纯电动汽车动力性与经济性有效平衡的研究

薛冰

燕京理工学院工学院，河北廊坊 065201

0 引言

近年来，随着中国经济快速发展，然而由于油气资源不足，能源供需矛盾日益突出，2019年中国的原油进口量高达5.057 2×108t，对进口油气依赖度不断升高。在这种背景下，中国新能源汽车2019年产销规模突破120万辆，保有量也达到419万辆，占全球54.5%。2019年，中国总计生产了102万辆纯电动汽车，销售了97.2万辆。纯电动车市场相对于混合动力汽车市场要好得多。同时，中国政府出台了大量扶持政策，并给予大量购置补贴、税收减免与财政补贴等优惠政策，推动纯电动汽车产业体系化发展。

2019年7月1日正式出台了GB/T 36980—2018《电动汽车能量消耗率限值》标准，该标准旨在推动纯电动汽车向节能方向发展，为电动汽车节约了电能，并优化了产业结构，同时为新能源汽车健康持续的发展提供了行业标准。该标准规定，对于具有三排以下座椅且最高车速不小于120 km/h的电动汽车车型，当整车整备质量在 750 kg及以下时，百公里能量消耗率限值应为 13.1 kWh[1]。

1 纯电动汽车动力性和经济性指标分析

汽车的动力性评价指标主要有最大车速、0～100 km加速时间、最大爬坡度。以乘用车为例，最高车速的范围为120～250 km，与之对应的发动机排量也各不相同；一般用0～100 km/h的加速时间来评定，加速时间范围为6～12 s；最大爬坡度一般在30%～60%。

汽车经济性评价指标为一定运行工况下百公里燃油的消耗量。在国标中规定的乘用车燃料消耗限制，按着整车整备质量的不同，分为两个阶段：第一阶段的百公里燃油消耗量范围为7.6～16.4 L，第二阶段的百公里燃油消耗标准为6.6～14.7 L。

根据市面上已有传统燃油车辆的动力性和经济性情况的统计发现，排量大的车动力性较强，排量相同整车整备质量小的车动力性较强，排量小的车经济性较好，整车整备质量小的经济性较好，公路路况比城市路况的经济性好。

对于纯电动汽车来说，动力源由发动机改为电动机，汽车的使用性能未发生任何变化，动力性评价指标依然是最高车速、0～100 km加速时间、最大爬坡度，但是由于纯电动汽车是使用电力驱动，所以经济性评价指标发生了变化，汽车经济性可以用能量消耗率和续驶里程来评价[2]。动力性和经济性历来是一对矛盾体，要得到最佳的状态就要均衡动力性和经济性。也就是电动汽车的动力性指标和经济性指标都要达到设计的目标，在保证汽车动力性的前提下经济性还要好，只有达到相互平衡，才能符合国标，才能立足于市场。

续驶里程是汽车经济性的重要指标同时也是电动汽车发展的关键影响因素，国家对电动汽车补贴政策也围绕着续驶里程来确定，同时续驶里程也会影响电动汽车用户的驾驶感受。

传统车企中比亚迪在很早之前就开始研究开发纯电动汽车，从最早的e6纯电动车型，其续驶里程就已经达到了300 km，到后续推出的王朝系列的汉、秦、唐、宋、元等车型均有纯电动版本，再到最近推出的海豚、海豹系列电动汽车，比亚迪品牌的纯电动汽车电池、电机及电控系统的技术都在快速地提升。除比亚迪外，吉利、长安、长城、北汽等品牌的电动汽车板块也在快速发展之中。

除传统车企在发展电动汽车产业外，同时市面上也出现了大量的造车新势力和国外的电动汽车品牌，如蔚来、小鹏、特斯拉等，其关键技术也是非常成熟的，同时引领了电动汽车技术的发展[2]。车企代表车型续驶里程对比见表1。

表1 车企代表车型续驶里程对比

2 ADVISOR简介及仿真策略

ADVISOR是各大研究机构应用较多的仿真软件，其综合了各种仿真方法的优势，并且弥补了不足。软件可以根据设置整车参数、动力电池参数、驱动电机参数、变速箱参数、车轮参数来分析电动汽车的动力性及经济性，同时可以分析不同控制策略对整车性能的影响，并且能够进行二次开发。软件中参数优化功能Autosize可以对所选参数进行优化得到最优解。该软件也有一些不足的地方如已有数据老化，无法满足现有研究的需求，底层模型都需要进行二次开发，同时需要更改大量数据参数且不适合进行动态分析等[3]。

3 车辆各模块仿真参数匹配

3.1 车辆模块参数匹配

在现有市场上，选取了3种不同品牌同类型纯电动汽车进行对比分析[4]，整车基本参数见表2。

表2 3种车型整车基本参数

3.2 动力电池模块参数匹配

为纯电动汽车提供动力的部分是动力电池，其质量会影响整车的性能，所以在选配时要格外注意，避免影响车辆性能。在市场上电动汽车中常用的电池类型有：铅酸电池、镍氢电池、三元锂电池、磷酸铁锂电池等[5]。

