纯电动车经济性能影响因素仿真.doc

纯电动车经济性能影响因素仿真
，1
摘要：分析纯电动汽车经济性能的影响因素，对纯电动汽车的使用具有重要意义。但是在对纯电动汽车经济进行研究分析中，系统模型建立是很复杂的，本文建立昌河铃木纯电动汽车为原型的ADVISOR仿真模型，着重于经济性能仿真，分析影响汽车经济性能的参数，由仿真分析可为实车实验的参数匹配提供参考。同时，对纯电动汽车的使用具有指导意义。

关键词：纯电动汽车 经济性能 ADVISOR 仿真

中图分类号：U469.72 文献标识码：A
The Simulation of key factors affect on Blade Electric Vehicles
Yang Ji
( School of Transportation and Automotive Engineering, Chengdu, Sichuan 610039; 312011080306331)
Abstract: It is of great significance to analysis the factors on the economic performance of Blade Electric Vehicles (BEV) for its exertion .But it is very complicated to establish the system model during the process of investigating the economic performance of Blade Electric Vehicles .In order to analysis the economic performance parameters of Blade Electric Vehicles and provide reference for matching the real vehicle experiment parameters based on ADVISOR simulated analysis.At the same time ,it has a guiding significance for the exertion of Blade Electric Vehicles.
Keywords: Blade Electric Vehicles (BEV) ;Economic performance;ADVISOR;Simulation
1 纯电动汽车经济性能指标
纯电动汽车是以二次电池为储能载体二次电池以铅酸电池镍氢电池埋离子电池为主。由于二次电池目前在储电量、充放电性能、使用寿命、成本等方面无法与内燃机相比，因此近一时期以来，研究进展不大，大多数研究单位已将研究目标转为混合动力汽车。纯电动汽车的经济性能是在保证动力性的前提下，汽车以尽量少的能量消耗行驶的能力，纯电动汽车在等速行驶、加速行驶和循环工况下的能量消耗率和续驶里程来决定经济性能的优劣。车辆能耗经济性评价常用的指标都是以一定的车速或者循环行驶工况为基础，以车辆行驶一定里程的能量消耗量或一定能量可反映出车辆行驶的里程来衡量。纯电动汽车能量消耗率是动力电池存放的电量维持汽车某一工况下运行的能力，如单位里程消耗的能量、百公里消耗能量；续驶里程是指纯电动汽车从动力电池全充满状态开始到试验规定结束时所走过的里程，如以45km/h行驶的里程等。为了使电动汽车能耗经济性评价指标具有普遍性，其评价指标应该具有以下三个条件：
（1）可以对不同类型的电动汽车进行比较；
（2）指标参数值与整车存储能量总量无关；
（3）可以直接通过参数指标进行能耗经济性判断；
不同的纯电动汽车在不同的行驶工况下能量消耗率和续驶里程可能会不同，很难用统一的公式进行计算，下面将运用仿真的方法得出纯电动汽车的续驶里程和能量消耗率。
2 铃木电动车仿真分析
根据目前国内外有关学者对纯电动汽车的研究结论，可以看出，纯电动汽车的研发出现了难以进行下去的问题。一方面是由于纯电动汽车面临的成本和续驶里程等问题，一直没有很好的解决;另一方面，和人们对电动汽车的要求过于完美化，提出不切实际的过高要求有关。因此，对纯电动车经济性能影响因素的分析和研究，可以对解决这个问题找到一些方法或者启示。
电动汽车仿真软件ADVISOR由美国国家再生能源实验室开发，使用后向仿真为主、前向仿真为辅的混合设计方法，具有车辆总成参数匹配与优化、传动/驱动系统能量转化分析、排放特性/能量消耗对比、车辆能量管理策略评价、整车综合性能预测分析等功能。以下是铃木某款纯电动车的整车部分参数，汽车采用永磁电机和镍氢电池，并建立ADVISOR的仿真模型，分析影响纯电动汽车经济性能的参数[1]阮静娴.基于ADVISOR软件的纯电动车经济性能仿真[D]武汉理工大学博士论文.2010(05)
[2]陈志雄，钟少华.基于ADVISOR纯电动汽车动力性能仿真[J]新能源汽车.2007（9）
[3]石庆生.纯电动汽车能量管理关键技术问题的研究[D]山东大学博士论文.2009(04)
[4]高云.基于ADVISOR的纯电动汽车整车性能参数化分析[J].2011(12)
[5]王贵明，王金懿.电动汽车及其性能优化[M].机械工业出版社.2010.5
[6]张翔.电动汽车建模与仿真的研究[D]合肥工业大学博士论文.2004(10)

