純電動汽車動力性與經(jīng)濟(jì)性有效平衡的研究

薛冰

燕京理工學(xué)院工學(xué)院，河北廊坊 065201

0 引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，然而由于油氣資源不足，能源供需矛盾日益突出，2019年中國的原油進(jìn)口量高達(dá)5.057 2×108t，對進(jìn)口油氣依賴度不斷升高。在這種背景下，中國新能源汽車2019年產(chǎn)銷規(guī)模突破120萬輛，保有量也達(dá)到419萬輛，占全球54.5%。2019年，中國總計生產(chǎn)了102萬輛純電動汽車，銷售了97.2萬輛。純電動車市場相對于混合動力汽車市場要好得多。同時，中國政府出臺了大量扶持政策，并給予大量購置補貼、稅收減免與財政補貼等優(yōu)惠政策，推動純電動汽車產(chǎn)業(yè)體系化發(fā)展。

2019年7月1日正式出臺了GB/T 36980—2018《電動汽車能量消耗率限值》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)旨在推動純電動汽車向節(jié)能方向發(fā)展，為電動汽車節(jié)約了電能，并優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，同時為新能源汽車健康持續(xù)的發(fā)展提供了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于具有三排以下座椅且最高車速不小于120 km/h的電動汽車車型，當(dāng)整車整備質(zhì)量在 750 kg及以下時，百公里能量消耗率限值應(yīng)為 13.1 kWh[1]。

1 純電動汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析

汽車的動力性評價指標(biāo)主要有最大車速、0～100 km加速時間、最大爬坡度。以乘用車為例，最高車速的范圍為120～250 km，與之對應(yīng)的發(fā)動機排量也各不相同；一般用0～100 km/h的加速時間來評定，加速時間范圍為6～12 s；最大爬坡度一般在30%～60%。

汽車經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)為一定運行工況下百公里燃油的消耗量。在國標(biāo)中規(guī)定的乘用車燃料消耗限制，按著整車整備質(zhì)量的不同，分為兩個階段：第一階段的百公里燃油消耗量范圍為7.6～16.4 L，第二階段的百公里燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)為6.6～14.7 L。

根據(jù)市面上已有傳統(tǒng)燃油車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性情況的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，排量大的車動力性較強，排量相同整車整備質(zhì)量小的車動力性較強，排量小的車經(jīng)濟(jì)性較好，整車整備質(zhì)量小的經(jīng)濟(jì)性較好，公路路況比城市路況的經(jīng)濟(jì)性好。

對于純電動汽車來說，動力源由發(fā)動機改為電動機，汽車的使用性能未發(fā)生任何變化，動力性評價指標(biāo)依然是最高車速、0～100 km加速時間、最大爬坡度，但是由于純電動汽車是使用電力驅(qū)動，所以經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)發(fā)生了變化，汽車經(jīng)濟(jì)性可以用能量消耗率和續(xù)駛里程來評價[2]。動力性和經(jīng)濟(jì)性歷來是一對矛盾體，要得到最佳的狀態(tài)就要均衡動力性和經(jīng)濟(jì)性。也就是電動汽車的動力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)都要達(dá)到設(shè)計的目標(biāo)，在保證汽車動力性的前提下經(jīng)濟(jì)性還要好，只有達(dá)到相互平衡，才能符合國標(biāo)，才能立足于市場。

續(xù)駛里程是汽車經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)同時也是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵影響因素，國家對電動汽車補貼政策也圍繞著續(xù)駛里程來確定，同時續(xù)駛里程也會影響電動汽車用戶的駕駛感受。

傳統(tǒng)車企中比亞迪在很早之前就開始研究開發(fā)純電動汽車，從最早的e6純電動車型，其續(xù)駛里程就已經(jīng)達(dá)到了300 km，到后續(xù)推出的王朝系列的漢、秦、唐、宋、元等車型均有純電動版本，再到最近推出的海豚、海豹系列電動汽車，比亞迪品牌的純電動汽車電池、電機及電控系統(tǒng)的技術(shù)都在快速地提升。除比亞迪外，吉利、長安、長城、北汽等品牌的電動汽車板塊也在快速發(fā)展之中。