近年来动力电池技术不断发展，成本逐渐降低。在2021年上半年磷酸铁锂电池得到了快速发展，其市场占比也在不断地提升，磷酸铁锂电池在整车生产中装车辆达到了45.95%。但是在乘用车市场上磷酸铁锂的表现要逊于三元锂电池，只有低端车型如五菱Mini EV，还有采用刀片电池的比亚迪车型。未来磷酸铁锂电池将继续在低端乘用车、商用车领域不断发展，而三元锂电池依旧在乘用车市场上占据了主力位置[6]。

三元材料的电压平台比磷酸铁锂高，电压平台越高，比容量越大，在相同的体积或是质量下，甚至同样安时的电池，电压平台比较高的三元材料锂电池续航里程更远[7]。在大倍率充电和耐低温性能等方面，三元锂电池也有很大的优势，所以市面上常见的中高端电动汽车采用的均为三元锂电池。电池容量、能量、能量密度这些参数都起着至关重要的作用。动力电池组容量直接关系汽车的续驶里程与动力性，一般是以满足正常车速下的行驶需要。

3种车型动力电池基本参数见表3。

表3 3种车型动力电池基本参数

3.3 电机模块参数匹配

驱动电机也是电动汽车的核心部件，不同的电机对整车性能存在不同的影响，永磁同步电机和交流电机是常见的类型[8]。交流三相电机与永磁同步电机的优缺点对比见表4。

表4 交流三相电机与永磁同步电机的优缺点对比

现代电动汽车要满足不同的行驶环境，对电动机的要求也越来越高，功率和转矩是电动汽车的重要参数。为了满足车辆行驶环境与汽车性能等方面的要求，要匹配合适的驱动电机，3种车型选择的是交流电机，但是3种电机的功率和转矩是不同的[9]。3种车型驱动电机参数对比见表5。

表5 3种车型驱动电机参数对比

4 仿真结果分析

4.1 动力性仿真结果

3种车型仿真分析结果如图1至图3所示。

图1 A车型仿真分析结果

图2 B车型仿真分析结果

图3 C车型仿真分析结果

选取了3种不同类型的纯电动车进行对比分析，3种车型动力性指标对比结果见表6。由表可知，A车型的最高车速达到了144.1 km/h是3种车型中车速最高的，百公里加速时间也仅有9.9 s是3种车型中最快的，最大爬坡度3种车型比较接近没有太大差别。综上所述，A车型的动力性最好，主要原因是其质量最轻，空气阻力系数最小，动力电池能量最大，驱动电机功率最高，这些参数都影响了A车型的动力性能。可见，这些参数的提升，对电动汽车动力性能的提升有着显著的影响，在纯电动车辆设计时，对于想要提升整车动力性能的车辆，可以适当提升这些关键影响参数。

表6 3种车型动力性指标对比结果

4.2 经济性仿真结果

对于传统燃油汽车来说，百公里耗油量为汽车经济性的重要指标，对于纯电动汽车来说可以用百公里的耗电量来衡量电动汽车的经济性，也就是能量消耗率。Advisor软件中是把耗电量转换成耗油量来表示电动汽车的经济性[10]。

3种车型经济性指标对比结果见表7。由表可以看到在NDEC循环工况下，电动汽车的耗电量转换为耗油量之后的值都较小，可见电动汽车相对于传统燃油汽车来说能耗是非常少的，而且电能的经济性要比燃油的经济性要好很多。根据3种车型的经济性指标对比结果分析，A车型的百公里油耗仅有2.3 L，相对于其他两种车型是最低的，因为A车型的整车基本参数整备质量最轻，风阻最小。A车型的续驶里程最长，B车型次之，C车型最短，3种车型的动力电池容量是依次降低的。可见续驶里程受到电池容量的影响是非常大的，提升动力电池的容量对提高续驶里程是十分有效的。

表7 3种车型经济性指标对比结果

4.3 动力性与经济性平衡分析

由仿真结果可知，对于纯电动汽车来说，要提升整车的动力性可以调整以下几个方面：①整车的基本参数包括减轻整车整备质量和减小空气阻力系数等；②提升动力电池的能量；③选用高功率的驱动电机。要提升整车的经济性同样也可以调整整车的基本参数同时可以提高动力电池的容量。总之，平衡纯电动汽车的动力性与经济性可以使整车性能得到全面提升，通过调整整车基本参数、动力电池的基本性能、驱动电机的选取这3个方面入手可以高效地提升纯电动汽车的动力性经济性。

5 结束语

本文通过 Matlab/Simulink对3种纯电动汽车的动力性及经济性进行了仿真，为了平衡动力性与经济性，对3种纯电动汽车进行了仿真分析，得到整车基本参数、动力电池、驱动电机参数的不同对纯电动汽车动力性及经济性指标的影响结果，以及A车型电动汽车的动力性及经济性均衡相比于其他两种汽车要做得更好，为电动汽车产业在动力性及经济性平衡方面提供了借鉴。