為了建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性的數(shù)學(xué)模型，需在專門(mén)的電動(dòng)汽車動(dòng)力測(cè)功平臺(tái)上測(cè)試驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性，然后采用最小二乘法原理對(duì)電機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立電機(jī)外特性數(shù)學(xué)模型。驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性數(shù)學(xué)模型是整車動(dòng)力性仿真計(jì)算的重要依據(jù)，是把在電動(dòng)汽車動(dòng)力平臺(tái)上測(cè)試的電機(jī)轉(zhuǎn)矩看成電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，其數(shù)學(xué)模型為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Ts為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m式中，Ai為待擬合的各項(xiàng)系數(shù)；k為多項(xiàng)式的階數(shù)，一般取3～5。一、純電動(dòng)汽車動(dòng)力性電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力在恒功率區(qū)域，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中，動(dòng)力電池儲(chǔ)存的電能通過(guò)控制器輸出給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)輸出功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳到驅(qū)動(dòng)輪上。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力如左圖1電動(dòng)汽車的行駛阻力也包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力，其表達(dá)式和燃油汽車的一樣，如上圖2010302圖1Ft為汽車驅(qū)動(dòng)力圖2Ff為汽車滾動(dòng)阻力；Fw為汽車空氣阻力；Fi為汽車坡度阻力；Fj為汽車加速阻力一、純電動(dòng)汽車動(dòng)力性電動(dòng)汽車的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)當(dāng)電動(dòng)汽車達(dá)到最高車速時(shí)，電機(jī)處于恒功率區(qū)域運(yùn)行，汽車的驅(qū)動(dòng)力與滾動(dòng)阻力及空氣阻力處于平衡狀態(tài)，求出電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力曲線的交點(diǎn)，得出最高車速；同時(shí)，已知電機(jī)調(diào)速所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，確定所能達(dá)到的最高車速，取兩者之中的小者。如上圖所示為某具有兩擋變速器電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖，可以看出一、二擋驅(qū)動(dòng)力曲線交點(diǎn)出現(xiàn)在車速約為38km/h處，當(dāng)汽車從原地起步加速行駛到此車速時(shí)，為了獲得最大驅(qū)動(dòng)力，車輛應(yīng)該從一擋換入二擋。行駛阻力曲線與二擋驅(qū)動(dòng)力曲線存在交點(diǎn)，汽車的最高行駛車速接近110km/h。電動(dòng)汽車行駛加速度為（aj為電動(dòng)汽車行駛加速度）電動(dòng)汽車從靜止起步全力加速至速度va的加速時(shí)間為如上圖所示為某具有二擋變速器電動(dòng)汽車行駛車速與時(shí)間的關(guān)系曲線，從圖中可知，0～50km/h加速時(shí)間約為7.3s，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10s之內(nèi)；50～80km/h的加速時(shí)間約為7.5s，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15s之內(nèi)。電動(dòng)汽車的爬坡能力與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性密切相關(guān)，電動(dòng)汽車最大動(dòng)力因數(shù)式中，Tsmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩；Dmax為最大動(dòng)力因數(shù)電動(dòng)汽車最大爬坡度為imax為最大爬坡度。20％以上，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。汽車通過(guò)4％坡的行駛車速接近70km/h，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的60km/h；通過(guò)12％坡度的行駛車速約為36km/h，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30km/h電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性特征是低速區(qū)恒轉(zhuǎn)矩輸出，高速區(qū)恒功率輸出。電機(jī)本身具有很寬的工作范圍，基本不必通過(guò)變速機(jī)構(gòu)或多擋變速機(jī)構(gòu)即可提供汽車正常行駛所需要的動(dòng)力性能。因此繪制出來(lái)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖、加速度圖以及爬坡度圖比燃油汽車的簡(jiǎn)單。電動(dòng)汽車最高車速電動(dòng)汽車加速能力電動(dòng)汽車最大爬坡度二、純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)常用的指標(biāo)是以一定的速度或循環(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(lái)衡量，主要有續(xù)駛里程和單位里程能量消耗定義：電動(dòng)汽車電池組充滿電后可連續(xù)行駛的里程分類：等速續(xù)駛里程和循環(huán)工況續(xù)駛里程。