纯电动汽车动力性与能量消耗参数灵敏度分析

张宸维，林方圆

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230601）

纯电动汽车动力性与能量消耗参数灵敏度分析

张宸维，林方圆

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230601）

建立了纯电动汽车动力性和能量消耗的计算数学模型。运用AVL-CRUSIE软件，建立某电动汽车仿真模型，并对该车型的动力性和能量消耗进行了参数灵敏度仿真分析，得出各参数变化对动力性和能量消耗的灵敏程度。分析结果表明:传动系效率和整车质量对动力性和能量消耗的影响均较大。研究结果为电动汽车动力系统的参数设计与优化提供了依据。

纯电动汽车；动力性；能量消耗；参数灵敏度；仿真分析

0　引言

纯电动汽车零排放、无污染，是我国汽车工业的发展方向。纯电动汽车行驶时要求尽可能降低汽车的各种能耗，充分利用携带的有限电能，最大限度地增加续驶里程，提高能耗经济性［1］。

纯电动汽车动力性的评价指标主要有最高车速、加速时间和最大爬坡度。能量消耗的评价指标包括续驶里程、单位里程容量消耗、单位里程能量消耗、单位容量消耗行驶里程和单位能量消耗行驶里程等［2］。

参数灵敏度即各参数对纯电动汽车的影响程度［3］，用参数灵敏度分析对纯电动汽车的关键设计参数进行选择，可以明确各参数对整车动力性和能量消耗的影响［4］。文中主要对纯电动汽车动力性和能量消耗的参数灵敏度进行研究。

1　纯电动汽车动力性计算模型

动力性是由汽车纵向受力所决定的，确定汽车行驶时驱动力-行驶阻力平衡方程，就可以利用受力关系确定汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度。

汽车在水平路面上行驶的总阻力为［5］：

式中：Ff、Fi、Fw、Fj分别为汽车行驶时的滚动阻力、坡度阻力、空气阻力、加速阻力；f为滚动阻力系数；m为汽车质量；α为坡度角；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；u为汽车行驶速度；g为重力加速度；δ为汽车旋转质量换算系数；du/dt为汽车行驶加速度。

1.1最高车速计算模型

驱动电机牵引力计算见公式（2）：

式中：T为驱动电机转矩，N·m；i0为传动比；ηT为传动系机械效率；r为驱动轮半径，m。

根据车速与电机转速关系计算传动系传动比，见公式（3）：

式中：umax为最高车速，km/h；nmax为电机最高转速，r/min；i1为传动比最小要求。

根据汽车行驶方程，汽车在水平良好路面上行驶，行驶阻力Ff+Fw与驱动力Ft相平衡时达到的稳定车速即为最高车速。

1.2加速时间计算模型

由汽车行驶方程式（1）可得，车辆从静止起步全力加速至车速u的加速度为：

根据公式（6）可得加速度倒数曲线，采用分段积分的方法，可得到各个速度区间的加速时间，累加后即为加速时间t：

1.3最大爬坡度计算模型

汽车爬坡能力指汽车在良好路面上克服Ff+Fw后的余力全部用来克服坡度阻力时能爬上的坡度，所以du/dt=0。

以最大爬坡度确定其短时工作线低速转矩：假定以匀速爬坡，车辆所受阻力项中没有加速阻力，则所需电机驱动力为：

2　纯电动汽车能量消耗计算模型

主要针对纯电动汽车能量消耗进行参数灵敏度分析。汽车功率平衡方程式（11）：

式中：Pe为汽车行驶功率，kW；

i为道路坡度值。

若不考虑纯电动汽车在行驶中电器附件的能量消耗，纯电动汽车单位里程能耗可由式（12）表示：

式中：E为单位里程能耗；t为工况行驶时间，s为工况行驶的距离。

2.1纯电动汽车能量消耗计算模型

能量消耗是动力电池端输出功率积分的过程。为驱动车辆，动力电池输出功率应等于阻尼功率、传动装置中的功率损耗、电动机驱动功率以及在电子仪器设备中所含的功率损耗。传动装置和电动机驱动中的功率损耗分别通过各自的系数ηt和ηm予以描述，于是，在没有附加载荷的情况下，动力电池的输出功率可表达［6］为：

等速行驶s行程时，其单位里程能量消耗如式（14）所示：

式中：t为车辆行驶运行时间。

3　仿真模型的建立

AVL-CRUISE软件是研究汽车动力性、能量消耗的高级模拟分析软件。文中将应用CRUISE软件对纯电动汽车进行动力性和能量消耗参数灵敏度分析。车辆的基本参数见表1。

