基于多因素的新能源商用車續駛里程與能量的仿真研究

【摘" 要】以一款換電式純電動自卸式新能源商用汽車為例，首先進行電動汽車續駛里程影響因素的分析，其次建立電動汽車等速行駛續駛里程與動力電池能量的數學模型，選取滾動阻力系數計算公式。在此基礎上，進行等速行駛續駛里程的仿真計算與深入分析。最后將MATLAB仿真的結果與實車測試的里程數據進行對比，以驗證該續駛里程計算方法的準確性和符合整車設計要求的效果。

【關鍵詞】純電動自卸汽車；續駛里程；等速行駛；阻力系數

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）03-0001-04

Simulation Study on the Driving Range and Energy of

New Energy Commercial Vehicles Based on Multiple Factors

TANG Yuliang

（Hunan Sany Polytechnic College，Changsha 410100，China）

【Abstract】Taking a battery swapping pure electric self-dumping new energy commercial vehicle as an example，firstly，analyze the factors affecting the driving range of electric vehicles，then establish a mathematical model for the constant speed driving range of electric vehicles and the energy of the power battery，and select the formula for calculating the rolling resistance coefficient. On this basis，conduct simulation calculations and in-depth analysis of the driving range for constant speed driving. Finally，compare the results of MATLAB simulation with the mileage data from actual vehicle testing to verify the accuracy of the driving range calculation method and its effectiveness in meeting the requirements of the vehicle design.

【Key words】pure electric dump truck；driving range；constant speed driving；drag coefficient

作者簡介

唐瑜亮（1975—），男，高級工程師，從事新能源汽車的教學、新產品開發研究工作，獲1項專利。

隨著新能源汽車在客車、乘用車的大力推廣、應用，其動力電池系統、驅動電機系統、控制系統的安全性、可靠性及穩定性有大幅提升，特別是以市政環衛、港口、鋼廠、電廠、礦山等應用場景為主的燃油商用車（重卡），正在逐步向新能源（電動重卡）方向轉型。國家政策及地方政策的大力支持，排放標準升級以及技術迭代的提升，加速推動電動重卡快速發展。同時，隨著換電重卡模式日漸成熟，備受用戶青睞，通過“車電分離”的方式，有效降低客戶的購置成本。換電模式的發展助推了電動重卡市場的電動化。

電動汽車續駛里程和能量消耗量是車輛公告認證中的重要測試項目，對電動重卡類車等速（40km/h）續駛里程是《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》《享受車船稅減免優惠的節約能源使用新能源汽車車型目錄》的重要考核指標。本文以一款換電式純電動自卸式新能源商用汽車為例，對其等速工況續駛里程影響因素與能量消耗進行分析，并利用MATLAB軟件進行仿真分析，探究整車質量、滾動阻力系數、空氣阻力系數、驅動電機系統效率、機械傳動效率、動力電池放電深度等多因素對續駛里程與能量消耗的影響。

1" 電動汽車續駛里程的定義及試驗質量要求

根據文獻[1]的相關要求：續駛里程指電動汽車在動力蓄電池完全充電狀態下，以一定的行駛工況，能連續行駛的最大距離，單位為km，是電動汽車重要的經濟性指標；試驗質量指電動汽車整車整備質量與試驗所需附加質量的和。而附加質量分別為：對于 M1、N1、最大設計總質量不超過3500kg的M2類車輛，該質量為100kg；對于城市客車，該質量為最大設計裝載質量的65%；對于其他車輛，該質量為最大設計裝載質量?？梢钥闯觯冸妱幼孕镀嚨脑囼炠|量為該車的總質量。

2" 整車主要參數和動力電池能量匹配分析

2.1" 整車主要參數

以某一款換電式純電動自卸汽車為例，其主要參數見表1。

2.2" 動力電池能量匹配分析

動力蓄電池的能量是影響純電動汽車續駛里程的決定性因素。在進行新產品開發時，應根據客戶需求及產品定位設定續駛里程目標?，F階段，換電式純電動自卸汽車主要在煤礦、鋼廠、港口、園區中對煤、鋼等場景運輸生產資料，以及城市渣土運輸和公鐵接駁。單程運輸距離一般在150～200km以內，屬于短距離運輸。有研究機構分析得出大貨車在高速路上的平均速度在60～90km/h，在市郊區內行駛一般在40～60km/h。計算工況下，動力系統耗電量q公式如下：

式中：Ft————驅動力，N；t——工況下的行駛時間，s[2]；q——動力系統耗電量，kW·h；u——車速，km/h?？紤]高速、市區的運輸情況（續駛里程滿足200km、等速70km/h）來計算動力電池的配電量。

式中：A——迎風面積，m2；CD——空氣阻力系數；S——續駛里程，km；g——重力加速度，m/s2；f——滾動阻力系數；m——總質量，kg；ua——車速，km/h。

動力電池的峰值放電功率、持續放電功率會影響到驅動系統的峰值功率、持續功率。在實際運營條件下，電動汽車續駛里程與環境溫度、運營工況、駕駛習慣、電池衰減等影響因素有關，與標準工況續駛里程存在差異。因此，在設計動力電池的能量時應全面考慮，最終確定的動力電池能量應是在計算結果的基礎上留出一定余量。動力電池系統主要技術參數見表2。

