電動汽車動力性及經濟性綜合評價研究

王慧怡 郭崇

摘要：為了更有針對性的評價電動汽車的性能指標，針對電動汽車對動力性和經濟性的要求，提出一種基于電動汽車能耗分析的經濟性評價方法，以及動力性、經濟性綜合評價方法，對電動汽車實施性能評價。分別從整車參數(shù)角度和經濟性測試方案兩方面對主要影響因素進行了分析，建立了整車能耗分析模型，并研究了國際上最新的電動汽車經濟性評價方法。提出了電動汽車動力性、經濟性綜合評價方法，其中包括循環(huán)工況、評價指標選取，以及評價指標的權值確定。基于兩款目標車輛以仿真的形式對動力性、經濟性做出了綜合評價。根據(jù)電動汽車的構型特點，對其功率流消耗流向，尤其是動力系統(tǒng)部件損耗進行了分析，并搭建了考慮系統(tǒng)損耗特性的整車模型，為電動汽車經濟性影響因素的明確提供了理論依據(jù)。在電動汽車動力性、經濟性綜合評價方面，選取了動力性、經濟性指標，并提出了基于熵值法確定權值的確定方法，最終選取目標車型對方法的可行性做出了驗證。試驗結果顯示了兩種車型的性能對比，研究表明：評價方法具有完整性和可行性，對提高整車性能指標，改善使用認可度和駕駛感受有著重要意義。

關鍵詞：電動汽車；能耗分析；動力性；經濟性；綜合評價

在動力性方面，我國電動汽車動力性評價指標主要是依據(jù)是國標《 GB/T 18385 2005 電動汽車動力性試驗方法》，主要評價指標包括最高車速，30分鐘最高車速，加速能力，爬坡車速，坡道起步能力等。

在經濟性方面，經濟性評價指標主要依據(jù)國標《GB/T 18386 2005 電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》，測試工況分為60km/h和NEDC循環(huán)工況，評價指標主要有能量消耗率和續(xù)駛里程。

針對經濟性評價而言，不同的國家，在選擇循環(huán)工況和方案時有著不同的規(guī)定和標準，對于行駛工況的開發(fā)而言，最初是針對傳統(tǒng)的燃油汽車的排放以及油耗的檢測，當前，針對新能源汽車，特別是電動汽車，還沒有形成針對性的行駛工況的評價體系，在進行評價和實車測試時，還是遵循傳統(tǒng)汽車的行駛工況來進行，例如參考歐洲經濟委員會的ECE-15的標準，以及為了滿足市郊路面的行駛狀況而修改的EUDC市郊工況；另外還有日本所推出的10？15工況和其最新修訂的JC08工況；美國相繼也制定了一些工況標準，如：UDDS、SAE等。對于我國的國標而言，除了所指出的NEDC工況外，一些研究單位和科研院所還針對不同地區(qū)的路況建立了一些典型的工況數(shù)據(jù)，如北京地區(qū)的工況、長春地區(qū)的工況以及西安地區(qū)的工況等，基于這些工況來對整車的路面性能進行評價[1-3]。

此外，針對評價純電動汽車最高車速、爬坡能力、加速時間、能量消耗率以及續(xù)駛里程等動力性與經濟性評價指標，不同的車型有著不同的性能指標，而對于相同的車型，由于有著不同的電動機參數(shù)和傳動系統(tǒng)參數(shù)的匹配，導致其能耗和動力性之間也存在著差異。在選擇車型和實施定量計算時，如果對于一個車型而言，其方案選擇和性能指標相對于另一個車型較高時，性能優(yōu)勢較為明顯，倘若各指標之間優(yōu)劣交錯，這就需要重新對比評價。對此，在各國國家標準中還少有提及車輛的綜合評價標準[4-6]。

1 電動汽車動力性評價指標

對于純電動汽車而言，動力性需求方面，和傳統(tǒng)汽車基本類似，在GB18385-2005中所列出的評定車輛動力性的參數(shù)主要是加速時間、最高車速和最大爬坡能力。。

1.1 最高車速

對于最高車速而言，主要有兩種類型的指標，分別是30分鐘最高車速和1Km最高車速，以上兩個指標都是基于所設定的條件下所能實現(xiàn)的平均車速，主要是用來評定純電動汽車的高速行駛的性能狀況。在純電動汽車中，傳動系統(tǒng)的速比和驅動電機的最高轉速決定了純電動車的最高車速情況，在不考慮實際的坡道的阻力時，對于基于最高車速所需要的動力系統(tǒng)的最大的功率為：

