基于能耗的纯电动汽车续驶里程估算及仿真研究

张恒，马志鹏，王贺，杨莹

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨，150022）

0 引言

随着近些年中国经济的高速发展，我国不得不面临逐渐严峻的环境问题和能源问题。为了缓解环境和能源危机，国家开始大力倡导发展新能源汽车，其中就以电动汽车为主。电动汽车以清洁能源为能量来源，并且不会排放废气，因此对于环境保护有着极大的意义。然而由于电池技术的限制，续航里程成为电动汽车的最大缺陷，在稍微长距离的路程中，就需要对其充电以满足行驶需求。另一方面，动力电池的电池容量也伴随着充电次数的增多而逐渐衰减，导致续航里程下降，且电量的消耗还受汽车速度、加速度和温度等多种因素影响，用户难以准确知晓电池剩余电量的可行驶距离，这严重影响了用户的使用体验。近年来，众多国内外学者也有了不同程度的研究成果。陈勇等根据电池输出能量与车辆行驶消耗能量相等的原则，利用等速法和工况法对电动汽车的续航里程进行计算，并分析了影响电动汽车续航里程的因素[1]。本文将通过分析电动汽车的能耗，建立其能耗模型，从用户角度出发，综合考虑电动汽车的能耗及续驶里程，并利用仿真软件对电动汽车仿真分析。

1 电动汽车的能耗分析

评价电动汽车能耗的方式分为两种：宏观法和微观法，这两种方法的主要区别在于计算能耗的方式及时间尺度不同。宏观法主要采用调查采集及统计的方法，通过采集和统计一段时间的能耗数据得出这段时间的汽车平均能耗数值，计算的时间尺度相对较长，达到了月甚至年，其主要的目的就是总体评价一段时间内汽车的平均能耗情况；微观法主要是根据整车在具体道路上运行的特征数据进行瞬时能耗计算，时间尺度一般为秒、分或者小时。微观法主要分为两种：一种通过拟合方法建立汽车运行状态与能耗之间的关系；另一种是通过整车动力学分析建立整车瞬时运行状态与能耗的关系。

室外测量整车在行驶过程中的实际数据虽然更加真实，但是需要较高的成本，且需要驾驶电动汽车在各路段的大量行驶状况，耗时耗力。相比之下，在实验室的通过电动汽车能耗测试系统，实验人员可以通过调节电动汽车的参数，模拟电动汽车实地行驶，以此获得电动汽车行驶中的能耗数据。这种方法可以节省大量的人力物力，减少成本。本文将采用室内试验的方法测取电动汽车的能耗数据。

1.1 速度和加速度对能耗的影响

分析整车在总体路程的能耗，可以将路段分割成很多小段，分别计算每段的能耗，然后将所有能耗相加得到总能耗。在电动汽车处于加速或匀速状态时，其驱动力方程为：

其中：

m表示汽车的总质量；f为滚动阻力系数；i为道路坡度，城市道路坡度变化一般不大时建议数值取为零；δ为旋转质量换算系数；ρ为空气密度，一般取为ρ=1.2258km/m3；cd为空气阻力数，A为迎风面积，v为车速，单位m/s。

在考虑到电动汽车的传动系统总效率和电能传动系统效率后，电动汽车的总能耗为（Kw·h）：

其中，tη为传动系统总效率，bη为电能传动系统效率。

由公式（2）可知，在电动汽车行驶过程中，速度、加速度与能耗呈正相关，即是速度和加速度越大，电动汽车的能耗就越大。

1.2 温度对能耗的影响

目前电动汽车的电池主要采用锂电池，锂电池在能量密度、寿命、环保性能等方面具有很大优势，是动力电池的首选。而应用在电动汽车上的锂电池主要分为两种：三元锂电池和磷酸铁锂电池。常规的三元锂电池组工作温度一般为-20℃-60℃，不过一般低于0℃后锂电池性能就会下降，放电能力就会相应降低，所以锂电池性能完全的工作温度，常见是0～40℃。磷酸铁锂电池的工作温度范围一般为-20℃-75℃，有些耐高温特性磷酸铁锂电热峰值更是可达350℃-500℃。在电动汽车的行驶过程中，电池温度是影响电池容量的很关键的因素。一般情况下，在电池温度升高时，其内部电解质密度变稀，粘度降低，导致离子扩散速度变大，电池内的活性物质的利用率大大提高，使得放电容量增加。反之当电池温度降低时，离子的扩散速度变慢，极板上的活性物质利用率降低，放电容量变小。根据以上理论分析可知电池温度与电池放电容量大体呈正相关性关系，而当电池温度过高时，也可能发生电池极板损坏的情况，该情况下电池容量反而降低了，因此对于锂电池来说放电温度一般不要超过45℃。由三元锂电池和磷酸铁锂电池的温度放电特性，相对容量是以25℃时电池的容量为100%，在不同温度时对应的电池容量。当温度为20℃时，锂电池的电池容量是最大的，随着温度的降低，电池容量逐渐减小，可见电池容量与温度呈正相关。

