張宸維，林方圓

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230601）

純電動(dòng)汽車動(dòng)力性與能量消耗參數(shù)靈敏度分析

張宸維，林方圓

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230601）

建立了純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和能量消耗的計(jì)算數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用AVL-CRUSIE軟件，建立某電動(dòng)汽車仿真模型，并對該車型的動(dòng)力性和能量消耗進(jìn)行了參數(shù)靈敏度仿真分析，得出各參數(shù)變化對動(dòng)力性和能量消耗的靈敏程度。分析結(jié)果表明:傳動(dòng)系效率和整車質(zhì)量對動(dòng)力性和能量消耗的影響均較大。研究結(jié)果為電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)。

純電動(dòng)汽車；動(dòng)力性；能量消耗；參數(shù)靈敏度；仿真分析

0　引言

純電動(dòng)汽車零排放、無污染，是我國汽車工業(yè)的發(fā)展方向。純電動(dòng)汽車行駛時(shí)要求盡可能降低汽車的各種能耗，充分利用攜帶的有限電能，最大限度地增加續(xù)駛里程，提高能耗經(jīng)濟(jì)性［1］。

純電動(dòng)汽車動(dòng)力性的評價(jià)指標(biāo)主要有最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。能量消耗的評價(jià)指標(biāo)包括續(xù)駛里程、單位里程容量消耗、單位里程能量消耗、單位容量消耗行駛里程和單位能量消耗行駛里程等［2］。

參數(shù)靈敏度即各參數(shù)對純電動(dòng)汽車的影響程度［3］，用參數(shù)靈敏度分析對純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選擇，可以明確各參數(shù)對整車動(dòng)力性和能量消耗的影響［4］。文中主要對純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和能量消耗的參數(shù)靈敏度進(jìn)行研究。

1　純電動(dòng)汽車動(dòng)力性計(jì)算模型

動(dòng)力性是由汽車縱向受力所決定的，確定汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡方程，就可以利用受力關(guān)系確定汽車的最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。

汽車在水平路面上行駛的總阻力為［5］：

式中：Ff、Fi、Fw、Fj分別為汽車行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力、坡度阻力、空氣阻力、加速阻力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；m為汽車質(zhì)量；α為坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；u為汽車行駛速度；g為重力加速度；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt為汽車行駛加速度。

1.1最高車速計(jì)算模型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引力計(jì)算見公式（2）：

式中：T為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；i0為傳動(dòng)比；ηT為傳動(dòng)系機(jī)械效率；r為驅(qū)動(dòng)輪半徑，m。

根據(jù)車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系計(jì)算傳動(dòng)系傳動(dòng)比，見公式（3）：

式中：umax為最高車速，km/h；nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；i1為傳動(dòng)比最小要求。

根據(jù)汽車行駛方程，汽車在水平良好路面上行駛，行駛阻力Ff+Fw與驅(qū)動(dòng)力Ft相平衡時(shí)達(dá)到的穩(wěn)定車速即為最高車速。

1.2加速時(shí)間計(jì)算模型

由汽車行駛方程式（1）可得，車輛從靜止起步全力加速至車速u的加速度為：

根據(jù)公式（6）可得加速度倒數(shù)曲線，采用分段積分的方法，可得到各個(gè)速度區(qū)間的加速時(shí)間，累加后即為加速時(shí)間t：

1.3最大爬坡度計(jì)算模型

汽車爬坡能力指汽車在良好路面上克服Ff+Fw后的余力全部用來克服坡度阻力時(shí)能爬上的坡度，所以du/dt=0。

以最大爬坡度確定其短時(shí)工作線低速轉(zhuǎn)矩：假定以勻速爬坡，車輛所受阻力項(xiàng)中沒有加速阻力，則所需電機(jī)驅(qū)動(dòng)力為：

2　純電動(dòng)汽車能量消耗計(jì)算模型

主要針對純電動(dòng)汽車能量消耗進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析。汽車功率平衡方程式（11）：