（1）

（4.1）

純電動汽車在高速行駛過程中，對于影響整車功率需求的最主要因素而言，主要就是空氣阻力，對于純電動汽車而言，其最高車速一般介于100-160km/h的范圍內，如果不考慮實際滾動阻力，基于最高車速的功率和車速之間呈三次方的比例。

1.2 爬坡性能

對于爬坡性而言，主要是用來評定整車的低速通過性和大負載狀態(tài)的通過性能，在對其進行評定時，一般是用所規(guī)定的爬坡車速所能達到的最大坡度來表示，在進行最大爬坡度的設定時，一般會比實際的道路坡度要高，對于爬坡度指標而言，一般是介于20～30%之間的范圍內。如果在某一坡度路面上基于最低的車速行駛，則其動力系統(tǒng)的最大的功率需求為：

（2）

（4.2）

其中，是所設計的最低通過車速，通常為15～20km/h；為最大坡度角，。

對于動力系統(tǒng)，特別是驅動電機系統(tǒng)來說，最大爬坡性能主要受電機的低速最大轉矩輸出能力和短時過載能力的影響。

1.3 加速性能

在整車的實際運行中，加速行駛過程是最為常見的行駛工況之一，一般將其定義為，自一定車速實現(xiàn)向另一車速的加速所需要的最少的時間。在國標中關于減速性能的測試有著如下的規(guī)定：以0～50km/h和50～80km/h兩個時間實施評價，其中，通過0～50km/h的測試可以對政策的起步加速能力進行評定，而對于50～80km/h的測試模式而言，主要是對中等車速時的加速超車能力進行評定。但是，當前的加速測試主要是將0～100km/h的加速測試作為加速性能測試的方法。對于整車的實際加速性能而言，在很大程度上決定于電機的全速調速范圍內的實際的轉矩輸出的能力，也就是與所配置的電機系統(tǒng)所對應的最大的輸出功率的能力。在實際的加速過程中，對于所需要的最大的功率而言，主要是在實現(xiàn)了目標車速時所需要的功率，也就是：

（3）

（4.3）

在以上的公式中，用表示旋轉質量換算系數(shù)；用表示加速后期車速；用表示加速后期加速度。

基于以上的論述，在純電動汽車中，主要是通過動力性來表示其所能達到的整車極限運動的特性，在很大程度上取決于所搭載的動力系統(tǒng)所能輸出的轉矩和功率，可以說，這是實現(xiàn)純電動車基本性能的基礎。

2 電動汽車經濟性評價指標

在評定純電動車的經濟性能指標時，一個關鍵性能參數(shù)就是單次充電所能實現(xiàn)的最大行駛里程或者其實際的能量消耗，在我國的相關標準中，對此也作了相應的規(guī)定。在國標中的規(guī)定是：對于單次充電的續(xù)駛里程而言，主要是指基于標準的要求，在實現(xiàn)充電至滿后，基于一定的運動工況需求進行行駛，其所能實現(xiàn)的最大的行駛里程。對于以上所提及的運動工況主要有NEDC循環(huán)工況和60km/h工況，其中，在圖1中列出了NEDC工況的車速和時間歷程。

Fig.1 Schematic NEDC conditions

圖1 NEDC工況示意圖

在NEDC循環(huán)工況中主要涉及一個市郊循環(huán)和4個市區(qū)循環(huán)，將其時間設定為19min40s，將其理論距離設定為11.022km，如果所試驗車輛的實際車速無法跟隨所設定的車速，相差達一定值后，則表示試驗結束。

在完成了標準中所規(guī)定的試驗循環(huán)后，對電池進行重新充電，保證實現(xiàn)試驗前的電池容量，用所得到的電網的電能去除行駛里程，則得到能量消耗率，其單位為Wh/km，表示為

（4）

在以上的公式中，用表示蓄電池在充電期間來自電網的能量，其具體單位為Wh，用表示在試驗期間電動車所能行駛的總距離也就是通常所說的續(xù)駛里程，其單位為km。

經濟性測量結果的準確程度要受到測試環(huán)境的影響，在國標中對室外的環(huán)境溫度的規(guī)定是要介于5～32℃之間，而對室內環(huán)境的溫度規(guī)定是要介于20～30℃之間。

