純電動乘用車經濟性優化方法研究

狄金剛　欒英林　李興永　馮翠平

摘 要：能源和環保問題使純電動乘用車經濟性被日趨重視，因此經濟性是純電動乘用車的主要性能指標之一。本文選取某微型純電動車型為研究對象，改善其NEDC工況續航里程指標。首先構建數學分析模型并確定參變量試驗載荷、整車工作效率、滾動阻力系數;其次進行NEDC工況續航里程仿真分析并對仿真數據進行處理;最后進行NEDC工況續航里程試驗測試，通過把仿真分析、試驗測試的結果進行對比分析后，得出續航里程對參變量整車工作效率、試驗載荷、滾動阻力系數變化的靈敏度，選定優化措施改善其NEDC工況續航里程指標（改善率14.4%），為改善純電動乘用車經濟性提供設計參考。

關鍵詞：經濟性;進化論算法;仿真分析;NEDC工況;靈敏度

1 前言

純電動乘用車是以車載動力電池包為電源，依靠大功率驅動電機提供動力的交通工具，具有清潔無污染、能量轉換效率高、結構簡單等優點[1]。

當前純電動乘用車行業內已刊登的文獻中多數傾向于理論性研究，僅使用相關公式建立數學模型進行計算分析[2]，不夠嚴謹。另外對于功率平衡方程中驅動電機工作效率與整車工作效率沒有區分清楚，應為整車工作效率，實際是驅動電機工作效率[3][4]，為此本文選定某微型純電動乘用車作為研究對象，采用NEDC工況續駛里程作為評判依據，首先用進化論算法構建數學模型，其次通過Cruise軟件仿真數據與測試數據進行對比分析的方法實現改善其NEDC續駛里程的目的。

2 理論定性分析

對于純電動乘用車經濟性的改善與提高，主要考慮續駛里程以及行駛工況能耗。行駛工況能耗是以一定車速或者循環行駛工況為基礎，以車輛行駛一定里程的能量消耗量來衡量[5-6]。這一點與GB/T 18386-2005《純電動車能量消耗率和續駛里程試驗方法》是一致的[7]。

2.1 數學模型建立

勻速行駛工況下，某時間間隔t內，以速度勻速行駛時，純電動乘用車的功率平衡方程[8]

（1）

式中：Pi為驅動電機額定功率，單位kW;ηi為整車工作效率，與驅動電機工作效率、驅動電機控制器工作效率、動力電池包工作效率、變速箱工作效率、驅動半軸工作效率有關;m為純電動乘用車試驗載荷，單位kg;g為重力加速度，單位m/s2;為滾動阻力系數;為行駛車速，單位m/s;為風阻系數;A為正投影面積，單位m2。

此時驅動電機的轉速和轉矩分別為

（2）

（3）

式中：為減速器主減速比（車輛無變速箱），n為驅動電機轉速，單位r/min;r輪胎滾動半徑，單位m;T為驅動電機輸出扭矩，單位Nm。

依據驅動電機使用外特性曲線圖，并結合動力電池包工作效率以及主減速器等機械部件工作效率，可求得此時的，則消耗的能量為

（4）

式中：為時間間隔t內車輛勻速行駛所消耗的能量，單位kWh。

NEDC工況勻速行駛時車輛能量消耗W1為各勻速工況行駛能耗求和

（5）

式中：m為整個NEDC工況勻速行駛工況的個數。

勻加速行駛工況純電動乘用車的功率平衡方程[8]

（6）

式中：為旋轉質量轉換系數;為加速度，勻加速行駛工況下為常量。

某勻加速工況下，車輛從車速加速至的過程中（行駛時間為t），選取速度間隔為1km/h的一段小區間，對應的行駛時間為，車輛車速從加速到，對應的驅動電機輸出功率為

（7）

式中：ηk為整車工作效率，a車輛加速度，單位m/s2。

依據與勻速行駛工況相同的方法求得ηk，車輛從車速加速至的過程中車輛能量消耗為

（8）

式中：n為車輛從車速加速至的過程中車速間隔為1km/h的區間個數。

相應地整個NEDC工況下車輛勻加速行駛所消耗的能量為

（9）

式中：q為NEDC工況下車輛勻加速行駛工況的個數。

假設純電動乘用車續航里程為S（km），動力電池組可釋放電量為Q（kWh），每個NEDC工況對應的車輛續駛里程為（km），則有

（10）

NEDC工況試驗循環由4個市區循環和1個市郊循環組成。整個循環工況整車分為勻速行駛、勻加速行駛、熄火靜止三種行駛模式。此處研究S與m、、的關系（其余參量均為定值）。