作用：此項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于綜合評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車電池組、電機(jī)及傳動(dòng)效率、電動(dòng)汽車實(shí)用性具有積極意義。但此指標(biāo)與電動(dòng)汽車電池組裝車容量及電池水平有關(guān)，在不同車型和裝配不同容量電池組的同種車型間不具有可比性。即使裝配相同容量、同種電池的同一車型，續(xù)駛里程也受到電池組狀態(tài)、天氣、環(huán)境因素等使用條件的影響而有一定的波動(dòng)。續(xù)駛里程分類：?jiǎn)挝焕锍屉娋W(wǎng)交流電能量消耗率和電池組直流電能量消耗率交流電能量消耗率受不同類型充電設(shè)備的效率影響；直流電能量消耗率僅以車載電池組的能量狀態(tài)作為標(biāo)準(zhǔn)，脫離了充電機(jī)的影響，可以比較直接地反映電動(dòng)汽車的實(shí)際性能。定義：交流電能量消耗率是指電動(dòng)汽車經(jīng)過(guò)規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)后對(duì)動(dòng)力蓄電池重新充電至試驗(yàn)前的容量，從電網(wǎng)上得到的電能除以續(xù)駛里程所得的值。Ei為電動(dòng)汽車交流電能量消耗率，W·h/km；Ed為蓄電池在充電期間來(lái)自電網(wǎng)的能量，W·h循環(huán)工況續(xù)駛里程是指充滿電后，基于一定的運(yùn)動(dòng)工況需求進(jìn)行行駛，其所能實(shí)現(xiàn)的最大的行駛里程。運(yùn)動(dòng)工況主要有NEDC循環(huán)工況和60km/h工況。電動(dòng)汽車NEDC循環(huán)工況由4個(gè)市區(qū)循環(huán)和1個(gè)市郊循環(huán)組成，理論試驗(yàn)距離為11.022km，試驗(yàn)時(shí)間為19min40s，如下圖1所示。圖中①代表市區(qū)循環(huán)，②代表市郊循環(huán)，③代表基本的市區(qū)循環(huán)。單位里程能量消耗圖1NEDC循環(huán)工況圖2市區(qū)基本循環(huán)圖3市郊循環(huán)圖4市郊循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)二、純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法交流電能量消耗率評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅與電動(dòng)汽車本身的經(jīng)濟(jì)性有關(guān)，還受電網(wǎng)、充電設(shè)備等影響，因此，可以選擇以動(dòng)力電池組的直流電能量消耗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。電動(dòng)汽車單位里程能量消耗率

Ep為電動(dòng)汽車直流電能量消耗率，kW·h/km；Pei為汽車工況行駛的功率需求，kW；ti為工況行駛時(shí)間，h；Si為工況行駛的距離，km電動(dòng)汽車減速行駛包含2種情況，一種是滑行減速或無(wú)再生制動(dòng)功能下的制動(dòng)減速，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于關(guān)斷狀態(tài)，電能輸出為零，電動(dòng)汽車單位里程能量消耗率為零；另一種是有再生制動(dòng)功能下的制動(dòng)減速，此時(shí)車輪拖動(dòng)電機(jī)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。電動(dòng)汽車能量消耗為負(fù)，即動(dòng)力電池處于充電工作狀態(tài)。汽車行駛功率需求為汽車某時(shí)刻的行駛速度加速工況A等速工況B減速工況對(duì)于駐車工況，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于關(guān)斷狀態(tài)，電動(dòng)汽車單位里程能量消耗率為零。C駐車工況D汽車加速工況行駛的距離為汽車加速時(shí)間在加速工況，電動(dòng)汽車單位里程能量消耗率是加速段起止速度平方和的函數(shù)，在平均速度相同的情況下，加速段起止速度平方和小的能耗低。提高起始速度和增加速度間隔，單位里程能耗都將增加電動(dòng)汽車加速工況單位里程能量消耗量汽車行駛功率需求汽車等速行駛距離電動(dòng)汽車等速工況單位里程能量消耗量在等速工況，電動(dòng)汽車單位里程能量消耗率是速度平方的函數(shù)，提高行駛速度，單位里程能耗將增加電動(dòng)汽車能量消耗主要發(fā)生在加速和等速運(yùn)行工況，減速和駐車階段能量消耗可忽略不計(jì)。汽車減速工況行駛的距離為電動(dòng)汽車整個(gè)循環(huán)的能量消耗率為二、純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程汽車在良好的水平路面上一次充電后等速行駛直至消耗掉全部攜帶的電能為止所行駛的里程，稱為等速行駛的續(xù)駛里程，它是電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)之一。電池?cái)y帶的額定總能量

Em為電池?cái)y帶的額定總能量，W·h；Cm為電池的額定容量，A·h；Um為電池的端電壓，V；Gm為電動(dòng)汽車攜帶的電池總質(zhì)量，kg；q為電池比能量，W·h/kg等速行駛續(xù)駛里程多工況續(xù)駛里程式中，Sd0為汽車等速工況行駛的距離，km。式中，S為多工況續(xù)駛里程，km；Si為每個(gè)狀態(tài)行駛的距離，km；k為車輛能夠完成的狀態(tài)總數(shù)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響因素較為復(fù)雜，其中最主要的因素是動(dòng)力電池。續(xù)駛里程與電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中所消耗的能量密切相關(guān)，影響因素主要來(lái)自電動(dòng)汽車行駛的外部條件和電動(dòng)汽車本身的結(jié)構(gòu)條件。