表1　车辆基本参数

基于CRUISE仿真软件，建立整车仿真模型，选择设定的计算任务（最高车速、加速时间、最大爬坡度和能量消耗）和工况，设置合适的仿真步长和精度，通过改变模型中的相关参数，研究不同参数变化对动力性和能量消耗的灵敏度。整车仿真模型如图1所示。

4　整车动力性参数灵敏度分析

汽车动力性参数灵敏度是指某参数的变化对动力性的影响程度，即单位参数变化率引起的汽车性能指标的变化率。参数灵敏度是一个量纲为一的量。汽车的动力性除了与驱动电机类型、动力系统的合理匹配程度等因素有关外，还受到汽车整车质量、传动系机械效率、滚动阻力系数和空气阻力因素等参数的影响［7］。

整车动力性参数灵敏度有4个参数，分别为汽车整车质量、传动系机械效率、滚动阻力系数和空气阻力因素，文中对影响整车动力性的参数分别作±5%变化，各参数变化均是在表1中的初始值基础上进行的。

由表2—4可知：该纯电动汽车的加速时间和最大爬坡度参数灵敏度顺序为：传动效率、试验质量、滚动阻力系数、空气阻力系数，其中传动效率和试验质量的影响尤为显著；最高车速参数灵敏度顺序为：空气阻力系数、传动效率、试验质量、滚动阻力系数，其中空气阻力系数的影响尤为显著。

表2　最高车速参数灵敏度分析

表3　0～50 km/h加速时间参数灵敏度分析

表4　最大爬坡度参数灵敏度分析

5　整车能量消耗变化分析

纯电动汽车能量消耗的参数灵敏度是指纯电动汽车的参数变化对其能量消耗的影响。

纯电动汽车每百公里能耗对电动汽车的能量消耗评价十分重要，而电动汽车各参数对每百公里能耗的影响也不一样。文中对影响整车能量消耗的参数分别作±5%变化，各参数变化均是在表1中的初始值基础上进行的。

选择 NEDC（新欧洲循环工况，New European Driving Cycle）工况为道路循环行驶工况在CRUISE仿真环境里进行仿真。NEDC由4个ECE工况与1个EUDC工况叠加而成。文献［8］中给出一个示例：该工况下总行驶里程10.93 km，历时1 225 s，最高车速120 km/h，平均车速32.1 km/h，最大加速度1.06 m/s2，最大减速度-1.39 m/s2，行驶期间共停车13次，怠速时间为339 s。

由表5可知，该纯电动汽车的能耗参数灵敏度顺序为：传动效率、试验质量、滚动阻力系数、空气阻力系数，其中传动效率对每百公里能耗的影响尤为显著。

表5　NEDC工况能量消耗参数灵敏度分析

6　结束语

（1）通过建立纯电动汽车动力性和能量消耗数学模型，得出了纯电动汽车动力性和能量消耗参数灵敏度计算模型。

（2）研究了影响纯电动汽车动力性和能量消耗的诸多参数及相关参数的灵敏度，通过动力性和能量消耗参数灵敏度分析，可以针对性地改进某些参数，以达到优化动力性和能量消耗的目的，为纯电动汽车动力系统的参数设计与优化提供了依据。

【1】李国安，初亮，鲁和安.电动汽车续驶里程的影响因素［J］.吉林工业大学学报，2000，30（3）:20-23.

【2】王震坡，甄子健.纯电动汽车能耗能量消耗评价方法研究［J］.高技术通讯，2007，17（2）:171-174.

【3】余志生.汽车理论［M］.3版.北京:机械工业出版社，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】陈明，郭立新.电动汽车动力性与能耗经济性参数灵敏度分析［J］.东北大学学报:自然科学版，2012（5）:723-726.

【6】Ehsani Mehrdad，Gao Yimin，Emadi Ali.现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车:基本原理、理论和设计［M］.2版.北京:机械工业出版社，2010:89-104.

【7】刘忠途，伍庆龙，宗志坚.纯电动汽车动力性与能耗灵敏度分析［J］.上海汽车，2010（12）:8-11.

【8】王保华，罗永革.基于CRUISE的汽车建模与仿真［J］.湖北汽车工业学院学报，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

张宸维（1985—），男，硕士，研究方向为电动汽车动力匹配与仿真分析。E-mail:zhangchenwei2010@163.com。