纯电动汽车变工况运行能效分析

组数/组
图 ８ 测 试 车 辆 电 池 组 电 压 变 化 量
分析。根据 纯 电 动 汽 车 的 运 行 特 性 及 能 量 守 恒 原 则，可得出动力电池输出功率 Ｐｅｏｕｔ计算公式：
Ｐｅｏｕｔ＝ＵｔＩＤＯＤ０ 式中：Ｕ 为电池电压；Ｉ 为放电电流；ｔ为放电 时 间； ＤＯＤ０ 为放电深度。
动力电池储能效率
车载电池管理 系 统 （ＢＭＳ）
在车辆 行 驶 过 程 中 采 集 电 池 组 的 总 电压、总 电 流、储 备 能 量、单 体 最 低／ 最高电压和温度参数
３５６１－０１ 电 池 测 试 、采 集 动 力 电 池 的 阻 抗 值
测试仪
表 ３ 测 试 实 验 参 数 设 置
项目
实验参数
恒流放电 静 置 时 间／ｓ
车 速 / （km·h-1） 功率/（0.1 kW） 电 池 容 量/Ah
700
600
车速
功率
容量
500
400
300
200
100
0 373 375 376 377 378 379 380 381 381 382 384 384 385
电压 U/V
图 ６ 变 工 况 下 电 压 与 车 速 、容 量 、使 用 功 率 的 变 化 关 系
８
公 路 与 汽 运
Ｈｉｇｈｗａｙｓ ＆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
２０１第２３年期５
月
纯电动汽车变工况运行能效分析
郭 宝 玉 ，袁 翔 ，孙 香 梅 ，尤 立 刚 ，张 翼
（长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 ４１０００４）
摘 要 ：针 对 某 城 市 纯 电 动 汽 车 实 际 运 行 过 程 中 的 能 源 消 耗 过 程 进 行 能 效 分 析 研 究 。 通 过 建 立 纯电动汽车能源效率链模型及该城市纯电动汽车的实际运行 测 试，验 证 了 纯 电 动 汽 车 运 行 的 能 源 效率链模型，分析了纯电动汽车动力 电 池 的 储 能 效 率 和 输 出 能 量 效 率 ，得 出 了 影 响 纯 电 动 汽 车 整 体效率的主要因素。
电压
电流
60
放电过程
充电过程
50
40
30
20
10
0
1
1 000
1 999
2 998
3 997
时间 t/s
图 ３ 锂 离 子 动 力 电 池 电 压 、电 流 特 性
通过车载 ＢＭＳ 系 统 采 集 ＥＶ 车 辆 实 际 运 行 数 据，图４、图５分别为测试车辆实际 运 行 工 况 下 的 速 度－时间和电压－使用功率变化曲线。
为精确地获得纯电动汽车在变工况下的能效效 率，该文就能量输 入、输 出 过 程，建 立 纯 电 动 汽 车 能 源 效 率 链 模 型 ，以 动 力 电 池 为 媒 介 ，分 析 能 量 输 入 和 输出过程中各阶段 的 能 耗 损 失，确 定 影 响 纯 电 动 汽 车整车能效的主要因素。
１ 纯 电 动 汽 车 能 源 效 率 链 模 型
η１＝ＰＰｅｉｏｎｕｔ＝ＰＵｉＩｎｔＤＯＤ０ 式 中 ：Ｐｉｎ为 电 网 输 入 的 电 量 功 率 。
根据 锂 离 子 动 力 电 池 特 性 要 求，取 放 电 深 度 为 ８０％ ，由 实 验 测 试 和 实 车 运 行 数 据 可 得η１ ＝０．９４。 ４．２ 动 力 电 池 输 出 能 量 效 率 分 析
图４、图５表 明：车 辆 行 驶 速 度 瞬 间 提 高 时，放 电 电 流 迅 速 增 大 ，造 成 动 力 电 池 组 快 速 放 电 ，电 池 放 电功率瞬间增大。
车 辆 速 度 越 高 ，所 需 能 量 越 大 ，对 工 况 运 行 数 据 进行整理分析，可得 被 测 试 纯 电 动 汽 车 变 工 况 下 电 压、容量、使 用 功 率 及 车 速 的 变 化 情 况 （如 图 ６ 所 示），测试车辆运行前 后 电 池 组 电 压 变 化 （如 图 ７ 所 示 ）和 电 池 组 电 压 变 化 量 （如 图 ８ 所 示 ）。
图 ７ 表 明 ：电 池 组 在 运 行 时 其 电 压 会 下 降 ；大 多 数电池组电压均在 一 定 区 间 内，个 别 电 池 组 电 压 会 急剧下降或电压值小。