式中：Pe為汽車行駛功率，kW；

i為道路坡度值。

若不考慮純電動(dòng)汽車在行駛中電器附件的能量消耗，純電動(dòng)汽車單位里程能耗可由式（12）表示：

式中：E為單位里程能耗；t為工況行駛時(shí)間，s為工況行駛的距離。

2.1純電動(dòng)汽車能量消耗計(jì)算模型

能量消耗是動(dòng)力電池端輸出功率積分的過程。為驅(qū)動(dòng)車輛，動(dòng)力電池輸出功率應(yīng)等于阻尼功率、傳動(dòng)裝置中的功率損耗、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率以及在電子儀器設(shè)備中所含的功率損耗。傳動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中的功率損耗分別通過各自的系數(shù)ηt和ηm予以描述，于是，在沒有附加載荷的情況下，動(dòng)力電池的輸出功率可表達(dá)［6］為：

等速行駛s行程時(shí)，其單位里程能量消耗如式（14）所示：

式中：t為車輛行駛運(yùn)行時(shí)間。

3　仿真模型的建立

AVL-CRUISE軟件是研究汽車動(dòng)力性、能量消耗的高級模擬分析軟件。文中將應(yīng)用CRUISE軟件對純電動(dòng)汽車進(jìn)行動(dòng)力性和能量消耗參數(shù)靈敏度分析。車輛的基本參數(shù)見表1。

表1　車輛基本參數(shù)

基于CRUISE仿真軟件，建立整車仿真模型，選擇設(shè)定的計(jì)算任務(wù)（最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度和能量消耗）和工況，設(shè)置合適的仿真步長和精度，通過改變模型中的相關(guān)參數(shù)，研究不同參數(shù)變化對動(dòng)力性和能量消耗的靈敏度。整車仿真模型如圖1所示。

4　整車動(dòng)力性參數(shù)靈敏度分析

汽車動(dòng)力性參數(shù)靈敏度是指某參數(shù)的變化對動(dòng)力性的影響程度，即單位參數(shù)變化率引起的汽車性能指標(biāo)的變化率。參數(shù)靈敏度是一個(gè)量綱為一的量。汽車的動(dòng)力性除了與驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型、動(dòng)力系統(tǒng)的合理匹配程度等因素有關(guān)外，還受到汽車整車質(zhì)量、傳動(dòng)系機(jī)械效率、滾動(dòng)阻力系數(shù)和空氣阻力因素等參數(shù)的影響［7］。

整車動(dòng)力性參數(shù)靈敏度有4個(gè)參數(shù)，分別為汽車整車質(zhì)量、傳動(dòng)系機(jī)械效率、滾動(dòng)阻力系數(shù)和空氣阻力因素，文中對影響整車動(dòng)力性的參數(shù)分別作±5%變化，各參數(shù)變化均是在表1中的初始值基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

由表2—4可知：該純電動(dòng)汽車的加速時(shí)間和最大爬坡度參數(shù)靈敏度順序?yàn)椋簜鲃?dòng)效率、試驗(yàn)質(zhì)量、滾動(dòng)阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)，其中傳動(dòng)效率和試驗(yàn)質(zhì)量的影響尤為顯著；最高車速參數(shù)靈敏度順序?yàn)椋嚎諝庾枇ο禂?shù)、傳動(dòng)效率、試驗(yàn)質(zhì)量、滾動(dòng)阻力系數(shù)，其中空氣阻力系數(shù)的影響尤為顯著。

表2　最高車速參數(shù)靈敏度分析

表3　0～50 km/h加速時(shí)間參數(shù)靈敏度分析

表4　最大爬坡度參數(shù)靈敏度分析

5　整車能量消耗變化分析

純電動(dòng)汽車能量消耗的參數(shù)靈敏度是指純電動(dòng)汽車的參數(shù)變化對其能量消耗的影響。

純電動(dòng)汽車每百公里能耗對電動(dòng)汽車的能量消耗評價(jià)十分重要，而電動(dòng)汽車各參數(shù)對每百公里能耗的影響也不一樣。文中對影響整車能量消耗的參數(shù)分別作±5%變化，各參數(shù)變化均是在表1中的初始值基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