电动汽车仿真系统ADVISOR可以模拟路况、温度、速度、加速度等多种因素，在进行大量仿真后，速度、加速度、温度、坡度与电能消耗率都有一定的关系，其中，影响最大的为速度和坡度，由此可知，以速度、加速度和坡度为参数建立的电动汽车能耗模型有一定的合理性。

2 续驶里程预估

电动汽车的续驶里程可分为标定续驶里程和实际续驶里程。标定续驶里程是指在指定工况下，满电状态的电动汽车循环运行，至截止电压时所行驶的最长路程；实际续驶里程是指在电动汽车满电状态下，行驶至截至电压所行驶的最长路程。由于实验条件有限，本文利用MATLAB中的电动汽车仿真软件ADVISOR对电动汽车进行仿真分析，因此主要研究电动汽车的标定续驶里程。

2.1 续驶里程的主要影响因素

运行过程中影响车辆续驶里程的因素多种多样，火体上可归纳为3类：驾驶员操纵特性、车辆自身参数以及道路环境。①驾驶员操纵特性：驾驶员等同于一个自调节的＂智能控制器＂。他会在行驶过程中不断的接收道路、交通信息、环境等信息，根据车辆运行状态，对车辆采取一定动作以达到既定的驾驶目的，同车辆、同行驶道路的条件下，不同的驾驶员操纵会使车辆呈现不同的行驶状态。受驾驶员自身性格、驾驶经验的影响，不同驾驶风格驾驶员的操纵特性具有不同程度的倾向性。②车辆自身参数：车辆自身结构、零部件性能参数都会影响车辆的续驶里程。车辆本身的重量、额外的载重量、车辆的迎风面积、空气阻力系数、轮胎性能会影响车辆行驶阻力；车辆电池的容量、电池内阻、充放电倍率等因素影响着车辆在单次行驶过程中，可利用的总能量的大小。传动系统的传递效率、电机效率影响着能量流传递过程中的能量损失。③道路及环境：道路条件、交通状况影响着车辆的行驶速度、车辆需求扭矩，车辆速度、扭矩不同，车辆受到行驶阻力不同；天气、湿度影响着车轮的摩擦系数，风速、风向影响着车辆空气阻力大小；温度影响着电池极性材料的活性、纯电动车辆润滑油粘度，空调等附件的输出功率。

2.2 续驶里程估算

在确定行驶路径后，在ADVISOR中可以设置工况类型，根据各工况类型的占比，结合温度、道路坡度、电动汽车的速度及加速度估算车辆的行驶能耗，再考虑到车辆的附件能耗，即可预测车辆的每公里平均能耗，结合车辆电池剩余荷电量（SOC），车辆的剩余续驶里程估算如下（这里假设行驶路径中分别由两种工况组成）：

式中，∇Et为车辆单位里程下综合能耗，Kw·h；∇Ed为车辆单位里程下行驶能耗，Kw·h；∇Ea为车辆单位里程下附件能耗，Kw·h；Pa为附件所消耗的电池能耗输出功率，Kw；V1和V2分别为两类工况下车辆的平均速度，km/h：Eres为电池剩余荷电量，km/h；Sres为车辆剩余续驶里程，km。

3 仿真验证

在ADVISOR中建立相应的电动汽车模型，然后设置汽车参数和道路坡度等，这里选取NEDC工况，NEDC工况是欧洲续航测试标准循环工况，主要在欧洲、中国、澳大利亚使用。在设置好参数后，即可运行。运行结果如下图1所示。

图1 仿真结果图

图1包括四个仿真结果图，第一个为电动汽车的行驶速度曲线，并在右方给出了汽车速度、行驶时间、行驶距离的具体数值，车辆的行驶距离为10.93km，行驶时间为1183s，最好时速为120km/h，平均时速为33.21km/h。第二个为电动汽车的剩余荷电量（SOC），由图可知在行驶了10.93km后，车辆SOC由100%消耗至69%。第三个是电机克服电动汽车的各种阻力和加速度所提供的牵引力，由图可知，在电动汽车加速时所需要的牵引力最大，匀速时牵引力很小。第四个是电动汽车实时的能耗曲线，在加速时能量消耗较大，匀速时能量消耗很小，减速时会有少量的能量反馈。

电动汽车具体的能量损失如图2所示，在行驶过10.93km后，电机损耗1200kj能量，齿轮损耗431kj能量，车轮/车轴损耗373kj能量，辅助负载损耗829kj能量，空气阻力消耗2244kj能量，道路损耗1617kj能量，共消耗6748kj能量，即约1.874kj，由此可得车辆的单位历程下综合能耗值约为0.171Kw·h/km，由车辆参数知车辆电池总电量为50.42Kw·h，则由公式（）可计算得车辆的总续航里程为294.85km。

图2 车辆能量损失图

4 结论

本文在ADVISOR建立相应的电动汽车模型，基于此模型对电动汽车的能耗进行仿真，从仿真结果可以清晰地得到电动汽车的行驶速度、行驶距离、剩余荷电量和各部件的能量消耗，由综合消耗及车辆电池总电量可得车辆的总续航里程。