基于不同加速方式的纯电动汽车电能量消耗研究

李礼夫，梁　翼

(1. 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510006； 2. 广东省汽车工程重点实验室，广州 510641)

纯电动汽车性能受动力电池容量密度的影响，行驶过程中电能量消耗越大，续驶里程越短，而其在加速过程中所消耗的电能量占整个行驶过程中消耗电能量的60%以上[1]. 因此，要想降低纯电动汽车行驶过程中的电能量消耗，提高纯电动汽车的续驶里程，就需对其加速过程中的电能量消耗特性加以研究，合理地选择加速方式. 目前，国内外学者对纯电动汽车加速过程中电能量消耗的研究较少. 文献[2]通过建立加速行驶工况下纯电动汽车能耗经济性计算的数学模型，并在加速-滑行组合工况下对能耗经济性进行了分析计算以验证其模型的可行性，但论文仅考虑了单一加速工况，未对加速过程进行优化分析； 文献[3]基于电机Map图和动力电池组的效率特性建立了电动汽车动力学模型，提出纯电动汽车加速过程中电机转矩优化控制策略以提高整车能源利用率，但未从整车角度分析整个加速过程对纯电动汽车能耗的影响； 文献[4]基于上海市道路工况分析并优化驱制动的能耗特性，从系统能耗最优的角度确定优化目标函数，提出能耗最优的扭矩分配控制策略，但其仅对恒定加速工况进行了能耗分析，未分析变加速工况下纯电动汽车电能量消耗； 文献[5]研究了电动汽车加速过程中分别采用单个加速度和多个加速度对其电能量消耗的影响，表明在相同加速时间内多个加速度比单个加速度的加速运动能耗小，但其未对连续变化的加速度进行能耗分析. 综上所述，相关文献都未深入研究纯电动汽车加速曲线与其电能量消耗之间的关系，而仅仅由单一的加速曲线及其对应的静态电机、电池等效率Map图来制定满足其加速和电能量消耗要求的电动汽车电机转速和转矩控制策略. 然而，纯电动汽车加速过程中的电能量消耗不仅与其电机、电池等静态效率有关，而且还与不同加速曲线下电机、电池等的动态效率有关. 本文以纯电动汽车为研究对象，分析整车运行下不同加速过程对纯电动汽车电能量消耗的影响，并通过不同加速特征参数βi下的纯电动汽车整车实验，获得不同加速曲线下纯电动汽车单位里程能耗，研究了不同加速方式对纯电动汽车电能量消耗的影响，为纯电动汽车加速运行策略的制订提供依据.

1　基于不同加速曲线的纯电动汽车电能量消耗理论研究

根据电动汽车一般加速过程车速变化趋势来分析，纯电动汽车在第i段加速过程中时间从t0～te变化，车速从ui(t0)加速到ui(te)，其车速ui(t,βi)与行驶时间t的变化关系即汽车加速方式，可由其加速特征参数βi来表示，即

(1)

(2)

图 1 为不同βi值对应的速度和加速度与t的关系曲线(即加速曲线).

图 1　不同βi对应的速度和加速度随时间变化曲线Fig.1　Corresponding speed and acceleration curves vary with time in different βi

根据汽车理论[6]，当纯电动汽车按基于βi的加速曲线行驶时，其驱动电机输出功率Pm(t,βi)可表示为

(3)

(4)

式中：Pess(t,βi)为电动汽车动力电池输出功率，W；ηess为逆变器转换效率；ηm(t,βi)为电机工作效率.Pess(t,βi)与汽车动力电池在驱动过程中的关系为

(5)

式中：Uess(t)为动力电池放电电压，V；Iess(t)为动力电池放电电流，A；Tm(t,βi)为驱动电机转矩，N·m；nm(t,βi)为驱动电机转速，r·min-1. 其中，Tm(t,βi)和nm(t,βi)又可表示为

(6)

(7)

式中：ig为变速器传动比；io为主减速器传动比；ηt为机械传动比.