除傳統(tǒng)車企在發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)外，同時市面上也出現(xiàn)了大量的造車新勢力和國外的電動汽車品牌，如蔚來、小鵬、特斯拉等，其關(guān)鍵技術(shù)也是非常成熟的，同時引領(lǐng)了電動汽車技術(shù)的發(fā)展[2]。車企代表車型續(xù)駛里程對比見表1。

表1 車企代表車型續(xù)駛里程對比

2 ADVISOR簡介及仿真策略

ADVISOR是各大研究機構(gòu)應(yīng)用較多的仿真軟件，其綜合了各種仿真方法的優(yōu)勢，并且彌補了不足。軟件可以根據(jù)設(shè)置整車參數(shù)、動力電池參數(shù)、驅(qū)動電機參數(shù)、變速箱參數(shù)、車輪參數(shù)來分析電動汽車的動力性及經(jīng)濟(jì)性，同時可以分析不同控制策略對整車性能的影響，并且能夠進(jìn)行二次開發(fā)。軟件中參數(shù)優(yōu)化功能Autosize可以對所選參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)解。該軟件也有一些不足的地方如已有數(shù)據(jù)老化，無法滿足現(xiàn)有研究的需求，底層模型都需要進(jìn)行二次開發(fā)，同時需要更改大量數(shù)據(jù)參數(shù)且不適合進(jìn)行動態(tài)分析等[3]。

3 車輛各模塊仿真參數(shù)匹配

3.1 車輛模塊參數(shù)匹配

在現(xiàn)有市場上，選取了3種不同品牌同類型純電動汽車進(jìn)行對比分析[4]，整車基本參數(shù)見表2。

表2 3種車型整車基本參數(shù)

3.2 動力電池模塊參數(shù)匹配

為純電動汽車提供動力的部分是動力電池，其質(zhì)量會影響整車的性能，所以在選配時要格外注意，避免影響車輛性能。在市場上電動汽車中常用的電池類型有：鉛酸電池、鎳氫電池、三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池等[5]。

近年來動力電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本逐漸降低。在2021年上半年磷酸鐵鋰電池得到了快速發(fā)展，其市場占比也在不斷地提升，磷酸鐵鋰電池在整車生產(chǎn)中裝車輛達(dá)到了45.95%。但是在乘用車市場上磷酸鐵鋰的表現(xiàn)要遜于三元鋰電池，只有低端車型如五菱Mini EV，還有采用刀片電池的比亞迪車型。未來磷酸鐵鋰電池將繼續(xù)在低端乘用車、商用車領(lǐng)域不斷發(fā)展，而三元鋰電池依舊在乘用車市場上占據(jù)了主力位置[6]。

三元材料的電壓平臺比磷酸鐵鋰高，電壓平臺越高，比容量越大，在相同的體積或是質(zhì)量下，甚至同樣安時的電池，電壓平臺比較高的三元材料鋰電池續(xù)航里程更遠(yuǎn)[7]。在大倍率充電和耐低溫性能等方面，三元鋰電池也有很大的優(yōu)勢，所以市面上常見的中高端電動汽車采用的均為三元鋰電池。電池容量、能量、能量密度這些參數(shù)都起著至關(guān)重要的作用。動力電池組容量直接關(guān)系汽車的續(xù)駛里程與動力性，一般是以滿足正常車速下的行駛需要。

3種車型動力電池基本參數(shù)見表3。

表3 3種車型動力電池基本參數(shù)

3.3 電機模塊參數(shù)匹配

驅(qū)動電機也是電動汽車的核心部件，不同的電機對整車性能存在不同的影響，永磁同步電機和交流電機是常見的類型[8]。交流三相電機與永磁同步電機的優(yōu)缺點對比見表4。

表4 交流三相電機與永磁同步電機的優(yōu)缺點對比

現(xiàn)代電動汽車要滿足不同的行駛環(huán)境，對電動機的要求也越來越高，功率和轉(zhuǎn)矩是電動汽車的重要參數(shù)。為了滿足車輛行駛環(huán)境與汽車性能等方面的要求，要匹配合適的驅(qū)動電機，3種車型選擇的是交流電機，但是3種電機的功率和轉(zhuǎn)矩是不同的[9]。3種車型驅(qū)動電機參數(shù)對比見表5。