表1. 仿真参数
项目
单位

整车整备质量
空气阻力系数
迎风面积
轴距
最大载荷
电机最大功率
电机额定电压
电机最大扭矩
电池容量
主减速比
kg

mm
kg
kw
V
Nm
Ah
1350
0.3
2
2400
300
50
312
200
60
2.1
模型建立：由这些参数建立仿真模型

图1. 仿真模型
道路循环工况选择CYC_ECE_EUDC

图2. CYC_ECE_EUDC

图3. 续驶里程
3 参数匹配及仿真
影响纯电动汽车经济性能因素很复杂，模型建立较为复杂，因此只对一般的参数进行仿真，分析其对纯电动汽车经济性能的影响。
3.1蓄电池的数学模型
镍氢电池是一种新型环保的高容量二次电池，其特性和镍镉电池相似，只是以吸藏氢气的合金材料(MH)取代了镍镉电池中的负极材料镉(Cd)。较之上述其它电池，镍氢电池有许多优点：能量密度高，是镍镉电池的1.5~2倍；可快速充放电，低温性能好；可密封，耐过充放电性能强；无毒无环境污染，不使用贵金属；无记忆效应[16]。在当前的电动汽车仿真软件中，电池模型多采用内阻模型。内阻模型将电池看成是一个理想的电压源和一个电阻串联的等效电路[13]，简化模型如图2-4所示。

图 4 内阻模型等效电路
图中 E0——单体电池电动势(V)；
U——工作电压(V)；
I——工作电流(A)；
Rint——等效内阻()。
由图4所示得到电池的电压特性方程为：
(3—1)
电池电动势E0和内阻Rint受多个因素的影响，数值随电池状态时时变化，但通常只考虑主要因素的影响，例如在电动汽车的仿真软件ADVISOR中，内阻模型将E0和Rint看做荷电状态SOC（State of charge）和温度T的函数。下面为了简化计算，暂将其视为常数。得到，
电池的放电功率为：
(3—2)
电池的放电效率为：
(3—3)
电池的最大输出功率为：
(3—4)
是一个理论的计算值。在实际应用中为了防止过大的放电电流而产生过大的热量进而影响到电池的寿命，通常要求电池工作电压处于2/3~1倍的E0内，这样也可以保证电池具有较高的效率。故在实际应用中电池的最大功率应限制为：
(3—5)
蓄电池储存的总能量[6]:
(3—6)
式中 ——单个电池组的容量(Ah)；
——单个电池组的电压()；
——电池组的数目；
——电池组的放电深度，用百分数表示。
3.2整车能量
整车能量消耗为：
(3—7)
(3—8)
式中 ——每个状态的电动汽车的行驶速度(km/h)；
——每个状态电动汽车消耗的功率(kW)；
——电动汽车总的传动效率，它与主减速器及变速器各速比有关。
蓄电池存储的总能量[41]：
(3—9)
式中 ——单个电池组的容量(A·h)；
——单个电池组的电压(V)；
—— 电池组的数目；
——电池的放电深度，用百分数表示。
考虑到电池通常以高于额定电流的电流放电，所以电池的总能量要相应减少[42~44]，则有：
(3—10)
当时，；
当，。
等速行驶时的续驶里程：
(3—11)
综上，建立遗传算法的目标函数：
(3—12)
式中 ，——加权系数；一般加权系数是根据经验依据所侧重的性能来确定的，这里目标函数中的整车能量消耗和续驶里程两者之间是相互联系的，整车能量消耗越少，相同的蓄电池条件下，续驶里程就会越长。

3.1 电池电容对纯电动汽车经济性影响
在铃木上述铃木纯电动汽车的基础上将电池电容分别变为20Ah，30 Ah，40 Ah，50 Ah进行仿真[7]徐国凯，赵秀春，苏航.电动车的驱动与控制[M].电子工业出版社.2010.6
[8]夏德建.电动汽车研究综述[J].能源技术经济.2010（7）
[9]张祥，赵韩，钱立军.电动汽车仿真软件ADVISOR[J].汽车研究与开发.2003(04).
[10]艾新平，杨汉西.电动汽车与动力电池[J]电化学.2011（5）

图5. 全工况下电容影响电池soc变化情况

图6. 单循环工况下电容影响电池soc变化情况
表2. 续驶里程
电池容量（Ah） 10
20
30
40
50
60
续驶里程（km） 30.1
60
89
118.1
148.8 177.9
图5、图6中相同颜色的曲线代表相同电池容量，表2可知，由单循环工况就能够看出，随电池容量的增加纯电动汽车续驶里程也相应增加。电池容量是纯电动汽车续驶里程的重要影响因素。

3.2 电池电量对纯电动汽车经济性能的影响
相同电池容量的电池模块组数越多则电量越大，电池模块数分别设置为30，33，36，40，44，47，50，进行仿真，得到仿真结果如下