在t时间段内，电动汽车的单位里程能耗Ecr可表示为

(8)

式中：Ecr为电动汽车单位里程能耗，kJ/km. 当电动汽车载荷一定时，式(3)中m,f,α,CD,A,δ可看为定值，且行驶工况ui(t0),ui(te)一定时(简记为u0,ue)，式(4)中ηess和式(7)中ηt可看为定值[8]，其间的关系用常数ki(0,1,2,…)表示，则式(8)可表示为

(9)

将上述加速曲线模型导入AVL-Cruise纯电动汽车仿真工况中，选择典型NEDC工况在26 s内车速从0 km/h加速至50 km/h的加速段为研究对象，获得0～26 s内加速至50 km/h的电能量仿真消耗值，如表 1 所示.

表 1　不同加速方式能量消耗仿真值

图 2　单位里程能耗Ecr(βi)随βi变化曲线图Fig.2　Changing curve of energy consumption Ecr(βi) with βi

根据表 1 绘制根据仿真获得单位里程能耗随加速特征参数变化曲线图，如图 2 所示.

从表 1 可以看出，随着加速特征参数βi的增加，纯电动汽车行驶里程减小，总能耗减小，而单位里程能耗增加，即单位里程能耗与加速特征参数βi呈正相关，与图 2 所示曲线变化一致. 由此可认为，上凸型加速曲线(加速特征参数βi<1)比下凹型的加速曲线(加速特征参数βi>1)的单位里程能耗小，且βi越小，其单位里程能耗越小.

2　不同加速曲线下纯电动汽车电能消耗实验验证

为了验证不同加速曲线对纯电动汽车加速过程中电能量消耗的影响，以某款纯电动汽车为研究对象，具体参数如表 2 所示.

表 2　某纯电动汽车主要技术参数

实验按照国标GB/T 18386-2005[10]要求进行. 实验前，将不同加速曲线理论工况数据导入底盘测功机，调整好车辆与底盘测功机的相对位置，并将电能量消耗测试系统与纯电动汽车动力电池相连. 实验时，由驾驶员操纵加速踏板使车辆实时车速跟随不同加速曲线工况变化，由电能量消耗测试系统实时记录电池端电压、输出电流随时间的变化情况，并计算出该加速过程所消耗的电能量，最后根据底盘测功机测得该加速过程所行使的路程来计算单位里程能耗.

图 3　纯电动汽车电能量消耗测试系统接线图Fig.3　Pure electric vehicle electric energy consumption test system wiring diagram

不同加速特征参数下，所对应行驶时间、行驶里程、总能耗和单位里程能耗如表 3 所示.

表 3　不同βi值下纯电动汽车电能量消耗相关参数统计表

通过实验获得不同βi下车速随时间的变化，如图 4 所示. 根据表 3 绘制Ecr-βi随βi变化的图，具体见图 5.

图 4　不同βi对应速度随时间变化实验曲线Fig.4　Experimental curves of different βi corresponding velocities with time

图 5　单位里程能耗随βi变化图Fig.5　Unit mileage with βi changing curve

由表 3 及图 4，图 5 可知，不同的βi值，纯电动汽车在26 s内从0～50 km/h加速过程中的单位里程能耗变化与图2变现基本一致，都表现为上凸型加速过程的单位里程能耗比下凹型小，且βi越小，其单位里程能耗越小. 可见，纯电动汽车在运行过程中，选择较小的βi能有效降低其电能量消耗，提高续驶里程.

3　结　论

为获得纯电动汽车加速过程中不同加速特征参数βi所表示的加速曲线与其单位里程能耗的关系，以单位里程能耗为评价指标，通过理论分析不同加速特征参数βi所对应的加速曲线对纯电动汽车单位里程能耗的影响关系，并通过不同加速特征参数βi下的加速曲线的电动汽车整车实验，测试出不同的βi值时纯电动汽车在26 s内从0～50 km/h加速过程中行驶里程、总能耗和单位里程能耗随βi的变化情况. 结果表明： 上凸型加速过程的单位里程能耗比下凹型小，且βi越小. 其单位里程能耗越小，当βi=0.5时其单位里程能耗比βi=1.4时小37.6%. 该结论可为纯电动汽车加速时控制策略的制订提供依据.