纯电动乘用车经济性优化方法研究

狄金刚　栾英林　李兴永　冯翠平

摘 要：能源和环保问题使纯电动乘用车经济性被日趋重视，因此经济性是纯电动乘用车的主要性能指标之一。本文选取某微型纯电动车型为研究对象，改善其NEDC工况续航里程指标。首先构建数学分析模型并确定参变量试验载荷、整车工作效率、滚动阻力系数;其次进行NEDC工况续航里程仿真分析并对仿真数据进行处理;最后进行NEDC工况续航里程试验测试，通过把仿真分析、试验测试的结果进行对比分析后，得出续航里程对参变量整车工作效率、试验载荷、滚动阻力系数变化的灵敏度，选定优化措施改善其NEDC工况续航里程指标（改善率14.4%），为改善纯电动乘用车经济性提供设计参考。

关键词：经济性;进化论算法;仿真分析;NEDC工况;灵敏度

1 前言

纯电动乘用车是以车载动力电池包为电源，依靠大功率驱动电机提供动力的交通工具，具有清洁无污染、能量转换效率高、结构简单等优点[1]。

当前纯电动乘用车行业内已刊登的文献中多数倾向于理论性研究，仅使用相关公式建立数学模型进行计算分析[2]，不够严谨。另外对于功率平衡方程中驱动电机工作效率与整车工作效率没有区分清楚，应为整车工作效率，实际是驱动电机工作效率[3][4]，为此本文选定某微型纯电动乘用车作为研究对象，采用NEDC工况续驶里程作为评判依据，首先用进化论算法构建数学模型，其次通过Cruise软件仿真数据与测试数据进行对比分析的方法实现改善其NEDC续驶里程的目的。

2 理论定性分析

对于纯电动乘用车经济性的改善与提高，主要考虑续驶里程以及行驶工况能耗。行驶工况能耗是以一定车速或者循环行驶工况为基础，以车辆行驶一定里程的能量消耗量来衡量[5-6]。这一点与GB/T 18386-2005《纯电动车能量消耗率和续驶里程试验方法》是一致的[7]。

2.1 数学模型建立

匀速行驶工况下，某时间间隔t内，以速度匀速行驶时，纯电动乘用车的功率平衡方程[8]

（1）

式中：Pi为驱动电机额定功率，单位kW;ηi为整车工作效率，与驱动电机工作效率、驱动电机控制器工作效率、动力电池包工作效率、变速箱工作效率、驱动半轴工作效率有关;m为纯电动乘用车试验载荷，单位kg;g为重力加速度，单位m/s2;为滚动阻力系数;为行驶车速，单位m/s;为风阻系数;A为正投影面积，单位m2。

此时驱动电机的转速和转矩分别为

（2）

（3）

式中：为减速器主减速比（车辆无变速箱），n为驱动电机转速，单位r/min;r轮胎滚动半径，单位m;T为驱动电机输出扭矩，单位Nm。

依据驱动电机使用外特性曲线图，并结合动力电池包工作效率以及主减速器等机械部件工作效率，可求得此时的，则消耗的能量为

（4）

式中：为时间间隔t内车辆匀速行驶所消耗的能量，单位kWh。

NEDC工况匀速行驶时车辆能量消耗W1为各匀速工况行驶能耗求和

（5）

式中：m为整个NEDC工况匀速行驶工况的个数。

匀加速行驶工况纯电动乘用车的功率平衡方程[8]

（6）

式中：为旋转质量转换系数;为加速度，匀加速行驶工况下为常量。

某匀加速工况下，车辆从车速加速至的过程中（行驶时间为t），选取速度间隔为1km/h的一段小区间，对应的行驶时间为，车辆车速从加速到，对应的驱动电机输出功率为

（7）

式中：ηk为整车工作效率，a车辆加速度，单位m/s2。

依据与匀速行驶工况相同的方法求得ηk，车辆从车速加速至的过程中车辆能量消耗为

（8）

式中：n为车辆从车速加速至的过程中车速间隔为1km/h的区间个数。

相应地整个NEDC工况下车辆匀加速行驶所消耗的能量为

（9）

式中：q为NEDC工况下车辆匀加速行驶工况的个数。

假设纯电动乘用车续航里程为S（km），动力电池组可释放电量为Q（kWh），每个NEDC工况对应的车辆续驶里程为（km），则有

（10）

NEDC工况试验循环由4个市区循环和1个市郊循环组成。整个循环工况整车分为匀速行驶、匀加速行驶、熄火静止三种行驶模式。此处研究S與m、、的关系（其余参量均为定值）。

