基于能耗的純電動汽車續駛里程估算及仿真研究

張恒，馬志鵬，王賀，楊瑩

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

隨著近些年中國經濟的高速發展，我國不得不面臨逐漸嚴峻的環境問題和能源問題。為了緩解環境和能源危機，國家開始大力倡導發展新能源汽車，其中就以電動汽車為主。電動汽車以清潔能源為能量來源，并且不會排放廢氣，因此對于環境保護有著極大的意義。然而由于電池技術的限制，續航里程成為電動汽車的最大缺陷，在稍微長距離的路程中，就需要對其充電以滿足行駛需求。另一方面，動力電池的電池容量也伴隨著充電次數的增多而逐漸衰減，導致續航里程下降，且電量的消耗還受汽車速度、加速度和溫度等多種因素影響，用戶難以準確知曉電池剩余電量的可行駛距離，這嚴重影響了用戶的使用體驗。近年來，眾多國內外學者也有了不同程度的研究成果。陳勇等根據電池輸出能量與車輛行駛消耗能量相等的原則，利用等速法和工況法對電動汽車的續航里程進行計算，并分析了影響電動汽車續航里程的因素[1]。本文將通過分析電動汽車的能耗，建立其能耗模型，從用戶角度出發，綜合考慮電動汽車的能耗及續駛里程，并利用仿真軟件對電動汽車仿真分析。

1 電動汽車的能耗分析

評價電動汽車能耗的方式分為兩種：宏觀法和微觀法，這兩種方法的主要區別在于計算能耗的方式及時間尺度不同。宏觀法主要采用調查采集及統計的方法，通過采集和統計一段時間的能耗數據得出這段時間的汽車平均能耗數值，計算的時間尺度相對較長，達到了月甚至年，其主要的目的就是總體評價一段時間內汽車的平均能耗情況；微觀法主要是根據整車在具體道路上運行的特征數據進行瞬時能耗計算，時間尺度一般為秒、分或者小時。微觀法主要分為兩種：一種通過擬合方法建立汽車運行狀態與能耗之間的關系；另一種是通過整車動力學分析建立整車瞬時運行狀態與能耗的關系。

室外測量整車在行駛過程中的實際數據雖然更加真實，但是需要較高的成本，且需要駕駛電動汽車在各路段的大量行駛狀況，耗時耗力。相比之下，在實驗室的通過電動汽車能耗測試系統，實驗人員可以通過調節電動汽車的參數，模擬電動汽車實地行駛，以此獲得電動汽車行駛中的能耗數據。這種方法可以節省大量的人力物力，減少成本。本文將采用室內試驗的方法測取電動汽車的能耗數據。

1.1 速度和加速度對能耗的影響

分析整車在總體路程的能耗，可以將路段分割成很多小段，分別計算每段的能耗，然后將所有能耗相加得到總能耗。在電動汽車處于加速或勻速狀態時，其驅動力方程為：

其中：

m表示汽車的總質量；f為滾動阻力系數；i為道路坡度，城市道路坡度變化一般不大時建議數值取為零；δ為旋轉質量換算系數；ρ為空氣密度，一般取為ρ=1.2258km/m3；cd為空氣阻力數，A為迎風面積，v為車速，單位m/s。

在考慮到電動汽車的傳動系統總效率和電能傳動系統效率后，電動汽車的總能耗為（Kw·h）：

其中，tη為傳動系統總效率，bη為電能傳動系統效率。

由公式（2）可知，在電動汽車行駛過程中，速度、加速度與能耗呈正相關，即是速度和加速度越大，電動汽車的能耗就越大。

1.2 溫度對能耗的影響

目前電動汽車的電池主要采用鋰電池，鋰電池在能量密度、壽命、環保性能等方面具有很大優勢，是動力電池的首選。而應用在電動汽車上的鋰電池主要分為兩種：三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。常規的三元鋰電池組工作溫度一般為-20℃-60℃，不過一般低于0℃后鋰電池性能就會下降，放電能力就會相應降低，所以鋰電池性能完全的工作溫度，常見是0～40℃。磷酸鐵鋰電池的工作溫度范圍一般為-20℃-75℃，有些耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值更是可達350℃-500℃。在電動汽車的行駛過程中，電池溫度是影響電池容量的很關鍵的因素。一般情況下，在電池溫度升高時，其內部電解質密度變稀，粘度降低，導致離子擴散速度變大，電池內的活性物質的利用率大大提高，使得放電容量增加。反之當電池溫度降低時，離子的擴散速度變慢，極板上的活性物質利用率降低，放電容量變小。根據以上理論分析可知電池溫度與電池放電容量大體呈正相關性關系，而當電池溫度過高時，也可能發生電池極板損壞的情況，該情況下電池容量反而降低了，因此對于鋰電池來說放電溫度一般不要超過45℃。由三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的溫度放電特性，相對容量是以25℃時電池的容量為100%，在不同溫度時對應的電池容量。當溫度為20℃時，鋰電池的電池容量是最大的，隨著溫度的降低，電池容量逐漸減小，可見電池容量與溫度呈正相關。

