純電動(dòng)乘用車經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化方法研究

狄金剛　欒英林　李興永　馮翠平

摘 要：能源和環(huán)保問(wèn)題使純電動(dòng)乘用車經(jīng)濟(jì)性被日趨重視，因此經(jīng)濟(jì)性是純電動(dòng)乘用車的主要性能指標(biāo)之一。本文選取某微型純電動(dòng)車型為研究對(duì)象，改善其NEDC工況續(xù)航里程指標(biāo)。首先構(gòu)建數(shù)學(xué)分析模型并確定參變量試驗(yàn)載荷、整車工作效率、滾動(dòng)阻力系數(shù);其次進(jìn)行NEDC工況續(xù)航里程仿真分析并對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;最后進(jìn)行NEDC工況續(xù)航里程試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)把仿真分析、試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析后，得出續(xù)航里程對(duì)參變量整車工作效率、試驗(yàn)載荷、滾動(dòng)阻力系數(shù)變化的靈敏度，選定優(yōu)化措施改善其NEDC工況續(xù)航里程指標(biāo)（改善率14.4%），為改善純電動(dòng)乘用車經(jīng)濟(jì)性提供設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)性;進(jìn)化論算法;仿真分析;NEDC工況;靈敏度

1 前言

純電動(dòng)乘用車是以車載動(dòng)力電池包為電源，依靠大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力的交通工具，具有清潔無(wú)污染、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1]。

當(dāng)前純電動(dòng)乘用車行業(yè)內(nèi)已刊登的文獻(xiàn)中多數(shù)傾向于理論性研究，僅使用相關(guān)公式建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析[2]，不夠嚴(yán)謹(jǐn)。另外對(duì)于功率平衡方程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率與整車工作效率沒(méi)有區(qū)分清楚，應(yīng)為整車工作效率，實(shí)際是驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率[3][4]，為此本文選定某微型純電動(dòng)乘用車作為研究對(duì)象，采用NEDC工況續(xù)駛里程作為評(píng)判依據(jù)，首先用進(jìn)化論算法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，其次通過(guò)Cruise軟件仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析的方法實(shí)現(xiàn)改善其NEDC續(xù)駛里程的目的。

2 理論定性分析

對(duì)于純電動(dòng)乘用車經(jīng)濟(jì)性的改善與提高，主要考慮續(xù)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(huán)行駛工況為基礎(chǔ)，以車輛行駛一定里程的能量消耗量來(lái)衡量[5-6]。這一點(diǎn)與GB/T 18386-2005《純電動(dòng)車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》是一致的[7]。

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

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

（1）

式中：Pi為驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率，單位kW;ηi為整車工作效率，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器工作效率、動(dòng)力電池包工作效率、變速箱工作效率、驅(qū)動(dòng)半軸工作效率有關(guān);m為純電動(dòng)乘用車試驗(yàn)載荷，單位kg;g為重力加速度，單位m/s2;為滾動(dòng)阻力系數(shù);為行駛車速，單位m/s;為風(fēng)阻系數(shù);A為正投影面積，單位m2。

此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為

（2）

（3）

式中：為減速器主減速比（車輛無(wú)變速箱），n為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min;r輪胎滾動(dòng)半徑，單位m;T為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩，單位Nm。

依據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用外特性曲線圖，并結(jié)合動(dòng)力電池包工作效率以及主減速器等機(jī)械部件工作效率，可求得此時(shí)的，則消耗的能量為

（4）

式中：為時(shí)間間隔t內(nèi)車輛勻速行駛所消耗的能量，單位kWh。

NEDC工況勻速行駛時(shí)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(gè)NEDC工況勻速行駛工況的個(gè)數(shù)。

勻加速行駛工況純電動(dòng)乘用車的功率平衡方程[8]

（6）

式中：為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);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(guò)程中（行駛時(shí)間為t），選取速度間隔為1km/h的一段小區(qū)間，對(duì)應(yīng)的行駛時(shí)間為，車輛車速?gòu)募铀俚?，?duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jù)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(guò)程中車輛能量消耗為

