纯电动汽车动力性分析和续驶里程研究

纯电动汽车驱动电机的一般工作方式为恒转矩起动，达 1.2 电动机的转矩特性
到额定功率后转为恒功率运行。电机在低速运转时，电
假设电机驱动系统具有理想的峰值工作特性，其转
机控制器向电机输出的电压随着转速的增大而增大，此 矩、功率—车速曲线如图 １ 所示。图中，ub 为电机基速
时电机为恒转矩特性；当转速增大到某一值时，电机端电 （额定转速 nb）对应车速；uｍａｘ 为电机最高工作转速 nm 对 压达到电源电压，这时的转速值即电机基速。超过基速 应车速；ua 为电动汽车起步加速达到的某一车速［３］。
负载电流变化，给出相关计算方法；研究影响纯电动汽车续驶里程的因素，建立其续驶里程计算模型。
关键词： 纯电动汽车；动力性能；负载电流；续驶里程
中图分类号：Ｕ４６９．７２；Ｕ４６７．４＋９８
文献标志码：Ａ
文章编号：１００６－ ３３３１（２０１３）０１－ ０００９－ ０３
Analysis of Power Performance and Study on Driving Range for Pure Electric Vehicle
后，电机端电压保持不变，而磁通随着转速增加呈双曲线 形衰减，因此， 转矩也随着转速增加呈双曲线下降，此时 电机为恒功率特性［２］。因此，选择电机基本原则：电机额定
T
转矩
P 功率
功率能满足最高车速要求；电机短时工作转矩能满足最
大爬坡度要求；常规车速应落在变频电机的基频上；最高
车速功率平衡点应落在电机特性曲线的恒功率段上。
作者简介：唐瑜亮（１９７５－），男，工程师；从事客车电器、车身、电动汽车动力电源系统的研发和设计工作。
１０
客车技术与研究
２０１３ 年 ２ 月
车速、不同爬坡度及不同加速度情况下所需电机的动力
与功率和其他参数，部分如下：
３
１）纯电动汽车功率
PM＝
１ η
（
mgf ｃｏｓα ３ ６００
ua＋
CDAuａ ７６ １４０
１）车速与电流的关系。 在水平路面上，纯电动汽
车等速行驶所需要功率换算至电机输出轴为
３
PM＝
η１ （
mgf ua ３ ６００
＋
CD ７６
Aua １４０
），ｋＷ
因此，ICD=
PB UB
＝ １ ０００ PM UBηMηC
，Ａ
２）坡道与坡道起步电流的关系。 主电路电流
ICD=
PB UB
＝ １ ０００ Pi UBηMηC
动力电池组总能量，ｋＷ·ｈ；C 为电池组额定容量，Ａｈ；UB 为电池组端电压，Ｖ，其值等于每组电池的额定电压与电 池组数量的乘积。另外，有制动能量回馈功能的电机，制 动能量占工况总能量 １５％￣２０％，车辆续驶里程会增加 １０％￣１５％［１０］。
表 2 匀速车速与续驶里程
匀速车速 （／ ｋｍ／ｈ） ３０ ４０ ５０ ６０
最高转速，决定驱动车轮后所能达到的最高车速，用
uｍａｘ＝０．３７７ rnｍａｘ/i 校核，取两者之中的小者。 ５）纯电动汽车加速时间。加速时间分为原地起步
加速时间和超车加速时间。
当 ua≤ub 时，加速时间
ua
ua
乙 乙 t＝ １ ３．６
０
δm dv＝ １ Ft１－ Ff-Fw ３．６
０
δm
２
Ft１－
的转矩产生一对地面的圆周力 F０，同时地面对驱动轮产 生反作用力即是驱动汽车的外力，此力称为电动汽车的 驱动力 F（t Ｎ）。其数值为 Ft=TM×i×η/r，其中：i 为传动系总
汽车发展原因之一是续驶里程短，分析影响续驶里程的 传动比；r 为车轮半径，ｍ；η 为传动系机械效率（根据经
原因、提高续驶里程是纯电动汽车研究者追求的目标。 验，配变速器时，η 取 ０．８６；电机直接驱动时，η 取 ０．９０）。
Ｔａｎｇ Ｙｕｌｉａｎｇ
（Ｑｕｉｃｋ Ｂｕｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ， Ｇｕｉｌｉｎ ５４１８０５， Ｃｈｉｎａ）
Abstr act：Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ （ＰＥＶ） ｍｏｔｏｒ， ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ
＋
mg ｓｉｎα ３ ６００
ua＋
δmj ３ ６００
ua）
利用功率平衡定性分析设计使用中有关动力性问
题较为方便。另外，在纯电动汽车主电路上的电流分析、 续驶里程分析中也常用它［４］。
２）车速 － 电机转速间关系。电动汽车车速 u（a ｋｍ／ｈ） 可利用电机转速 n（ｒ／ｍｉｎ）换算：ua＝０．３７７ rｎ／ｉ。式中，i 为 总减速比；r 为车轮半径，ｍ。
根据文献［１２］，现举一从加速 － 匀速 － 减速工况来
说明多工况行驶续驶里程的计算。假定速度从 ０ 加速到
３２ ｋｍ／ｈ 用时 １２ ｓ，再以 ３２ ｋｍ／ｈ 等速行驶 ２４ ｓ，最后减
