海南純電動(dòng)汽車輕量化增容增程效果的對(duì)比分析

白有俊，劉世豪，鄭 艷

（1.海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，海南?？?71127；2.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南海口570228）

2019年3月5日，海南省政府發(fā)布的《海南省清潔能源汽車發(fā)展規(guī)劃》中提出，2030年起將在海南省全面禁止銷售燃油汽車［1］，計(jì)劃推廣電動(dòng)汽車100萬(wàn)輛，實(shí)現(xiàn)全域汽車清潔能源化。海南省已經(jīng)逐步減少燃油車增量指標(biāo)，同時(shí)采用政策等方面積極促進(jìn)電動(dòng)汽車購(gòu)買和使用。目前海南省的純電動(dòng)汽車占有量穩(wěn)步提高，純電動(dòng)汽車輕量化可以增加汽車的續(xù)駛里程，減少動(dòng)力電池的更換次數(shù)，并能夠減少電池使用成本［2］。本文選用在海南的兩種電動(dòng)汽車作為分析對(duì)象，進(jìn)行各自輕量化效果分析，以求為電動(dòng)汽車購(gòu)買者和研發(fā)者提供參考。

1 車輛參數(shù)

選取兩款在海南占有量比較多的車型，一款某型號(hào)微型四座電動(dòng)汽車（以下簡(jiǎn)稱車1）和一款某型號(hào)中型SUV五座電動(dòng)汽車（以下簡(jiǎn)稱車2）作為研究對(duì)象，進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果。兩款車輛都為最低配版本，具體參數(shù)如表1和表2所示。

表1 某微型四座電動(dòng)汽車計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of a mini four seat electr ic vehicle

表2 某中型SUV五座電動(dòng)汽車計(jì)算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of a medium SUV five seat electric vehicle

2 兩款車耗電量對(duì)比

電動(dòng)汽車的能量消耗率是影響使用的一個(gè)重要因素，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB∕T 18386—2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》中能量消耗率的公式為［3］

式中：C為能量消耗率，W·h·km-1；Enet為充電期間來(lái)自電網(wǎng)的能量，W·h；L為續(xù)航里程，km。

假設(shè)充電來(lái)自電網(wǎng)的能量全部轉(zhuǎn)換為電池的電量，使用的總耗電量為

式中：Wt為電動(dòng)汽車使用過(guò)程中的總耗電量，k W·h；Lt為汽車行駛過(guò)程中使用的時(shí)間，km。

根據(jù)車輛參數(shù)可以計(jì)算出車1和車2的消耗率分別為116.28和147.7。文獻(xiàn)［4］對(duì)三元鋰電池的充放電效率進(jìn)行了對(duì)比研究，文中三元里鋰電池的充放電效率為99.39%~102.20%，充放電受恒流、恒壓、快速充電等影響，按充放電效率100%進(jìn)行計(jì)算，以兩車使用20×104km，分別可計(jì)算得出總耗電量為23 255.81 k W·h和29 540.3 k W·h，兩者相差6 285.3 k W·h。根據(jù)目前海南省小區(qū)充電樁電價(jià)0.85元·k W-1·h-1和服務(wù)費(fèi)0.45元·k W-1·h-1，計(jì)算出兩車行駛20×104km的電費(fèi)車2比車1多花費(fèi)7 542.36元。

3 兩款車輕量化增容對(duì)比分析

根據(jù)能量守恒定律，電動(dòng)汽車蓄電池經(jīng)過(guò)車身上各系統(tǒng)（不包含空調(diào)等其他附件用電系統(tǒng)）能量消耗后輸出的總能量等于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)力所做的功。采用等速法計(jì)算，即

式中：Eout為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池輸出能量，W；η為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量傳遞到車輪行駛的效率；F為電動(dòng)汽車在實(shí)驗(yàn)道路上行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，N；L為電動(dòng)汽車的行駛里程，km［5］。

由于目前兩款電動(dòng)汽車的傳遞效率基本接近，因此，本實(shí)驗(yàn)車輛的能量效率選取為81%。其中，

式中：E為蓄電池組的總能量，k W·h；ξ為放電深度，兩實(shí)驗(yàn)車輛采用的都是三元鋰電池，因此，選取放電深度為90%。

本實(shí)驗(yàn)條件采取等速法，因此，取用驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等計(jì)算［5-8］。

式中：Ff為電動(dòng)汽車的道路滾動(dòng)阻力，N；Fw為該汽車實(shí)驗(yàn)時(shí)的迎風(fēng)阻力，N；m為該汽車的整備質(zhì)量，kg；g為重力加速度（9.81 m/s2）；f為該汽車在道路上行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為該汽車實(shí)驗(yàn)時(shí)的空氣阻力系數(shù)；A為該汽車的迎風(fēng)面積，m2；ρ為空氣密度，ρ=1.225 N·s2·m-4；V為實(shí)驗(yàn)時(shí)的行駛速度，m/s。

