低速電動汽車的能耗分析

陳 勇，張 潘

（1. 北京信息科技大學，北京 100192；2. 北京電動車輛協同創新中心，北京 100081）

低速電動汽車的能耗分析

陳 勇1，2，張 潘1

Chen Yong，Zhang Pan

（1. 北京信息科技大學，北京 100192；2. 北京電動車輛協同創新中心，北京 100081）

為了合理利用低速電動汽車有限的車載能源，對低速電動汽車能耗的影響因素進行分析。在設計、使用方面提出了建議，有利于低速電動汽車的研發和推廣。

低速電動汽車；能量消耗；能量利用率；動力性能

低速電動汽車應用范圍不斷擴大，雖然有利于國家能源安全和節能減排，但其生產條件、質量保證和市場準入問題引起了業界的關注。1

低速電動汽車因其價格低廉、充電便捷、電池少、自重小、價格低和使用方便等特點，在農村市場、三、四線城市有較大需求，得到了較快發展。隨著產業政策進一步明晰，有可能形成批量規模，對推動我國電動汽車產業化、開啟電動汽車大規模消費市場具有重大意義[1]。

中國與歐美國家對于低速電動汽車的定義并不相同，主要差別表現在整車質量、行駛速度、續駛里程、儲能電池的類型、行駛的道路條件和安全性等幾個方面[2]。

總體而言，在目前儲能技術條件下，低速電動汽車所存儲的能量有限，從整車能量消耗的角度進行整車及部件的選型、合理使用與維護，可提高車輛能量利用效率，優化低速電動汽車的整體性能。

1 整車的性能計算

低速電動汽車的運行工況主要是城鄉交通，車輛大部分時間處于啟動、加速和制動工作狀態，最高車速、爬坡度和續駛里程是整車的重要指標。表1列出了國內外幾款低速電動汽車的參數。

1.1 低速電動汽車的最高車速

式中，umax為最高車速，km/h；r為輪胎滾動半徑，m；nmax為電機最高轉速，r/m in；ig min為變速器的最小傳動比；i0為主減速器的傳動比。

1.2 低速電動汽車的爬坡度

式中，imax為最大爬坡度，%；DImax為動力因數；f為滾動阻力系數；Ttq為驅動電機轉矩，N·m；ηT為傳動系效率；ρ=1.225 8 N·s2·m-4；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，m2；ua為車速，km/h；m為低速電動汽車的整備質量，kg。

1.3 低速電動汽車的續駛里程

電動汽車的續駛里程有等速法和工況法 2種測量方法，計算可以針對上述 2種工況進行。但是，由于工況法的循環只比等速法增加了加速和減速工況，在計算消耗功率時，計入加速時的功率消耗就可以了。所以，等速法和工況法在某一狀態時的計算方法是相同的[3]。

表1 低速電動汽車性能比較

車輛在平直路面上勻速行駛時消耗的功率為

式中，m為整車質量，kg；f為輪胎滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；u為車速，km/h。

等速法的續駛里程為

式中，ua為車速，km/h；W為電池儲存的能量，kWh；η為機械系統和電氣系統的總效率。

工況法的續駛里程為

式中，Si為每個狀態的行駛距離，km；k為車輛能夠完成的狀態總數。

2 低速電動車能耗的影響因素分析

2.1 整車質量

整車質量可以認為由3部分組成，即

式中，md為整車質量，kg；mb為電池質量，kg；mp為裝載質量，kg。

對于確定的低速電動汽車而言，只有裝載質量是變化的，不考慮空氣阻力影響時，能量的利用效率為

能量利用效率與有效載荷比如圖1所示。

可見，隨著載荷比增大，即整車的有效載荷越大，能量利用效率越高。在設計和使用低速電動汽車時，應盡可能減輕車輛自重，增加有效載荷。

2.2 電池類型

低速電動汽車可以使用的電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池，目前電池成本主要集中在電池生產成本和廢棄電池引起的環境治理成本方面。隨著生產成本不斷降低，鋰離子電池的使用會逐漸增多，3種類型電池的比較見表2。

表2 3種類型電池的比較[5]