速行驶到车辆停止用时 １１ ｓ。加速时驱动力为 Ft１＝ mgf
２
２
＋ CDAuａ ／２１．１５＋δ×m×j＝１７ ７２２．７ Ｎ， 行驶里程为 S１＝ uａ ／
乙１ a２－ u２
＝
１ ２a
｜
a+u a-u
｜ ＋c，可求出加速时间 t。
６）纯电动汽车能爬上的最大坡度。与传统汽车计
算一样。
2 主电路负载电流及续驶里程影响因素分析
2.1 主电路负载电流
纯电动汽车在行驶时，电机的输出功率将随阻力功
率的变化而变化，因此，主电路中传递的电功率也是在不
断变化，但与所需的阻力功率始终保持平衡。纯电动汽车
３）车速 － 电机转矩、驱动力。电机输出转速与转矩
之间的计算公式：TM＝ Tｍａｘ （n≤nb），或 TM＝９ ５４９ Pｍａｘ ／n （n＞nb）。式中，Tｍａｘ 为电机额定转矩，Ｎ·ｍ；Pｍａｘ 为电机 额定功率，ｋＷ。
结合上式，得出纯电动汽车牵引力 F（t Ｎ）和车速之 间计算公式：Ft＝ Tｍａｘ iη／r （u≤ub），或 Ft＝３ ６００ Pｍａｘη／ ua （u＞uｂ）。
上的电路较为复杂，有供冷暖空调、气泵电机、油泵电机
提供动力的电路，有供照明和仪表的电路，还有其它电子
设备的电路等。纯电动汽车的主电路是指给电动汽车行
驶提供所需能量的电路，即动力电池组—电机控制器— 电机［５］。动力电池组的输出功率：PB=UBIBηMηC，ｋＷ。
式中：UB 为电池组端电压，Ｖ；IB 为电池组输出电路的 电流，Ａ；ηM 为电机效率；ηC 为电机控制器效率。
ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ．
K ey wor ds: ｐｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｌｏａｄ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｄｒｉｖｉｎｇ ｒａｎｇｅ
对纯电动汽车的牵引力、车速、主电路负载电流之 间进行研究，确定电机转速、转矩、驱动力之间的关系， 对纯电动汽车动力性分析十分必要［１］。目前，影响纯电动
整车质量等，它们对续驶里程的影响与传统汽车一样。
对于纯电动汽车，其续驶里程的影响因素还有：
１） 动 力 电 池 性 能 。动 力 电 池 性 能 主 要 指 能 量 密
度 、额 定 容 量 、放 电 率 、放 电 电 流 、放 电 深 度 、自 放 电
率 、内 阻 ，特 别 是 成 组 一 致 性 及 电 池 的 环 境 温 度 是
续驶里程 ／ｋｍ ３１１．２ ２７２．３ ２３７．３ ２０６．３
２）多工况行驶续驶里程的计算。多工况行驶比等速
行驶多加速和减速状态，在计算功率消耗时，计入加速
k
时的功率消耗就可以了。因此，多工况行驶里程 S＝ΣSi， i=1
式中：Si 为每个状态行驶距离，ｋｍ；k 为车辆能够完成
的状态总数。多工况行驶和等速行驶在某一状态时的计 算方法是相同的［１１］。
1 纯电动汽车受力分析
ub
ua
umax u／ｋｍ·ｈ－１
图 １ 电动汽车转矩、功率—车速曲线
1.1 驱动力
1.3 行驶阻力
纯电动汽车在行驶过程中，动力电池储存的电能通 过控制器输出给电机，电机输出功率，电机产生的转矩 TM（Ｎ·ｍ）经传动系传到驱动轮上。此时作用于驱动轮上
纯电动汽车的滚动阻力 Ff、空气阻力 Fw、坡度阻力 Fi、加速阻力 Fj 及它们与驱动力的平衡与传统汽车一 样，按照文献［３］计算。因此，可计算出纯电动汽车在不同
经济性指标之一 ［８－ ９］ 。匀速行驶时，总的驱动力：Ft=
２
m·g·f＋ CDAuａ ２１．１５
，则续驶里程：S＝
EBηηMηCηB×３ F
６００
，ｋｍ。其
计算结果见表 ２。其中动力电池组总能量 E＝ C×UB ／ １ ０００＝４００×（３．２×１６９）／１ ０００＝２１６，ｋＷ·ｈ。式中，EB 为
3 纯电动汽车续驶里程计算
纯电动汽车的续驶里程主要是根据电池输出能量 与车辆行驶消耗的能量相等的原则进行计算 ［７］ 。以一 １２ ｍ 电动城市客车的续驶里程为例来说明。其基本参 数见表 １。
表 1 某 12 m 电动城市客车的基本参数
参数 满载总质量 m／ｋｇ
迎风面积 A／ｍ２ 风阻系数 CD 轮胎滚动半径 r／ｍ 滚动阻力系数 f 主减速比 i０ 机械传动系效率 η 电机驱动效率 ηM 电机控制器效率 ηC 每组电池额定容量 ／ 电压 电池总能量 EB ／ｋＷ·ｈ 动力电池放电效率 ηB
，Ａ，爬坡功率 Pi 按文献［３］计算。
３）加速时间与电流的关系。电动汽车在水平路面
上加速行驶时，主电路电流
ICD=
PB UB
＝ １ ０００ Pj UBηMηC
，Ａ，加速消耗功率