电动汽车动力性及经济性综合评价研究.docx

电动汽车动力性及经济性综合评价研究 王慧怡 郭崇摘要：为了更有针对性的评价电动汽车的性能指标，针对电动汽车对动力性和经济性的要求，提出一种基于电动汽车能耗分析的经济性评价方法，以及动力性、经济性综合评价方法，对电动汽车实施性能评价。分别从整车参数角度和经济性测试方案两方面对主要影响因素进行了分析，建立了整车能耗分析模型，并研究了国际上最新的电动汽车经济性评价方法。提出了电动汽车动力性、经济性综合评价方法，其中包括循环工况、评价指标选取，以及评价指标的权值确定。基于两款目标车辆以仿真的形式对动力性、经济性做出了综合评价。根据电动汽车的构型特点，对其功率流消耗流向，尤其是动力系统部件损耗进行了分析，并搭建了考虑系统损耗特性的整车模型，为电动汽车经济性影响因素的明确提供了理论依据。在电动汽车动力性、经济性综合评价方面，选取了动力性、经济性指标，并提出了基于熵值法确定权值的确定方法，最终选取目标车型对方法的可行性做出了验证。试验结果显示了两种车型的性能对比，研究表明：评价方法具有完整性和可行性，对提高整车性能指标，改善使用认可度和驾驶感受有着重要意义。关键词：电动汽车；能耗分析；动力性；经济性；综合评价在动力性方面，我国电动汽车动力性评价指标主要是依据是国标 GB/T 18385 2005 电动汽车动力性试验方法，主要评价指标包括最高车速，30分钟最高车速，加速能力，爬坡车速，坡道起步能力等。在经济性方面，经济性评价指标主要依据国标GB/T 18386 2005 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法，测试工况分为60km/h和NEDC循环工况，评价指标主要有能量消耗率和續驶里程。针对经济性评价而言，不同的国家，在选择循环工况和方案时有着不同的规定和标准，对于行驶工况的开发而言，最初是针对传统的燃油汽车的排放以及油耗的检测，当前，针对新能源汽车，特别是电动汽车，还没有形成针对性的行驶工况的评价体系，在进行评价和实车测试时，还是遵循传统汽车的行驶工况来进行，例如参考欧洲经济委员会的ECE-15的标准，以及为了满足市郊路面的行驶状况而修改的EUDC市郊工况；另外还有日本所推出的10？15工况和其最新修订的JC08工况；美国相继也制定了一些工况标准，如：UDDS、SAE等。对于我国的国标而言，除了所指出的NEDC工况外，一些研究单位和科研院所还针对不同地区的路况建立了一些典型的工况数据，如北京地区的工况、长春地区的工况以及西安地区的工况等，基于这些工况来对整车的路面性能进行评价1-3。此外，针对评价纯电动汽车最高车速、爬坡能力、加速时间、能量消耗率以及续驶里程等动力性与经济性评价指标，不同的车型有着不同的性能指标，而对于相同的车型，由于有着不同的电动机参数和传动系统参数的匹配，导致其能耗和动力性之间也存在着差异。在选择车型和实施定量计算时，如果对于一个车型而言，其方案选择和性能指标相对于另一个车型较高时，性能优势较为明显，倘若各指标之间优劣交错，这就需要重新对比评价。对此，在各国国家标准中还少有提及车辆的综合评价标准4-6。1 电动汽车动力性评价指标对于纯电动汽车而言，动力性需求方面，和传统汽车基本类似，在GB18385-2005中所列出的评定车辆动力性的参数主要是加速时间、最高车速和最大爬坡能力。1.1 最高车速对于最高车速而言，主要有两种类型的指标，分别是30分钟最高车速和1Km最高车速，以上两个指标都是基于所设定的条件下所能实现的平均车速，主要是用来评定纯电动汽车的高速行驶的性能状况。在纯电动汽车中，传动系统的速比和驱动电机的最高转速决定了纯电动车的最高车速情况，在不考虑实际的坡道的阻力时，对于基于最高车速所需要的动力系统的最大的功率为：（1）（4.1）纯电动汽车在高速行驶过程中，对于影响整车功率需求的最主要因素而言，主要就是空气阻力，对于纯电动汽车而言，其最高车速一般介于100-160km/h的范围内，如果不考虑实际滚动阻力，基于最高车速的功率和车速之间呈三次方的比例。1.2 爬坡性能对于爬坡性而言，主要是用来评定整车的低速通过性和大负载状态的通过性能，在对其进行评定时，一般是用所规定的爬坡车速所能达到的最大坡度来表示，在进行最大爬坡度的设定时，一般会比实际的道路坡度要高，对于爬坡度指标而言，一般是介于2030%之间的范围内。如果在某一坡度路面上基于最低的车速行驶，则其动力系统的最大的功率需求为：（2）（4.2）其中，是所设计的最低通过车速，通常为1520km/h；为最大坡度角，。对于动力系统，特别是驱动电机系统来说，最大爬坡性能主要受电机的低速最大转矩输出能力和短时过载能力的影响。1.3 加速性能在整车的实际运行中，加速行驶过程是最为常见的行驶工况之一，一般将其定义为，自一定车速实现向另一车速的加速所需要的最少的时间。在国标中关于减速性能的测试有着如下的规定：以050km/h和5080km/h两个时间实施评价，其中，通过050km/h的测试可以对政策的起步加速能力进行评定，而对于5080km/h的测试模式而言，主要是对中等车速时的加速超车能力进行评定。但是，当前的加速测试主要是将0100km/h的加速测试作为加速性能测试的方法。对于整车的实际加速性能而言，在很大程度上决定于电机的全速调速范围内的实际的转矩输出的能力，也就是与所配置的电机系统所对应的最大的输出功率的能力。