純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的設(shè)計(jì)與校核研究

張洪雷，張永，肖巖

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純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的設(shè)計(jì)與校核研究

張洪雷，張永，肖巖

（浙江合眾新能源汽車有限公司試制試驗(yàn)部，浙江 嘉興 314000）

文章提出了一種基于經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的純電動(dòng)汽車電池參數(shù)設(shè)計(jì)方法，該方法應(yīng)用于純電動(dòng)汽車總體框架和動(dòng)力總成系統(tǒng)選型完成以及各類工況下續(xù)駛里程指標(biāo)明確之后，目的是根據(jù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)匹配上合適的電池包容量。文章使用各類工況續(xù)駛里程指標(biāo)為依據(jù)對(duì)電池包容量冗余設(shè)計(jì)，并將能耗指標(biāo)與能量回收貢獻(xiàn)率指標(biāo)作為校驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)證明，該方法有效可靠，滿足設(shè)計(jì)階段的電池容量匹配設(shè)計(jì)需求。

純電動(dòng)汽車；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；電池

前言

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、外交關(guān)注的焦點(diǎn)。中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，離不開有力的能源保障[1]。發(fā)展純電動(dòng)汽車不僅為消費(fèi)者的出行便捷經(jīng)濟(jì)服務(wù)，更是國(guó)家乃至人類尋求解決能源安全問(wèn)題的重要途徑。

電動(dòng)汽車以其使用過(guò)程中零污染、噪聲低、能源效率高等特點(diǎn)，在各國(guó)的城市低碳交通建設(shè)中的作用備受期待。然而，由于電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛能力不及燃油車與配套充電基礎(chǔ)設(shè)施滯后等問(wèn)題，制約了電動(dòng)汽車的發(fā)展[2]。隨著電池能量密度提高[3]，電池快充技術(shù)發(fā)展[4]，汽車輕量化技術(shù)提升[5]，在綜合性價(jià)比上純電動(dòng)汽車與燃油汽車已經(jīng)越來(lái)越接近。

在純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)初期，由市場(chǎng)營(yíng)銷部或戰(zhàn)略規(guī)劃部提出產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。這些指標(biāo)可分為3類：續(xù)駛里程指標(biāo)，百公里能耗指標(biāo)，能量回收貢獻(xiàn)率指標(biāo)。研發(fā)部門則根據(jù)指標(biāo)需求對(duì)電動(dòng)汽車電池包容量，能量回收策略等參數(shù)設(shè)計(jì)確定。本文將不同工況下的續(xù)駛里程指標(biāo)作為設(shè)計(jì)輸入，將百公里能耗指標(biāo)與能量回收貢獻(xiàn)率指標(biāo)作為校驗(yàn)指標(biāo)，以完成純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)工作。

1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)定義與分類

《GBT 18386-2017 電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》[6]中定義了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程與能量消耗率及其測(cè)試方法。關(guān)于能量再生系統(tǒng)的定義及其測(cè)試方法目前僅有報(bào)批稿《QC_T 1089-2017 電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)要求及試驗(yàn)方法(報(bào)批稿)》[7]。依據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，在純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段我們主要設(shè)計(jì)和校核如下指標(biāo)：續(xù)駛里程指標(biāo)、百公里能耗指標(biāo)，能量回收貢獻(xiàn)率指標(biāo)。

1.1 續(xù)駛里程指標(biāo)

《GBT 18386-2017 電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》對(duì)續(xù)駛里程的測(cè)試與計(jì)算有如下規(guī)定：對(duì)于M1/N1/最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不超過(guò)3500kg的M2類車的工況法續(xù)駛里程試驗(yàn)，應(yīng)在底盤測(cè)功機(jī)上采用NEDC循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)；直到車速不能滿足工況規(guī)定的公差停止試驗(yàn)。記錄試驗(yàn)車輛駛過(guò)的距離D，用km來(lái)表示，測(cè)量值按四舍五入圓整到整數(shù)；同時(shí)記錄用小時(shí)（h）和分（min）表示的所用時(shí)間。[6]

1.2 百公里能耗指標(biāo)

使用式（1）計(jì)算能量消耗率C，用Wh/km表示，并圓整到整數(shù)。

式中：電網(wǎng)——充電期間來(lái)自電網(wǎng)的能量，單位為瓦時(shí)（Wh）；D——續(xù)駛里程，單位為千米（km）。[6]

本文中能量消耗率使用百公里能耗表示，其單位換算為：1 Wh/km = 0.1 kWh/100km。百公里能耗四舍五入圓整到小數(shù)點(diǎn)后一位。

1.3 能量回收貢獻(xiàn)率指標(biāo)