由图７的２、图 ８ 的２′处可知：动力电池组瞬间 电压变化量最大，造 成 此 现 象 的 主 要 原 因 是 电 池 自 身内阻过大，引发 电 池 放 量 下 降，放 电 速 度 过 快，进 而影响车辆续驶里程。
公 路 与 汽 运
总第１５０期 Ｈｉｇｈｗａｙｓ ＆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ９
表 １ 纯 电 动 汽 车 整 车 主 要 参 数
项目
参数值
项目
参数值
车型
ＦＹ６７０２
轮胎规格
７．００Ｒ，６．５０Ｒ１６ＬＴ
总 质 量／ｋｇ
４ 能 效 分 析
４．１ 动 力 电 池 储 能 效 率 分 析 动力电池储能特性可作为动力电池静态特性来
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公 路 与 汽 运
Ｈｉｇｈｗａｙｓ ＆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
２０１第２３年期５
月
90
速度 v/（km·h-1）
60
30
0
0
300 600 900 1 200 1 500 1 800 2 100 2 400
图 １ 纯 电 动 Fra Baidu bibliotek 车 能 量 输 送 模 型
２ 测 试 方 法 及 设 备
基于 纯 电 动 汽 车 能 源 链 模 型，选 用 某 公 司 生 产 的 纯 电 动 中 巴 车 进 行 测 试 ，利 用 车 载 管 理 系 统 、电 池 监测系统 监 测 车 辆 运 行 数 据 和 车 载 电 池 使 用 前 数 据 ，通 过 能 源 输 送 过 程 各 阶 段 效 率 分 析 ，确 定 纯 电 动 汽车的整体能效。测试车辆主要参数如表１所示。
为获 取 可 靠 数 据，采 用 表 ２ 所 示 的 动 力 电 池 特 性数据采集设备。
动力电池 特 性 数 据 采 集 方 法。１）动 力 电 池 安 装使用前数据采集。通过 ＢＫ３０００系列组合电池检 测柜测试动力电池 实 验 参 数，并 将 此 测 量 值 设 为 动 力电池额定参数。动力电池充放电特性测试参数设 置如表３所示。２）实 车 运 行 时 动 力 电 池 特 性 数 据 采集。通过 车 载 动 力 电 池 管 理 系 统 （ＢＭＳ）进 行 监 测 、采 集 ，导 出 后 进 行 整 理 和 分 析 。
纯 电 动 汽 车 能 量 来 源 于 电 网，电 能 经 由 电 源 转 换 装 置 储 存 于 动 力 电 池 内 ，车 辆 行 驶 时 ，动 力 电 池 输 出电能，经 由 电 动 机 驱 动 车 辆 运 行，实 现 能 量 由 电 能 、机 械 能 和 动 能 的 转 换 。
在 能 量 由 电 网 到 达 车 轮 的 过 程 中，能 量 损 失 主 要 包 括 ：１）电 能 经 由 电 源 转 换 装 置 输 入 动 力 电 池 过 程 中 的 线 路 损 失 和 动 力 电 池 电 化 学 损 失 ；２）动 力 电 池 的 输 出 能 量 过 程 损 失 ，包 括 电 化 学 损 失 、浓 差 极 化 损 失 和 欧 姆 损 失 等 ；３）电 能 由 电 动 机 输 出 给 车 轮 的 过程损失，包括电 动 机 的 电 能 损 失 和 机 械 损 失 及 传
９５
电 池 总 电 压／Ｖ 电池型号
３８４ ＸＹＦＹ１６０ 动 力 锂 电 池，额 定 电 压 ３．２ Ｖ，额 定 容 量 １６０Ａｈ，额 定 内 阻
最 小 离 地 间 隙／ｍｍ
０．２ ｍΩ ≥１６０
表 ２ 动 力 电 池 特 性 数 据 采 集 设 备
设备名称
设备功能
ＢＫ３０００系列组合 用于电池装 载 前 数 据 采 集，采 集 数 据 电池检测柜 包括电压、电流、能量、容量和温度
恒流恒压充电
放 电 电 流 ５３．４０ Ａ，终 止 电 压 ２．５０ Ｖ ３ ６００
充 电 电 流 ５３．４０ Ａ，终 止 电 压 ３．６５ Ｖ； 恒 定 电 压 ３．６５ Ｖ，终 止 电 流 ５．３４ Ａ