在实际的加速过程中，对于所需要的最大的功率而言，主要是在实现了目标车速时所需要的功率，也就是：（3）（4.3）在以上的公式中，用表示旋转质量换算系数；用表示加速后期车速；用表示加速后期加速度。基于以上的论述，在纯电动汽车中，主要是通过动力性来表示其所能达到的整车极限运动的特性，在很大程度上取决于所搭载的动力系统所能输出的转矩和功率，可以说，这是实现纯电动车基本性能的基础。2 电动汽车经济性评价指标在评定纯电动车的经济性能指标时，一个关键性能参数就是单次充电所能实现的最大行驶里程或者其实际的能量消耗，在我国的相关标准中，对此也作了相应的规定。在国标中的规定是：对于单次充电的续驶里程而言，主要是指基于标准的要求，在实现充电至满后，基于一定的运动工况需求进行行驶，其所能实现的最大的行驶里程。对于以上所提及的运动工况主要有NEDC循环工况和60km/h工况，其中，在图1中列出了NEDC工况的车速和时间历程。Fig.1 Schematic NEDC conditions图1 NEDC工况示意图在NEDC循环工况中主要涉及一个市郊循环和4个市区循环，将其时间设定为19min40s，将其理论距离设定为11.022km，如果所试验车辆的实际车速无法跟随所设定的车速，相差达一定值后，则表示试验结束。在完成了标准中所规定的试验循环后，对电池进行重新充电，保证实现试验前的电池容量，用所得到的电网的电能去除行驶里程，则得到能量消耗率，其单位为Wh/km，表示为（4）在以上的公式中，用表示蓄电池在充电期间来自电网的能量，其具体单位为Wh，用表示在试验期间电动车所能行驶的总距离也就是通常所说的续驶里程，其单位为km。经济性测量结果的准确程度要受到测试环境的影响，在国标中对室外的环境温度的规定是要介于532之间，而对室内环境的温度规定是要介于2030之间。3 熵值法熵值法（ Entropy method）是较为客观的一种赋权法，在实际应用中，基于各个指标所能体现的信息量的大小来对指标的时间权重进行确定。就具体的应用来说，所选择的正向型指标主要是：爬坡能力、最高车速以及续驶里程等，所选择的逆向型指标主要是耗电量以及加速能力等。下面对基于熵值法的权值确定方法进行描述。首先，设有m个方案，则评价矩阵为：（5）将作正向化处理后，对于正向指标：（6）对于逆向指标：（7）计算第个指标下第个方案数值所占的比重：（8）计算第个指标的熵值：（9）式中，确定第个指标的权重：Fig.2 WLTP-3 conditions to follow the target vehicle speed curve图2 WLTP-3工况下目标车型车速跟随曲线（10）通过上述过程，对任意一款车型的最高车速、加速能力、百公里耗电量以及爬坡能力等经济性和动力性指标进行加权处理，提出动力性、经济性综合评价指标。4 目标车型综合评价结合电动汽车动力性、经济性的评价指标，以爬坡能力、续驶里程、最高车速、加速能力、百公里耗电量等作为相应的参数指标，通过对指标参数的加权综合，体现各个指标在综合评价体系中的地位和重要程度。在本文中主要是基于客观赋权法，构建不同指标之间的相互的关系或者根据各个指标所对应的变异的程度来确定权重，并构建了纯电动汽车动力性经济性综合评价的指标体系。根据WLTP测试方法，对两目标车型根据功率比质量参数进行分类，车型一PWr=55wh/kg，车型二PWr=54 wh/kg，均属于3类工况，基于WLTP-3类行驶工况对目标车型经济性能指标进行仿真，其工况跟随曲线如图2所示，整车性能指标如表1、2所示。表1 目标车型1参数Table 1 Model 1 parameters外观参数车辆总质量1525kg风阻系数0.28迎风面积1.6m2电机规格电机类型永磁同步电机最大扭矩200N.m最大功率75kW電池规格电池类型锂离子电池总容量66Ah总电压345vSOC变化范围0.95-0.15行驶装置轮胎滚动半径0.301m表2 目标车型2参数Table 2 Model 2 parameters外观参数车辆总质量1390kg风阻系数0.284迎风面积1.97m2电机规格电机类型永磁同步电机最大扭矩240N.m最大功率85kW最高转数10000rpm额定转速3000rpm电池规格电池类型锂离子电池总容量80Ah总电压320v（220v420v）SOC變化范围0.95-0.15动力传动装置主减速比6.058行驶装置轮胎滚动半径0.301m表3目标车型性能指标Table3 Target vehicle performance工况最高车速（km/h）050km/h加速时间（s）最大爬坡度（%）能耗（kwh/100km）续驶里程（km）车型1WLTC-31105.52012150车型2WLTC-312072514.06160将表3中性能指标进行处理，得到标准化矩阵为：根据上述权重确定方法，得到权重：计算得到相应的理想解和负理想解及贴进度分别为：由于，所以车型一的动力性经济性综合性能优于车型二。5 结论选取了两款目标车型，采用整车模型和描述的测试循环工况，分别对目标车型进行了仿真，得到所提出的综合评价方法所需的相关动力性、经济性参数，并对参数进行了综合处理，得到了综合评价指标，根据综合评价指标对两车性能做出了对比，验证了评价方法的完整性和可行性。参考文献：1Birnbaum Z. 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