3 仿真分析

3.1 模型建立

以某微型純電動乘用車為例進行仿真分析，在Cruise軟件環境中構建仿真模型。把整車的相關參數輸入到模型中;把驅動電機外特性曲線圖等信息輸入到驅動電機模型中;動力電池組參數輸入到電池模型中;其余模型信息以此類推進行處理。模型建立后，調試驗證后進行仿真分析。

3.2 滾動阻力系數優化

初始狀態時，車輛采用的輪胎滾阻系數偏高，采用低滾阻輪胎進行仿真分析，NEDC行駛工況續駛里程仿真分析結果如圖1所示，具體結果見表1。

3.3 試驗載荷優化

試驗載荷優化的主要途徑是整車輕量化，主要途徑有減薄料厚、結構設計優化、采用鋁合金碳纖維等復合材料等。由于該微型純電動乘用車已經充分進行了整車輕量化工作，故仿真時采用試驗載荷增值法進行分析。NEDC工況仿真分析結果見圖2，具體結果見表2。

3.4 整車工作效率優化

整車工作效率優化主要有改善機械部分傳遞效率及電氣部分傳遞效率兩大類方法，與驅動電機工作效率、驅動電機控制器工作效率、動力電池包工作效率、變速箱工作效率、驅動半軸工作效率有關。NEDC工況法仿真分析結果見圖3，具體結果表格3。

4 NEDC工況法測試

4.1 測試準備工作

準備新下線經過磨合的商品車一輛（整車工作效率可調），隨帶充電槍等一系列工具，委托國內權威第三方檢測機構進行NEDC工況法測試，試驗大綱可以與第三方檢測機構人員共同討論后定稿，其余工作依據GB/T 18386-2005《純電動車能量消耗率和續駛里程試驗方法》執行。

4.2 測試結果分析

測試過程中具體操作完全由第三方檢測機構人員進行，關閉制動能量回收裝置，然后對試驗結果進行靈敏度分析，詳見表4。

通過表4發現續駛里程S對于整車工作效率、試驗載荷、滾動阻力系數變化的靈敏度依次降低。

由于車輛開發前期整車輕量化及整車工作效率匹配優化已經進行了大量的工作，然而滾動阻力系數未進行設計優化，因此最終選定優化滾動阻力系數（從0.015優化至0.010），達到改善NEDC工況續駛里程的目的（由127.5km增加至145.8km），提高率14.4%，效果非常顯著。

5 結論

（1）對于某微型純電動乘用車，首先構建數學分析模型，確定其整車關鍵技術參數，此時續駛里程的主要影響參變量是滾動阻力系數、試驗載荷、整車工作效率。

（2）通過仿真分析與試驗測試對比的方法確定試驗數據的有效性，通過對試驗數據進行分析發現續駛里程對整車工作效率、試驗載荷、滾動阻力系數變化的靈敏度依次降低。

（3）選擇優化措施時，需要結合車輛開發現狀充分考慮實施每一項優化措施所需要投入的成本、周期等因素，權衡利弊最終選定優化措施。

參考文獻：

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社，2002：24-25.

[2]王震坡、甄子健.純電動汽車能耗經濟性評價方法研究[J].高技術通訊，2007，17（2）：171-174.

[3]朱虹燃，王玉林，張魯鄒.純電動汽車兩檔自動變速器的傳動速比優化[J].農業裝備與車輛工程，2014，54：43-45.

[4]周勝.純電動汽車動力性及經濟性分析[J].湖南大學碩士學位論文，2013，3：13-15.

[5]王震坡、姚利民、孫逢春.純電動汽車能耗經濟性評價體系初步探討[J].北京理工大學學報，2005，25（6）：479-482.

[6]秦孔建，陳海峰，方茂東等.插電式混合動力電動汽車排放和能耗評價方法研究[J].汽車技術，2010，7：11-16.

[7]GB/T 18386《純電動車能量消耗率和續駛里程試驗方法》，2005版.

[8]余志生，《汽車理論》[M]，3版.北京：機械工業出版社，2000：38-56.