動力電池的一致性、工作環境溫度等對其性能有很大影響。實驗表明，鋰離子電池在-10℃時可放出的能量僅為30℃時的2/3，但是內阻增加了1倍左右[4]。目前在電動汽車上，電池組采用單體電池串聯成組再并聯的方式。串聯電池組通常存在電壓不一致的問題，引起電池組的實際輸出功率與理想值存在差異，確保電池組參數一致性對保證動力電池能量輸出至關重要。

對表 2進行無量綱化處理，對輕型電動汽車的電池指標進行對比，如圖2所示。

可見，鋰離子電池（鋰離子電池和鋰聚合物電池）除在價格和安全性方面處于劣勢外，其他方面均處于絕對領先地位，有進一步研發和大規模應用的前景。

2.3 電機類型

可供低速電動汽車選擇的驅動電機包括直流電機、交流異步電機、永磁電機和開關磁阻電機。電機的類型對電氣驅動系統以及電動汽車整體性能影響非常大，評價電動汽車的電氣驅動系統實質上主要是對不同電機及其控制方式進行比較和分析。不同方案各有側重，批量生產的可靠性和成本比方案本身更為重要。表 3是電動汽車用驅動電機的性能比較。

表3 電動汽車用驅動電機的性能比較

電機的起動性能（起動轉矩/起動電流）、加速性能、低速時的效率、制動及滑行時的能量再生能力、電機的過載能力、能量密度和可靠性都應兼顧。由于電動汽車受空間布置、整車質量限制以及對續駛里程的要求，電機應具有高體積比功率和高質量比功率。此外，在滿足性能要求的前提下必須考慮降低所有零部件的成本。

2.4 輪胎類型及充氣壓力

輪胎對汽車經濟性的影響主要表現在對滾動阻力的影響上，任何增大滾動阻力的因素都會使汽車的經濟性變差。輪胎的材料、充氣壓力、類型、工作溫度、直徑和花紋等因素都會影響輪胎的滾動阻力，進而影響輪胎的經濟性。其中，對低速電動汽車經濟性影響最大的因素是輪胎的充氣壓力和輪胎的類型。圖 3和圖 4分別為輪胎氣壓和輪胎類型對滾動阻力系數的影響[6]。

不同滾動阻力系數的輪胎，引起的能量損失增加比例為

式中，f0、f1為規定的充氣壓力和實際充氣壓力下的滾動阻力系數。

能量損失增加比例與滾動阻力系數變化有關，當其他條件相同時，低于規定充氣壓力的輪胎對低速電動汽車能耗影響較大，子午線輪胎比普通斜交輪胎能耗低。

3 降低能量消耗的措施

低速電動汽車能量消耗率影響因素較多，為提高能量利用率，在設計和使用階段應予以重視，主要有以下措施：

（1）進行車身輕量化設計，降低電動汽車自重，增加有效載荷，提高能量利用率；

（2）選擇高比能量和比功率的電池，以減輕電池組的自重；選擇一致性好的電池，并注意電池使用過程中的維護；

（3）選擇高功率密度、轉矩密度的電機；

（4）選擇滾動阻力系數小的子午線輪胎，確保輪胎處于規定的充氣壓力。

4 結 論

分析了低速電動汽車能耗的影響因素，設計中應盡可能減小車輛自重，提高有效載荷，根據使用要求及性價比選擇主要的部件，在使用過程中，加強對動力電池的維護，確保輪胎處于廠家規定的充氣壓力，以便在現有儲能技術水平下進一步提高低速電動汽車的使用性能。

[1]張雷，方海峰. 我國小型低速電動汽車發展現狀[J]. 汽車與配件，2010（48）：38-41.

[2]劉洋. 低速電動車產業地圖[J]. 中國經濟和信息化，2011（16）：38-39.

[3]陳勇，孫逢春. 電動汽車續駛里程及其影響因素的研究[J]. 北京理工大學學報，2001，21（5）：578-582.

[4]周震濤，嚴燕. 鋰離子動力蓄電池充放電基本性能的研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），2001，29（4）：17-21.

[5]Iqbal Husain. Electric and Hybrid Vehicles： Design Fundamentals，second edition [M]. Boca Raton，Florida ：The Chem ical Rubber Company Press，2011.

[6]余志生，汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

U469.72：U461.8

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.003

1002-4581（2015）02-0010-04

2014?11?14

北京市屬高等學校高層次人才引進與培養計劃項目（CIT&TCD20130328），北京市教委科研基地建設項目（PXM 2014_ 014224_000065）。