3" 續駛里程的影響因素分析及滾動阻力系數經驗計算公式

3.1" 續駛里程的影響因素分析

影響汽車續駛里程的因素主要有輪胎滾動阻力系數、整車總質量、空氣阻力系數、驅動電機系統效率、機械傳動效率、動力電池放電深度等參數，同時也受低壓電耗、能量回收等的影響。從原理上分析，降低滾動阻力系數、空氣阻力系數和整車總質量，可以提高續駛里程，而提升驅動電機系統效率和機械傳動效率可以降低能耗，提高續駛里程。

3.2" 汽車滾動阻力系數分析及其經驗計算公式

汽車滾動阻力系數是描述汽車在行駛過程中受到的滾動阻力的重要參數，對電動汽車經濟性有著重要影響。滾動阻力系數越小，汽車行駛時受到的阻力就越小，維持行駛速度所需的能量也越小，從而提高整車經濟性。所以，降低汽車滾動阻力系數是降低汽車能耗的重要途徑之一。

汽車滾動阻力系數的計算方法較為復雜，常采用的方法有試驗法和依據經驗公式來計算。由試驗得到滾動阻力系數，其大小與路面的種類、車速及輪胎的構造、材料、氣壓等有關。試驗法一般有兩種，一種是道路試驗法，通常通過道路滑行試驗測量汽車在不同速度下的滾動阻力，依據測量數據計算出滾動阻力系數，需要大量試驗和測量工作；另一種是轉鼓風洞臺架試驗，通過在轉鼓試驗臺上進行試驗，試驗費用高。特別是純電動汽車全新車型開發，若未通過試驗得到準確的滾動阻力系數值時，可利用經驗公式來測算。在一些汽車類書籍、標準中，推薦用下式計算良好路面的貨車輪胎的滾動阻力系數：① f=0.0076+0.000056×ua[3]；② f=0.0041+0.0000256×ua（子午線輪胎）[3]；③根據文獻[4]，載重汽車輪胎的滾動阻力系數限值0.0065；④根據文獻[1]，車輛滿載狀態下自卸汽車行駛阻力系數按推薦值計算續駛里程。本文研究的車輛為純電動自卸汽車，總質量為31000kg，因此其行駛阻力系數推薦值見表3。

4" 建立電動汽車等速工況續駛里程與電池能量數學模型

純電動汽車行駛中所需的能量全部由動力電池提供，電池組攜帶的總能量為：

式中：EB——電池組總能量，kW·h；Q——電池組額定容量，Ah；U——電池組額定電壓，V。

在實際中需要考慮電池壽命等因素，受放電效率、放電深度的影響，每次放電時電池組能量并未完全釋放，因此計算實際中電池組的有效能量為：

式中：Et——電池組有效能量，kW·h；ηDOD——動力電池放電深度，%。

汽車在平坦路上等速行駛時所需的驅動電機的功率為：

式中：Pe——驅動電機功率，kW；ηT——機械傳動效率，%；ηMC——驅動電機系統效率，%。

電動汽車等速工況續駛里程與動力電池能量數學模型為：

5" 等速工況續駛里程仿真分析

5.1" 4種經驗公式分析滾動阻力系數與續駛里程關系

貨車迎風面積3～7m2時，空氣阻力系數取0.6～1.0，本車迎風面積6.97m2，考慮本車外形比較流暢，空氣阻力系數CD取值0.76。驅動電機配置高效永磁同步電機，控制器采用集成技術效率高，驅動電機系統效率ηMC取0.92。配置AMT變速器，機械傳動效率ηT取0.91。采用LiFePO4電池，系統可用能量10%～100%（SOC），考慮電池壽命因素，動力電池放電深度ηDOD取0.88。不同阻力系數時續駛里程與車速的關系如圖1所示。

在《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》中一些同類型產品（換電式純電動自卸汽車），在配電量（282kW·h）、總質量相同（31000kg）的情況下，等速（40km/h）時續駛里程集中在230～240km。其續駛里程見表4。

從表4不同阻力系數與續駛里程、車速的關系及一些企業產品的續駛里程對比可以看出，采用重型商用車行駛阻力系數推薦方案計算出來的續駛里程236km與目錄中的數值很接近，因此在產品公告中可采用該方案來計算續駛里程。

車輛在實際使用中，還需要考慮到運行路況、行駛車速等，常用f=0.0076+0.000056×ua方案進行滾動阻力系數計算。下面用f=0.0076+0.000056×ua方案進行仿真分析。

5.2" 整車質量與續駛里程關系

整車輕量化是降低能耗、提升續駛里程的有效措施。純電動汽車由于布置了動力蓄電池，整車質量增加較多，輕量化問題更加突出[5]。在確保整車強度、安全性能的前提下，汽車輕量化的主要途徑為：材料應用、結構設計優化、制造技術、集成設計、電池的能量密度提升等。