循 环 次 数／次
５
采 样 时 间 间 隔／ｓ
６
３ 动 力 电 池 特 性 数 据
电 池 容 量/Ah 电 池 能 量/Wh 电 池 功 率/kW
使 用 前 电 池 充 放 电 特 性 曲 线 如 图 ２、图 ３ 所 示 。
600 500
400 300 200 100
0 1
电池容量 放电过程
电池能量
电池功率
充电过程
1 000
1 999 时间 t/s
2 998
3 997
图 ２ 锂 离 子 动 力 电 池 容 量 、能 量 、功 率 特 性
电池电压/（0.1 V） 电 池 电 流/A
时间 t/s
图 ４ 车 辆 运 行 工 况 下 速 度 － 时 间 变 化 曲 线
功率 P/J
100 000 80 000 60 000 40 000 20 000 0 382 382 381 382 382 385 385 380 382 381 383 382 384
电压 U/V
图 ５ 车 辆 运 行 工 况 下 电 压 － 使 用 功 率 变 化 曲 线
运行时各组电压
停止时各组电压
3.25
1
2
3
3.20
3.15 3.10 3.05
1
10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118
组数/组
图 ７ 测 试 车 辆 运 行 前 后 电 池 组 电 压 变 化
0.10 0.08 0.06 0.04
0.02 0.00
1
2′ 17 33 49 65 81 97 113
关 键 词 ：汽 车 ；纯 电 动 汽 车 ；能 源 效 率 链 ；动 力 电 池 ；能 效 分 析 中 图 分 类 号 ：Ｕ４６９．７２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７１－２６６８（２０１２）０３－０００８－０４
纯 电 动 汽 车 （ＥＶ）因 运 行 时 的 零 污 染 、较 高 的 能 效特性和能源来源的多样性而备受清洁能源研究者 的关注。与传统车 辆 相 似，纯 电 动 汽 车 运 行 过 程 中 其动力输 出 功 率 与 行 驶 阻 力 功 率 始 终 处 于 平 衡 状 态。准确地对纯电动汽车变工况下整体能效特性进 行分析，对进一步提 高 纯 电 动 汽 车 能 源 利 用 率 具 有 十分重大的意义。而目前对纯电动汽车能源效率的 分析主要集中于实验台架和巡航工况等理想行驶状 态，不能准确地把握 纯 电 动 汽 车 在 实 际 行 驶 工 况 下 的能源效率。对于 整 体 能 效 分 析 而 言，不 仅 要 考 虑 电动驱动效率的影 响，还 必 须 考 虑 电 能 由 电 网 到 动 力 电 池 的 储 能 过 程 ，再 由 电 池 、电 机 到 达 车 辆 传 动 系 统的全过程能量传输的效率。
试 验 中 ，测 试 车 辆 在 干 燥 的 砼 路 面 上 运 行 ，运 行 距 离 约 ２０ｋｍ。 该 道 路 坡 度 小 于 １５°，路 面 不 平 度 系 数 Ｇｑ（ｎ０）＝２５６×１０－６ ｍ２／ｍ－１ （参 考 空 间 频 率 ｎ０ 为０．１ｍ－１），侧 向 弯 道 角 度 极 小，车 辆 处 于 稳 态 转 向行驶状态。
动机构的传动损失。据此可以建立纯电动汽车能量 效 率 链 模 型 （如 图 １ 所 示 ）。
电 网
η1
能 充电
量
动 力
η2
电 放电
池
电 动 机
η′3 η3″
传 动
η4
系
统
驱 动 车 轮
η１ 为电能由电网到动力电池的储能效率 ；η２ 为 动 力 电 池 输 出 给 电 动 机的放电效率；η′３为 电 动 机 输 出 电 能 效 率 ；η″３为 电 动 机 输 出 机 械 效 率；η４ 为传动系统机械传动效率。
６ ５００
额 定 载 质 量／ｋｇ
１ ０００
整 备 质 量／ｋｇ
５ ５００
额 定 载 客／人
９
转 弯 直 径／ｍ
≤１７
接 近 角／（°）
≥１５．５
电 动 机 功 率／ｋＷ
８０
外轮廓尺寸／ｍｍ ７ ０２０×２ ０４０×２ ７９０
轮 距 （前／后 ）／ｍｍ
１ ７５９／１ ５７４
最 高 车 速／（ｋｍ·ｈ－１）