汽車減速或下坡過(guò)程中，由電機(jī)進(jìn)行汽車制動(dòng)，并對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收，最終回饋至可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)稱為再生制動(dòng)系統(tǒng)。汽車減速或下坡過(guò)程中，由再生制動(dòng)系統(tǒng)回收，最終回饋至可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量，稱為回收的制動(dòng)能量。制動(dòng)能量回收效能用于評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收有效性，包括制動(dòng)能量回收效率，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)續(xù)駛里程貢獻(xiàn)率。[7]

制動(dòng)能量回收效率指：汽車減速過(guò)程中，由再生制動(dòng)系統(tǒng)回收，最終回饋至可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量（E1）與汽車減速過(guò)程中所需施加的制動(dòng)能量（E2）之間的比值。計(jì)算公式如式（2）。

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)續(xù)駛里程貢獻(xiàn)率是指：相同試驗(yàn)條件下，開啟與關(guān)閉制動(dòng)能量回收功能時(shí)電動(dòng)汽車運(yùn)行里程的差值（D1—D2），與關(guān)閉制動(dòng)能量回收功能時(shí)的運(yùn)行里程D2的比值。計(jì)算公式如式（3）。

本文對(duì)制動(dòng)能量回收效能指標(biāo)的研究，將制動(dòng)能量回收系統(tǒng)續(xù)駛里程貢獻(xiàn)率作為設(shè)計(jì)校核指標(biāo)。簡(jiǎn)稱能量回收貢獻(xiàn)率。

2 電動(dòng)汽車各子系統(tǒng)及其能耗研究

純電動(dòng)汽車能耗相關(guān)的子系統(tǒng)包含車載充電機(jī)、電池包、電機(jī)及電機(jī)控制器、傳動(dòng)系統(tǒng)、車輪、車身及風(fēng)阻、電子電器。其中，電池、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、輪邊阻力為主要能耗子系統(tǒng)。

2.1 各子系統(tǒng)能耗相關(guān)參數(shù)

汽車各子系統(tǒng)參數(shù)及符號(hào)如表1所示。

表1 汽車各子系統(tǒng)參數(shù)及其符號(hào)

在標(biāo)準(zhǔn)[6]中規(guī)定了等速試驗(yàn)方法和NEDC工況、C-WTVC工況的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)。因此，工況通常被描述成t-v曲線。實(shí)際工況中，還應(yīng)添加坡度數(shù)據(jù)。為便于研究，本文將設(shè)計(jì)階段的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程指標(biāo)分為等速工況續(xù)駛里程、NEDC工況續(xù)駛里程和自定義工況續(xù)駛里程，如表2所示。

2.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)設(shè)計(jì)與校核

汽車以工況（t,v）行駛時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律有如下方程：

式中，mstd為汽車當(dāng)量質(zhì)量。空載時(shí)，mstd=mcar+mtran；標(biāo)準(zhǔn)載荷時(shí)，mstd=mcar+mtran+madd；滿載時(shí)，mstd=mcar+ mload+madd。

輪邊的驅(qū)動(dòng)力需求與車速通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)電機(jī)輸出端，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與扭力如式（5）（6）（7）。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)力T＞0時(shí)，

當(dāng)驅(qū)動(dòng)力T<0時(shí)，

電機(jī)輸出的功率（kW）：

電機(jī)及電機(jī)控制器效率通過(guò)轉(zhuǎn)速與扭力查詢電機(jī)效率MAP：

當(dāng)電機(jī)使用等效平均效率時(shí)，η是已知常數(shù)。

車身電器系統(tǒng)：在不開啟空調(diào)的情況下，車身電器系統(tǒng)耗電近似為均勻功率消耗，功率為P。

電池輸出功率P>0時(shí)：

P<0時(shí)：

汽車的綜合能量回收效率為ηrec，當(dāng)啟動(dòng)能量回收時(shí)，ηrec是大于0的一個(gè)參數(shù)，當(dāng)關(guān)閉能量回收功能時(shí)，ηrec取值為0.則汽車在行駛一個(gè)工況循環(huán)中消耗的電池輸出能量為：

電池自身內(nèi)阻損耗與車載充電機(jī)損耗使用等效效率法，則一個(gè)工況循環(huán)需從電網(wǎng)中獲取能量：

在續(xù)駛里程指標(biāo)為s的情況，需要電池包容量：

根據(jù)（1）式校核純電動(dòng)汽車的能耗，勻速工況時(shí)，能量回收貢獻(xiàn)率為0.因此，非勻速工況根據(jù)（3）式校核純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收貢獻(xiàn)率。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