3 熵值法

熵值法（ Entropy method）是較為客觀的一種賦權法，在實際應用中，基于各個指標所能體現(xiàn)的信息量的大小來對指標的時間權重進行確定。就具體的應用來說，所選擇的正向型指標主要是：爬坡能力、最高車速以及續(xù)駛里程等，所選擇的逆向型指標主要是耗電量以及加速能力等。下面對基于熵值法的權值確定方法進行描述。

首先，設有m個方案，則評價矩陣為：

（5）

將作正向化處理后，對于正向指標：

（6）

對于逆向指標：

（7）

計算第個指標下第個方案數(shù)值所占的比重：

（8）

計算第個指標的熵值：

（9）

式中，

確定第個指標的權重：

Fig.2 WLTP-3 conditions to follow the target vehicle speed curve

圖2 WLTP-3工況下目標車型車速跟隨曲線

（10）

通過上述過程，對任意一款車型的最高車速、加速能力、百公里耗電量以及爬坡能力等經濟性和動力性指標進行加權處理，提出動力性、經濟性綜合評價指標。

4 目標車型綜合評價

結合電動汽車動力性、經濟性的評價指標，以爬坡能力、續(xù)駛里程、最高車速、加速能力、百公里耗電量等作為相應的參數(shù)指標，通過對指標參數(shù)的加權綜合，體現(xiàn)各個指標在綜合評價體系中的地位和重要程度。在本文中主要是基于客觀賦權法，構建不同指標之間的相互的關系或者根據(jù)各個指標所對應的變異的程度來確定權重，并構建了純電動汽車動力性經濟性綜合評價的指標體系。

根據(jù)WLTP測試方法，對兩目標車型根據(jù)功率比質量參數(shù)進行分類，車型一PWr=55wh/kg，車型二PWr=54 wh/kg，均屬于3類工況，基于WLTP-3類行駛工況對目標車型經濟性能指標進行仿真，其工況跟隨曲線如圖2所示，整車性能指標如表1、2所示。

表1 目標車型1參數(shù)

Table 1 Model 1 parameters

外觀參數(shù)

車輛總質量

1525kg

風阻系數(shù)

0.28

迎風面積

1.6m^2

電機規(guī)格

電機類型

永磁同步電機

最大扭矩

200N.m

最大功率

75kW

電池規(guī)格

電池類型

鋰離子電池

總容量

66Ah

總電壓

345v

SOC變化范圍

0.95-0.15

行駛裝置

輪胎滾動半徑

0.301m

表2 目標車型2參數(shù)

Table 2 Model 2 parameters

外觀參數(shù)

車輛總質量

1390kg

風阻系數(shù)

0.284

迎風面積

1.97m^2

電機規(guī)格

電機類型

永磁同步電機

最大扭矩

240N.m

最大功率

85kW

最高轉數(shù)

10000rpm

額定轉速

3000rpm

電池規(guī)格

電池類型

鋰離子電池

總容量

80Ah

總電壓

320v（220v～420v）

SOC變化范圍

0.95-0.15

動力傳動裝置

主減速比

6.058

行駛裝置

輪胎滾動半徑

0.301m

表3目標車型性能指標

Table3 Target vehicle performance

工況

最高車速（km/h）

0～50km/h加速時間（s）

最大爬坡度（%）

能耗

（kwh/100km）

續(xù)駛里程

（km）

車型1

WLTC-3

110

5.5

20

12

150

車型2

WLTC-3

120

7

25

14.06

160

將表3中性能指標進行處理，得到標準化矩陣為：

根據(jù)上述權重確定方法，得到權重：

計算得到相應的理想解和負理想解及貼進度分別為：

由于，所以車型一的動力性經濟性

綜合性能優(yōu)于車型二。

5 結論

選取了兩款目標車型，采用整車模型和描述的測試循環(huán)工況，分別對目標車型進行了仿真，得到所提出的綜合評價方法所需的相關動力性、經濟性參數(shù)，并對參數(shù)進行了綜合處理，得到了綜合評價指標，根據(jù)綜合

評價指標對兩車性能做出了對比，驗證了評價方法的完整性和可行性。

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