表5 3種車型驅(qū)動電機參數(shù)對比

4 仿真結(jié)果分析

4.1 動力性仿真結(jié)果

3種車型仿真分析結(jié)果如圖1至圖3所示。

圖1 A車型仿真分析結(jié)果

圖2 B車型仿真分析結(jié)果

圖3 C車型仿真分析結(jié)果

選取了3種不同類型的純電動車進(jìn)行對比分析，3種車型動力性指標(biāo)對比結(jié)果見表6。由表可知，A車型的最高車速達(dá)到了144.1 km/h是3種車型中車速最高的，百公里加速時間也僅有9.9 s是3種車型中最快的，最大爬坡度3種車型比較接近沒有太大差別。綜上所述，A車型的動力性最好，主要原因是其質(zhì)量最輕，空氣阻力系數(shù)最小，動力電池能量最大，驅(qū)動電機功率最高，這些參數(shù)都影響了A車型的動力性能。可見，這些參數(shù)的提升，對電動汽車動力性能的提升有著顯著的影響，在純電動車輛設(shè)計時，對于想要提升整車動力性能的車輛，可以適當(dāng)提升這些關(guān)鍵影響參數(shù)。

表6 3種車型動力性指標(biāo)對比結(jié)果

4.2 經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

對于傳統(tǒng)燃油汽車來說，百公里耗油量為汽車經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，對于純電動汽車來說可以用百公里的耗電量來衡量電動汽車的經(jīng)濟(jì)性，也就是能量消耗率。Advisor軟件中是把耗電量轉(zhuǎn)換成耗油量來表示電動汽車的經(jīng)濟(jì)性[10]。

3種車型經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比結(jié)果見表7。由表可以看到在NDEC循環(huán)工況下，電動汽車的耗電量轉(zhuǎn)換為耗油量之后的值都較小，可見電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車來說能耗是非常少的，而且電能的經(jīng)濟(jì)性要比燃油的經(jīng)濟(jì)性要好很多。根據(jù)3種車型的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比結(jié)果分析，A車型的百公里油耗僅有2.3 L，相對于其他兩種車型是最低的，因為A車型的整車基本參數(shù)整備質(zhì)量最輕，風(fēng)阻最小。A車型的續(xù)駛里程最長，B車型次之，C車型最短，3種車型的動力電池容量是依次降低的。可見續(xù)駛里程受到電池容量的影響是非常大的，提升動力電池的容量對提高續(xù)駛里程是十分有效的。

表7 3種車型經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比結(jié)果

4.3 動力性與經(jīng)濟(jì)性平衡分析

由仿真結(jié)果可知，對于純電動汽車來說，要提升整車的動力性可以調(diào)整以下幾個方面：①整車的基本參數(shù)包括減輕整車整備質(zhì)量和減小空氣阻力系數(shù)等；②提升動力電池的能量；③選用高功率的驅(qū)動電機。要提升整車的經(jīng)濟(jì)性同樣也可以調(diào)整整車的基本參數(shù)同時可以提高動力電池的容量。總之，平衡純電動汽車的動力性與經(jīng)濟(jì)性可以使整車性能得到全面提升，通過調(diào)整整車基本參數(shù)、動力電池的基本性能、驅(qū)動電機的選取這3個方面入手可以高效地提升純電動汽車的動力性經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語

本文通過 Matlab/Simulink對3種純電動汽車的動力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真，為了平衡動力性與經(jīng)濟(jì)性，對3種純電動汽車進(jìn)行了仿真分析，得到整車基本參數(shù)、動力電池、驅(qū)動電機參數(shù)的不同對純電動汽車動力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響結(jié)果，以及A車型電動汽車的動力性及經(jīng)濟(jì)性均衡相比于其他兩種汽車要做得更好，為電動汽車產(chǎn)業(yè)在動力性及經(jīng)濟(jì)性平衡方面提供了借鑒。