整理可得

選用等速法計(jì)算，速度選用60 km/h，通過(guò)輕量化后續(xù)航里程進(jìn)行對(duì)比。圖1為車1的整備質(zhì)量輕量化和續(xù)航里程關(guān)系圖。

圖1 車1整備質(zhì)量輕量化與續(xù)航里程Fig.1 Lightweight and range of vehicle 1

圖2為車2的整備質(zhì)量輕量化和續(xù)航里程關(guān)系圖。

圖2 車2整備質(zhì)量輕量化與續(xù)航里程Fig.2 Lightweight and r ange of vehicle 2

由圖1和圖2可見：車1整備質(zhì)量輕量化100 kg后續(xù)航里程增加12.78 km；車2整備質(zhì)量輕量化100 kg后續(xù)航里程增加11.16 km。電動(dòng)汽車輕量化后可以增加續(xù)航里程，但是只能增加一定的里程。

4 兩款車增加容量對(duì)比分析

2019年9月海南省工信廳提出新能源汽車車電分離模式，如果海南省在加油站布局換電動(dòng)汽車換電池業(yè)務(wù)，可以解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程不足問(wèn)題。海南具有天然的環(huán)境優(yōu)勢(shì)，海南省環(huán)島高速總長(zhǎng)1 160 km［9］，其中，西線從?？诘饺齺喌膬蓚€(gè)高速公路服務(wù)區(qū)距離為297 km，東線和中線公路的距離更近，因此，考慮滿足在兩個(gè)最長(zhǎng)服務(wù)區(qū)更換電池即可滿足在全島使用。圖3為海南省高速公路圖。

圖3 海南島高速公路圖Fig.3 Hainan Island Expressway map

電動(dòng)汽車的實(shí)際續(xù)航里程受到使用空調(diào)等的影響，冬天開暖氣續(xù)航里程會(huì)更低。由于海南常年溫度在8℃以上，年平均溫度在22.5~25.6℃，因此，海南電動(dòng)汽車只按使用空調(diào)計(jì)算。開空調(diào)的實(shí)際續(xù)航里程約為工信部續(xù)航里程的80%［10］。在海南使用的電動(dòng)汽車滿足續(xù)航里程為371.25 km以上的，可以滿足單次最長(zhǎng)距離的更換電池使用。車輛保持原來(lái)的整備質(zhì)量，汽車輕量化的質(zhì)量由電池增加容量的質(zhì)量頂替，從而達(dá)到增加續(xù)航里程的效果，用于滿足在海南島換電池使用。表3為兩車不改變整備質(zhì)量而增加電池容量后的參數(shù)。

由表3可以看出，車1和車2為達(dá)到371.25 km的續(xù)航里程，電池質(zhì)量分別增加32.25 kg和23.45 kg，汽車在車身等方面輕量化30 kg左右，可滿足海南高效使用。

表3 車輛增容后參數(shù)對(duì)比Tab.3 Parameter comparison after vehicle capacity increase

不同汽車的迎風(fēng)面積大小對(duì)續(xù)航里程的影響忽略不計(jì)，取迎風(fēng)面積2.8 m2，道路滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.011 02，其他各系數(shù)相同時(shí)，滿足續(xù)航里程在371.25 km以上，計(jì)算出汽車整備質(zhì)量和電池容量的關(guān)系，為設(shè)計(jì)者提供參考。圖4為整備質(zhì)量和電池容量的關(guān)系圖。

圖4 整備質(zhì)量和電池容量的參考圖Fig.4 Reference diagram of servicing mass and batter y capacity

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在海南省使用的兩款電動(dòng)汽車車型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用20×104km消耗的電量相差6 285.3 k W·h，相差電費(fèi)7 542.36元，車輛購(gòu)買價(jià)格相差5萬(wàn)元。兩款電動(dòng)汽車整備質(zhì)量輕量化100 kg后，分別增加續(xù)航里程12.78 km和11.16 km，增程具有一定的效果。海南省如果開展電動(dòng)汽車更換電池模式，續(xù)航里程可達(dá)到371.25 km以上，在全省使用時(shí)，基本與燃油車到加油相同。如果改變整備質(zhì)量，車身輕量化，增加電池容量，兩車分別增加32.25 kg和23.45 kg的電池即可滿足使用。研發(fā)者為海南島設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車在55 k W·h以上便可滿足海南島基本使用。