電動汽車仿真系統ADVISOR可以模擬路況、溫度、速度、加速度等多種因素，在進行大量仿真后，速度、加速度、溫度、坡度與電能消耗率都有一定的關系，其中，影響最大的為速度和坡度，由此可知，以速度、加速度和坡度為參數建立的電動汽車能耗模型有一定的合理性。

2 續駛里程預估

電動汽車的續駛里程可分為標定續駛里程和實際續駛里程。標定續駛里程是指在指定工況下，滿電狀態的電動汽車循環運行，至截止電壓時所行駛的最長路程；實際續駛里程是指在電動汽車滿電狀態下，行駛至截至電壓所行駛的最長路程。由于實驗條件有限，本文利用MATLAB中的電動汽車仿真軟件ADVISOR對電動汽車進行仿真分析，因此主要研究電動汽車的標定續駛里程。

2.1 續駛里程的主要影響因素

運行過程中影響車輛續駛里程的因素多種多樣，火體上可歸納為3類：駕駛員操縱特性、車輛自身參數以及道路環境。①駕駛員操縱特性：駕駛員等同于一個自調節的＂智能控制器＂。他會在行駛過程中不斷的接收道路、交通信息、環境等信息，根據車輛運行狀態，對車輛采取一定動作以達到既定的駕駛目的，同車輛、同行駛道路的條件下，不同的駕駛員操縱會使車輛呈現不同的行駛狀態。受駕駛員自身性格、駕駛經驗的影響，不同駕駛風格駕駛員的操縱特性具有不同程度的傾向性。②車輛自身參數：車輛自身結構、零部件性能參數都會影響車輛的續駛里程。車輛本身的重量、額外的載重量、車輛的迎風面積、空氣阻力系數、輪胎性能會影響車輛行駛阻力；車輛電池的容量、電池內阻、充放電倍率等因素影響著車輛在單次行駛過程中，可利用的總能量的大小。傳動系統的傳遞效率、電機效率影響著能量流傳遞過程中的能量損失。③道路及環境：道路條件、交通狀況影響著車輛的行駛速度、車輛需求扭矩，車輛速度、扭矩不同，車輛受到行駛阻力不同；天氣、濕度影響著車輪的摩擦系數，風速、風向影響著車輛空氣阻力大小；溫度影響著電池極性材料的活性、純電動車輛潤滑油粘度，空調等附件的輸出功率。

2.2 續駛里程估算

在確定行駛路徑后，在ADVISOR中可以設置工況類型，根據各工況類型的占比，結合溫度、道路坡度、電動汽車的速度及加速度估算車輛的行駛能耗，再考慮到車輛的附件能耗，即可預測車輛的每公里平均能耗，結合車輛電池剩余荷電量（SOC），車輛的剩余續駛里程估算如下（這里假設行駛路徑中分別由兩種工況組成）：

式中，?Et為車輛單位里程下綜合能耗，Kw·h；?Ed為車輛單位里程下行駛能耗，Kw·h；?Ea為車輛單位里程下附件能耗，Kw·h；Pa為附件所消耗的電池能耗輸出功率，Kw；V1和V2分別為兩類工況下車輛的平均速度，km/h：Eres為電池剩余荷電量，km/h；Sres為車輛剩余續駛里程，km。

3 仿真驗證

在ADVISOR中建立相應的電動汽車模型，然后設置汽車參數和道路坡度等，這里選取NEDC工況，NEDC工況是歐洲續航測試標準循環工況，主要在歐洲、中國、澳大利亞使用。在設置好參數后，即可運行。運行結果如下圖1所示。

圖1 仿真結果圖

圖1包括四個仿真結果圖，第一個為電動汽車的行駛速度曲線，并在右方給出了汽車速度、行駛時間、行駛距離的具體數值，車輛的行駛距離為10.93km，行駛時間為1183s，最好時速為120km/h，平均時速為33.21km/h。第二個為電動汽車的剩余荷電量（SOC），由圖可知在行駛了10.93km后，車輛SOC由100%消耗至69%。第三個是電機克服電動汽車的各種阻力和加速度所提供的牽引力，由圖可知，在電動汽車加速時所需要的牽引力最大，勻速時牽引力很小。第四個是電動汽車實時的能耗曲線，在加速時能量消耗較大，勻速時能量消耗很小，減速時會有少量的能量反饋。

電動汽車具體的能量損失如圖2所示，在行駛過10.93km后，電機損耗1200kj能量，齒輪損耗431kj能量，車輪/車軸損耗373kj能量，輔助負載損耗829kj能量，空氣阻力消耗2244kj能量，道路損耗1617kj能量，共消耗6748kj能量，即約1.874kj，由此可得車輛的單位歷程下綜合能耗值約為0.171Kw·h/km，由車輛參數知車輛電池總電量為50.42Kw·h，則由公式（）可計算得車輛的總續航里程為294.85km。

圖2 車輛能量損失圖

4 結論

本文在ADVISOR建立相應的電動汽車模型，基于此模型對電動汽車的能耗進行仿真，從仿真結果可以清晰地得到電動汽車的行駛速度、行駛距離、剩余荷電量和各部件的能量消耗，由綜合消耗及車輛電池總電量可得車輛的總續航里程。