图7. 全工况下电量影响电池soc变化情况

图8.单循环工况下电量影响电池soc变化情况
表3. 续驶里程
电池组数 30
33
36
40
44
47
50
续驶里程（km）132.9
147.2
160.2
177.9
195.4 209
223.2
图7、图8中相同颜色的曲线代表相同电池组数，电量相同，由表3可以清楚的看到电池组数越大续驶里程越大，但电池组数越多汽车整车质量将加大，又会对汽车动力性能影响，必须在满足动力性能的前提下研究其经济性能。

3.3电机功率对经济性能的影响
电机驱动系统是电动汽车中最关键的系统，驱动系统的类型和性能直接决定了电动汽车的运行性能。作为电动汽车的牵引电机，应具有宽的调速范围、高的转速及足够大的起动转矩，还要求体积小、重量轻、效率高，并且能实现动态制动和能量回馈。由于直流电机具有良好的起动能力和调速性能，早期开发的电动汽车大多数都采用直流电机作为驱动电机。然而随着电子技术和自动化技术的发展，以及各种高性能电力电子元件的出现，交流调速技术有了迅速的发展，现已经能够获得同直流电机一样优良的调速性能。而且交流感应电机所具有的结构简单、运行可靠和维护方便等优点非常适合电动汽车的要求。所以，在近来的电动汽车研制中，驱动系统都竞相采用交流感应电机。
车架电动机的功率包括额定功率和最大功率。电动机的功率选的越大，则电动汽车的后备功率越多，加速度和爬坡性越好，但同时电动机的体积和质量也会迅速增加，而且会使电动机不能经常工作在峰值功率附近，使电动机的效率下降。因此，电动机的功率不能选的太大，应该依照电动汽车的最高行驶车速、爬坡和加速性能来确定电动机的功率[13~18]。设计中常以先保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率。已知电动机期望的最高车速，选择的电动机功率应大体上等于但不小与汽车以最高车速行驶时行驶阻力消耗的功率之和。电动汽车以最高车速行驶消耗的功率：
(3—13)
式中 ——整车质量();
——滚动阻力系数；
——迎风阻力系数；
——迎风面积()。
电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率：
(3—14)
式中 ——电动汽车行驶速度();
——坡度。
电动汽车在水平路面上加速行驶消耗的功率：
(3—15)
(3—16)
式中 ——汽车旋转质量换算质量；
——车轮的转动惯量()；
——飞轮的转动惯量();
——车轮半径();
——变速箱传动比；
——主减速器传动比。
总之，电动汽车的电动机功率应能同时满足汽车对最高车速、加速度及爬坡度的要求。所以电动汽车电动机的额定功率：
(3—17)
电动机的最大功率：
(3—18)
式中 ——机械传动系统效率；
——电动机的过载系数。

电机作为纯电动汽车的动力部件，它的性能参数是否会对电动汽车的经济性能产生影响。下面对电机功率做仿真分析。

图9. 全工况下电机功率影响电池SOC值情况
电机功率(kw)
10
20
30
40
50
续驶里程(km)
228.3
213.2
202.4
188.7
177.9
表4. 续驶里程
由图9和表4可以看出电机功率越大纯电动汽车的续驶里程越小，电机功率越大汽车的动力性能可能会更好，但其相对质量就越大，需要更多的能量维持运行；反而功率越小，电池更多的电能可供行驶，续驶里程就越大，但是太小了可能又达不到汽车动力性要求，因此电机功率应满足其能够胜任动力性要求，同时达到最经济最合理。
3.4能量消耗分析
能量消耗作为经济性能优劣的另一指标，因为其评判标准较多，建模较为复杂，本文由汽车等速行驶所消耗的能量来评价，由计算公式：能量消耗=电池全充满的电量/总续驶里程，并通过拟合得到经验公式。又图9可以看出，纯电动车经济性能最佳的车速为40千米每小时，在低于或者高于该区域的地方，能量的消耗都相对较高。因此将设计车速控制在40千米每小时，对降低能量的消耗又很大的好处。

图10. 纯电动汽车等速行驶能量消耗与车速关系
经验公式：
, , , .

4 结论
以上的仿真对评判纯电动汽车经济性能的指标续驶里程和能量消耗进行了仿真，从影响续驶里程和能量消耗的一些参数入手仿真，确实可看到对汽车经济性的影响程度。随电池容量的增加纯电动汽车续驶里程也相应增加；电机功率越大纯电动汽车的续驶里程越小，电机功率越大汽车的动力性能可能会更好，但其相对质量就越大，需要更多的能量维持运行；反而功率越小，电池更多的电能可供行驶，续驶里程就越大；纯电动车经济性能最佳的车速为40千米每小时。仿真结果可以为实验和实车参数匹配提供理论参考，同时也可以为提高纯电动汽车的经济性能带来一些启示。

参考文献
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