以浙江合眾新能源汽車有限公司某款汽車設(shè)計(jì)參數(shù)為例，參數(shù)見表1。提出三類經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)共8項(xiàng)。以標(biāo)準(zhǔn)載荷為設(shè)計(jì)參考，空載與滿載為校核參考，最后設(shè)計(jì)得電池包配電量為23kWh。各指標(biāo)及其達(dá)成度如表2所示。

表2 各經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及其達(dá)成度

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在浙江合眾新能源汽車有限公司整車經(jīng)濟(jì)性動(dòng)力性試驗(yàn)室中，對(duì)該設(shè)計(jì)方案的汽車樣車做了實(shí)際測(cè)試。匹配的電機(jī)峰值功率為43kW，電池標(biāo)稱電量為22.8kWh。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[6]在底盤測(cè)功機(jī)上做標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況試驗(yàn)。主要試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）實(shí)測(cè)續(xù)駛里程為150.86km；

（2）電池剩余SOC為12%；

（3）充電電量為22.4kWh；

（4）能量消耗率為14.85kWh/100km；

（5）制動(dòng)能量回收里程貢獻(xiàn)率為16.4%；

（6）勻速工況續(xù)駛里程205.3km；

（7）勻速工況能量消耗率9.84kWh/100km。

總共執(zhí)行了14個(gè)循環(huán)，其中第14個(gè)循環(huán)為非完整循環(huán)，到達(dá)試驗(yàn)停止條件。整個(gè)過(guò)程電池包主回路放電曲線如圖1所示（帶制動(dòng)能量回收）。

圖1 帶制動(dòng)能量回收NEDC工況續(xù)駛里程試驗(yàn)

設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

本文總結(jié)了續(xù)駛里程、能量消耗率、制動(dòng)能量回收里程貢獻(xiàn)率三類經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。每類指標(biāo)按照勻速工況，NEDC工況，自定義工況三類工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)測(cè)表明，該設(shè)計(jì)方法除制動(dòng)能量回收里程貢獻(xiàn)率誤差較大以外，其余誤差均＜10%。本模型規(guī)避了在設(shè)計(jì)階段部分參數(shù)難以實(shí)測(cè)獲得的情況，為電池參數(shù)選型提供有價(jià)值的參考依據(jù)，補(bǔ)充了仿真階段參數(shù)不全難以實(shí)行的不足。實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)方法有效可靠，滿足初期設(shè)計(jì)階段的電池容量匹配設(shè)計(jì)需求。

[1] 江澤民.對(duì)中國(guó)能源問(wèn)題的思考[J].中國(guó)石油和化工經(jīng)濟(jì)分析, 2008,(06):4-16.

[2] 宋媛媛.基于行駛工況的純電動(dòng)汽車能耗建模及續(xù)駛里程估算研 究[D].北京交通大學(xué),2014.

[3] Fellner Joseph Phillip,Quinton Betty,Tsao Max. Initial Investigations on the Use of Coated Nano-Sized Phthalocyanines for Very High Energy Density Rechargeable Lithium-Based Batteries[J]. Meeting Abstracts,2015,MA2015-01(2):.

[4] 孫麗,史冊(cè).鋰離子電池快充技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù),2017, 41(07):1085-1088.

[5] 范子杰,桂良進(jìn),蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2014,5(01):1-16.

[6] GB/T 18386-2017 電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法.

[7] QC/T 1089-2017 電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)要求及試驗(yàn)方法(報(bào)批稿).

Research on design and verification of economic index of pure electric vehicle

Zhang Honglei, Zhang Yong, Xiao Yan

（Zhejiang Hozon New Energy Automobile Co., Ltd. trial production test department, Zhejiang Jiaxing 314000）

This paper presents a pure electric vehicle battery parameter design method based on economic indicators, the method is applied to the overall framework and the power of pure electric vehicle assembly system selection and all kinds of conditions to complete mileage indicator is clear, according to economic indicators, the appropriate battery pack capacity. In this paper, the use of all kinds of operating mileage indicators as the basis for the battery pack capacity redundancy design, and the index of energy consumption and energy recovery contribution rate index as the check index. Experiments show that the method is effective and reliable, and can meet the design requirements of battery capacity matching in the design phase.

Pure electric vehicles; economic indicators; batteries

A

1671-7988(2018)18-01-04

U469.7

A

1671-7988(2018)18-01-04

CLC NO.: U469.7

張洪雷，學(xué)士，中級(jí)工程師，就職于浙江合眾新能源汽車有限公司，新能源汽車整車研發(fā)。張永，學(xué)士，中級(jí)工程師，就職于浙江合眾新能源汽車有限公司，新能源汽車整車試制與試驗(yàn)。肖巖，學(xué)士，中級(jí)工程師，就職于浙江合眾新能源汽車有限公司，新能源汽電控策略設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.001