選擇 NEDC（新歐洲循環(huán)工況，New European Driving Cycle）工況為道路循環(huán)行駛工況在CRUISE仿真環(huán)境里進(jìn)行仿真。NEDC由4個(gè)ECE工況與1個(gè)EUDC工況疊加而成。文獻(xiàn)［8］中給出一個(gè)示例：該工況下總行駛里程10.93 km，歷時(shí)1 225 s，最高車速120 km/h，平均車速32.1 km/h，最大加速度1.06 m/s2，最大減速度-1.39 m/s2，行駛期間共停車13次，怠速時(shí)間為339 s。

由表5可知，該純電動(dòng)汽車的能耗參數(shù)靈敏度順序?yàn)椋簜鲃?dòng)效率、試驗(yàn)質(zhì)量、滾動(dòng)阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)，其中傳動(dòng)效率對每百公里能耗的影響尤為顯著。

表5　NEDC工況能量消耗參數(shù)靈敏度分析

6　結(jié)束語

（1）通過建立純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和能量消耗數(shù)學(xué)模型，得出了純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和能量消耗參數(shù)靈敏度計(jì)算模型。

（2）研究了影響純電動(dòng)汽車動(dòng)力性和能量消耗的諸多參數(shù)及相關(guān)參數(shù)的靈敏度，通過動(dòng)力性和能量消耗參數(shù)靈敏度分析，可以針對性地改進(jìn)某些參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化動(dòng)力性和能量消耗的目的，為純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)。

【1】李國安，初亮，魯和安.電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響因素［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，30（3）:20-23.

【2】王震坡，甄子健.純電動(dòng)汽車能耗能量消耗評價(jià)方法研究［J］.高技術(shù)通訊，2007，17（2）:171-174.

【3】余志生.汽車?yán)碚摚跰］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:1-29.

【4】Yang Y P，Chuang D S.Optimal Design and Control of a Wheel Motor for Electric Passenger Cars［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（1）:51-61.

【5】陳明，郭立新.電動(dòng)汽車動(dòng)力性與能耗經(jīng)濟(jì)性參數(shù)靈敏度分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012（5）:723-726.

【6】Ehsani Mehrdad，Gao Yimin，Emadi Ali.現(xiàn)代電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池車:基本原理、理論和設(shè)計(jì)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:89-104.

【7】劉忠途，伍慶龍，宗志堅(jiān).純電動(dòng)汽車動(dòng)力性與能耗靈敏度分析［J］.上海汽車，2010（12）:8-11.

【8】王保華，羅永革.基于CRUISE的汽車建模與仿真［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（2）:5-8.

Parameter Sensitivity Analysis for the Dynamic Performance and the Energy Consumption of the Electric Vehicle

ZHANG Chenwei，LIN Fangyuan
（Technology Center，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230601，China）

The calculation mathematical models of the dynamic performance and the energy consumption of electric vehicle were established.The simulation model of a electric vehicle was established based on AVL-CRUSIE software.The parameter sensitivity analyses for the dynamic performance and the energy consumption were also conducted on the electric vehicle.The sensitivity of parameters change on the dynamic performance and the energy consumption was gained.The results show that the transmission efficiency and total mass have a greater influence on the dynamic performance and the energy consumption.The conclusions provide a basis for the parameter design and optimization of the dynamic system of electric vehicle.

Electric vehicle；Dynamic performance；Energy consumption；Parameter sensitivity；Simulation

2015-04-21

張宸維（1985—），男，碩士，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車動(dòng)力匹配與仿真分析。E-mail:zhangchenwei2010@163.com。