二、純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素02空氣阻力系數(shù)越小，續(xù)駛里程越長(zhǎng)；速度越快，空氣阻力系數(shù)對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響越明顯。通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行流線型設(shè)計(jì)，底部做成光滑表面，同時(shí)取消散熱器罩等措施，可以降低空氣阻力系數(shù)?？諝庾枇ο禂?shù)對(duì)續(xù)駛里程的影響04整車重量越大，續(xù)駛里程越短；并且不同速度時(shí)，續(xù)駛里程也不相同。為了降低整車總重量，可通過(guò)采用輕質(zhì)材料的方法實(shí)現(xiàn)。整車重量對(duì)續(xù)駛里程的影響06行駛工況行駛環(huán)境輔助系統(tǒng)和低電壓電器系統(tǒng)續(xù)駛里程其他影響因素的分析01輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)越小，續(xù)駛里程越大。降低輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)可明顯增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。特別是對(duì)低速、整車重量較大的電動(dòng)汽車，尤其如此。采用滾動(dòng)阻力系數(shù)小的子午線輪胎，增大輪胎氣壓等是增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的重要途徑。滾動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)續(xù)駛里程的影響03提高電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率，能有效地增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。電動(dòng)汽車整車重量越小，行駛速度越低，機(jī)械效率對(duì)續(xù)駛里程的影響越大。機(jī)械效率對(duì)續(xù)駛里程的影響05蓄電池參數(shù)包括很多，這里主要從蓄電池的放電深度、電池比能量、電池箱串聯(lián)電池個(gè)數(shù)、電池箱并聯(lián)電池組數(shù)、自行放電率等幾個(gè)方面分析。蓄電池參數(shù)對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響二、純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素蓄電池的放電深度越大，電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程就越大；同時(shí)，速度和負(fù)荷對(duì)續(xù)駛里程的影響也很明顯。當(dāng)電動(dòng)汽車攜帶的電池總量一定時(shí)，電池參數(shù)中電池的比能量對(duì)續(xù)駛里程影響最大，可見(jiàn)提高電池的比能量對(duì)提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程意義重大。蓄電池的自行放電率是指在電池的存放期間容量的下降率，即蓄電池?zé)o負(fù)荷時(shí)自身放電使容量損失的速度。顯然，自放電率越大，電池在存放期間的容量的損失就越多，能量的無(wú)用損耗越多，相應(yīng)的電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程也就越短。

放電深度自行放電率串聯(lián)電池個(gè)數(shù)電池比能量并聯(lián)電池組數(shù)

增加每個(gè)電池箱串聯(lián)電池的個(gè)數(shù)，電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程明顯增加。一方面由于增加了電池的數(shù)量，可以增加電池組的總能量?jī)?chǔ)備；一方面由于電池組的電壓增高，在電池放電效率相同的情況下，減小了電池的放電電流，可以增加電池組的有效容量。在增加電池?cái)?shù)量的同時(shí)，也增加了電動(dòng)汽車的總重量，從而增加了電動(dòng)汽車的能量消耗，降低了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。但每個(gè)電池箱電池?cái)?shù)量的增加，會(huì)增加電池組的電壓，電動(dòng)汽車的動(dòng)力性會(huì)得到提高蓄電池參數(shù)對(duì)續(xù)駛里程影響在保持電池組總電壓的情況下，增加并聯(lián)電池箱的數(shù)量可顯著增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。一方面增加了電池的數(shù)量，可增加電池組的總能量?jī)?chǔ)備；一方面由于并聯(lián)支路的增加，在各并聯(lián)支路電池箱不超過(guò)額定放電電流的情況下，可以增加電池組總的放電電流，從而增加電池組的額定容量。增加電池箱并聯(lián)數(shù)量，可提高電池組的放電功率，電動(dòng)汽車的動(dòng)力性會(huì)顯著提高。因此，增加電池箱并聯(lián)數(shù)量可提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程。但是，隨著電池?cái)?shù)量的增加，電池占整車重量的比重和電動(dòng)汽車的總重量都將增大，這將增加電動(dòng)汽車的能量消耗，降低電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。二、純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響因素030201行駛工況對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程影響很大。對(duì)于恒速行駛，電流隨速度的增加而增加，每千米消耗的電能隨速度的升高而增加，電池的放電容量則隨速度的升高而減小，故其續(xù)駛里程隨行駛速度的升高而減少。在相同的車輛條件下，電動(dòng)汽車行駛的道路情況與環(huán)境氣候?qū)﹄妱?dòng)汽車行駛的續(xù)駛里程有很大影響。如氣溫的高低一方面對(duì)電池的有效容量有很大影響；另一方面也會(huì)影響電動(dòng)汽車的總效率（電機(jī)效率、機(jī)械傳動(dòng)效率和電器元件的效率等）和通風(fēng)、冷卻、空調(diào)所消耗的能量。另外，風(fēng)力的方向與大小、道路的種類（摩