3 仿真分析

3.1 模型建立

以某微型纯电动乘用车为例进行仿真分析，在Cruise软件环境中构建仿真模型。把整车的相关参数输入到模型中;把驱动电机外特性曲线图等信息输入到驱动电机模型中;动力电池组参数输入到电池模型中;其余模型信息以此类推进行处理。模型建立后，调试验证后进行仿真分析。

3.2 滚动阻力系数优化

初始状态时，车辆采用的轮胎滚阻系数偏高，采用低滚阻轮胎进行仿真分析，NEDC行驶工况续驶里程仿真分析结果如图1所示，具体结果见表1。

3.3 试验载荷优化

试验载荷优化的主要途径是整车轻量化，主要途径有减薄料厚、结构设计优化、采用铝合金碳纤维等复合材料等。由于该微型纯电动乘用车已经充分进行了整车轻量化工作，故仿真时采用试验载荷增值法进行分析。NEDC工况仿真分析结果见图2，具体结果见表2。

3.4 整车工作效率优化

整车工作效率优化主要有改善机械部分传递效率及电气部分传递效率两大类方法，与驱动电机工作效率、驱动电机控制器工作效率、动力电池包工作效率、变速箱工作效率、驱动半轴工作效率有关。NEDC工况法仿真分析结果见图3，具体结果表格3。

4 NEDC工况法测试

4.1 测试准备工作

准备新下线经过磨合的商品车一辆（整车工作效率可调），随带充电枪等一系列工具，委托国内权威第三方检测机构进行NEDC工况法测试，试验大纲可以与第三方检测机构人员共同讨论后定稿，其余工作依据GB/T 18386-2005《纯电动车能量消耗率和续驶里程试验方法》执行。

4.2 测试结果分析

测试过程中具体操作完全由第三方检测机构人员进行，关闭制动能量回收装置，然后对试验结果进行灵敏度分析，详见表4。

通过表4发现续驶里程S对于整车工作效率、试验载荷、滚动阻力系数变化的灵敏度依次降低。

由于车辆开发前期整车轻量化及整车工作效率匹配优化已经进行了大量的工作，然而滚动阻力系数未进行设计优化，因此最终选定优化滚动阻力系数（从0.015优化至0.010），达到改善NEDC工况续驶里程的目的（由127.5km增加至145.8km），提高率14.4%，效果非常显著。

5 结论

（1）对于某微型纯电动乘用车，首先构建数学分析模型，确定其整车关键技术参数，此时续驶里程的主要影响参变量是滚动阻力系数、试验载荷、整车工作效率。

（2）通过仿真分析与试验测试对比的方法确定试验数据的有效性，通过对试验数据进行分析发现续驶里程对整车工作效率、试验载荷、滚动阻力系数变化的灵敏度依次降低。

（3）选择优化措施时，需要结合车辆开发现状充分考虑实施每一项优化措施所需要投入的成本、周期等因素，权衡利弊最终选定优化措施。

参考文献：

[1]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002：24-25.

[2]王震坡、甄子健.纯电动汽车能耗经济性评价方法研究[J].高技术通讯，2007，17（2）：171-174.

[3]朱虹燃，王玉林，张鲁邹.纯电动汽车两档自动变速器的传动速比优化[J].农业装备与车辆工程，2014，54：43-45.

[4]周胜.纯电动汽車动力性及经济性分析[J].湖南大学硕士学位论文，2013，3：13-15.

[5]王震坡、姚利民、孙逢春.纯电动汽车能耗经济性评价体系初步探讨[J].北京理工大学学报，2005，25（6）：479-482.

[6]秦孔建，陈海峰，方茂东等.插电式混合动力电动汽车排放和能耗评价方法研究[J].汽车技术，2010，7：11-16.

[7]GB/T 18386《纯电动车能量消耗率和续驶里程试验方法》，2005版.

[8]余志生，《汽车理论》[M]，3版.北京：机械工业出版社，2000：38-56.