整車質量對續駛里程的影響如圖2所示。從仿真結果可以看出，質量每減輕1000kg，續駛里程增加3%左右。

5.3" 滾動阻力系數與續駛里程關系

輪胎的滾動阻力系數直接決定滾動阻力的水平，進而影響汽車的動力性和經濟性。研究發現，滾動阻力系數的影響因素除了道路條件外，主要有車速、輪胎氣壓、輪胎的垂直載荷、驅動力（特指驅動輪）以及輪胎的材料和結構設計等[6]。

滾動阻力系數對續駛里程的影響如圖3所示。從仿真結果可以看出，滾動阻力系數每降低10%，續駛里程增加9%左右。

5.4" 空氣阻力系數與續駛里程關系

空氣阻力是車輛行駛過程中必須克服的阻力之一，尤其是在高速行駛階段，對車輛的能量利用率有著重要的影響。中國電動重卡降低風阻主要有2條技術路線：在平頭重卡的基礎上，對前臉進行傾斜設計方案；采用尖頭設計方案。

空氣阻力系數對續駛里程的影響如圖4所示。從仿真結果可以看出，空氣阻力系數每降低10%，續駛里程增加2%～4%。

5.5" 驅動電機系統效率與續駛里程關系

驅動電機系統（Drive Motor System）是由驅動電機、驅動電機控制器及它們工作必須的輔助裝置的組合[7]。電動汽車對驅動電機系統提出了高功率密度、輕量化、高效率、高可靠性、低噪聲等應用需求。將驅動電機、電機控制器、減速器一體化集成是電驅動總成產品的重要方向之一。驅動電機系統高度集成后，具備體積小、質量輕、效率高等優點。SiC電機控制器開發方面，充分利用SiC器件耐高溫、高效和高頻特性是實現電機控制器功率密度和效率進一步提升的關鍵[8]。

驅動電機系統效率對續駛里程的影響如圖5所示。從仿真結果可以看出，驅動電機系統效率提升5%，續駛里程增加5%左右。

5.6" 機械傳動效率與續駛里程關系

驅動電機產生的功率經傳動系統傳至驅動輪的過程中，必須克服傳動系統各部件中的摩擦，因而消耗一部分功率，其由變速器、傳動軸、萬向節、主減速器等組成。其中變速器和主減速器的功率損失所占比重最大[9]。純電動自卸汽車驅動采用電機+AMT變速器形式，結構緊湊、效率高、質量更輕。

機械傳動效率對續駛里程的影響如圖6所示。從仿真結果可以看出，機械傳動效率提升5%，續駛里程增加5.5%左右。

5.7" 動力電池放電深度與續駛里程關系

電池放電深度常用DOD（Depth of Discharge）表示，是電池放電程度的一種度量，具體指的是放出的容量占其可用容量的百分比[10]。放電深度的大小直接影響動力電池系統的可用能量量級，影響車輛的續駛里程。

動力電池放電深度對續駛里程的影響如圖7所示。從仿真結果可以看出，動力電池放電效率提升5%，續駛里程增加5%左右。

通過這些仿真結果，可以優化車輛的設計和性能，提高其續駛里程和能量利用率。同時也可以為新能源商用車的開發和推廣提供有價值的參考。

5.8" 實車測試驗證分析

對整車按試驗質量要求加載到總質量31000kg，進行道路實測等速續駛里程，數據分析見表5。續駛里程實測值比仿真分析值高出3.5%左右，是因為在道路上實測時存在制動能量回收，因此表明該仿真分析符合設計要求。

6" 結束語

通過分析影響電動汽車續駛里程的因素，建立等速工況續駛里程與電池能量數學模型，從而預測新能源商用車的續駛里程。對于換電式純電動自卸汽車，在產品公告中采用重型商用車行駛阻力系數推薦方案來計算續駛里程；在實際使用中選用f=0.0076+0.000056×ua方案計算續駛里程。通過MATLAB仿真，對比實測中的續駛里程，結果表明本續駛里程與能量設計方案符合整車性能要求，為新能源商用車續駛里程的研究提供了必要的設計經驗和理論基礎。

參考文獻：

[1] GB/T 18386—2017，電動汽車 能量消耗率和續駛里程 試驗方法[S].

[2] 林程. 電動汽車工程手冊（第一卷）純電動汽車整車設計[M]. 北京：機械工業出版社，2020.

[3] 余志生. 汽車理論（第5版）[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[4] GB/T 29042—2020，汽車輪胎滾動阻力限值和等級[S].

[5] 陳慶樟. 電動汽車技術及應用[M]. 北京：機械工業出版社，2018.

[6] 楊志華. 汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社，2020.

[7] GB/T 18488.1—2015，電動汽車用驅動電機系統 第1部分：技術條件[S].

[8] 貢俊. 電動汽車工程手冊（第五卷）驅動電機與電力電子[M]. 北京：機械工業出版社，2020.

[9] 徐立友，張文春. 汽車理論（第3版）[M]. 北京：機械工業出版社，2021.

[10] 賀林，石琴. 動力電池[M]. 北京：機械工業出版社，2021.

（編輯" 凌" 波）