（8）

式中：n為車輛從車速加速至的過(guò)程中車速間隔為1km/h的區(qū)間個(gè)數(shù)。

相應(yīng)地整個(gè)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(gè)數(shù)。

假設(shè)純電動(dòng)乘用車?yán)m(xù)航里程為S（km），動(dòng)力電池組可釋放電量為Q（kWh），每個(gè)NEDC工況對(duì)應(yīng)的車輛續(xù)駛里程為（km），則有

（10）

NEDC工況試驗(yàn)循環(huán)由4個(gè)市區(qū)循環(huán)和1個(gè)市郊循環(huán)組成。整個(gè)循環(huán)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(guān)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(dòng)乘用車為例進(jìn)行仿真分析，在Cruise軟件環(huán)境中構(gòu)建仿真模型。把整車的相關(guān)參數(shù)輸入到模型中;把驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線圖等信息輸入到驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型中;動(dòng)力電池組參數(shù)輸入到電池模型中;其余模型信息以此類推進(jìn)行處理。模型建立后，調(diào)試驗(yàn)證后進(jìn)行仿真分析。

3.2 滾動(dòng)阻力系數(shù)優(yōu)化

初始狀態(tài)時(shí)，車輛采用的輪胎滾阻系數(shù)偏高，采用低滾阻輪胎進(jìn)行仿真分析，NEDC行駛工況續(xù)駛里程仿真分析結(jié)果如圖1所示，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

3.3 試驗(yàn)載荷優(yōu)化

試驗(yàn)載荷優(yōu)化的主要途徑是整車輕量化，主要途徑有減薄料厚、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、采用鋁合金碳纖維等復(fù)合材料等。由于該微型純電動(dòng)乘用車已經(jīng)充分進(jìn)行了整車輕量化工作，故仿真時(shí)采用試驗(yàn)載荷增值法進(jìn)行分析。NEDC工況仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖2，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

3.4 整車工作效率優(yōu)化

整車工作效率優(yōu)化主要有改善機(jī)械部分傳遞效率及電氣部分傳遞效率兩大類方法，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作效率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器工作效率、動(dòng)力電池包工作效率、變速箱工作效率、驅(qū)動(dòng)半軸工作效率有關(guān)。NEDC工況法仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖3，具體結(jié)果表格3。

4 NEDC工況法測(cè)試

4.1 測(cè)試準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備新下線經(jīng)過(guò)磨合的商品車一輛（整車工作效率可調(diào)），隨帶充電槍等一系列工具，委托國(guó)內(nèi)權(quán)威第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行NEDC工況法測(cè)試，試驗(yàn)大綱可以與第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)人員共同討論后定稿，其余工作依據(jù)GB/T 18386-2005《純電動(dòng)車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》執(zhí)行。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試過(guò)程中具體操作完全由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)人員進(jìn)行，關(guān)閉制動(dòng)能量回收裝置，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行靈敏度分析，詳見(jiàn)表4。

通過(guò)表4發(fā)現(xiàn)續(xù)駛里程S對(duì)于整車工作效率、試驗(yàn)載荷、滾動(dòng)阻力系數(shù)變化的靈敏度依次降低。

由于車輛開(kāi)發(fā)前期整車輕量化及整車工作效率匹配優(yōu)化已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作，然而滾動(dòng)阻力系數(shù)未進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，因此最終選定優(yōu)化滾動(dòng)阻力系數(shù)（從0.015優(yōu)化至0.010），達(dá)到改善NEDC工況續(xù)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(jié)論

（1）對(duì)于某微型純電動(dòng)乘用車，首先構(gòu)建數(shù)學(xué)分析模型，確定其整車關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，此時(shí)續(xù)駛里程的主要影響參變量是滾動(dòng)阻力系數(shù)、試驗(yàn)載荷、整車工作效率。

（2）通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比的方法確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)續(xù)駛里程對(duì)整車工作效率、試驗(yàn)載荷、滾動(dòng)阻力系數(shù)變化的靈敏度依次降低。

（3）選擇優(yōu)化措施時(shí)，需要結(jié)合車輛開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀充分考慮實(shí)施每一項(xiàng)優(yōu)化措施所需要投入的成本、周期等因素，權(quán)衡利弊最終選定優(yōu)化措施。

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