纯电动汽车动力性分析和续驶里程研究

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
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。
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 ／
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
，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
Pj 按文献［３］计
算。
2.2 续驶里程影响因素
影响纯电动汽车续驶里程的主要因素有：行驶外部
条件、滚动阻力系数、空气阻力系数、机械传动效率和
影响纯电动汽车行驶的能量消耗和续驶里程的重
第１期
唐瑜亮：纯电动汽车动力性分析和续驶里程研究
１１
要因素。 ２）辅助系统和低压电器系统的能量消耗。气泵电
机、油泵电机、车内外照明系统、冷暖空调、仪表电器电 路及其它电子设备电路，都需要消耗动力电池储存的能 量。因此，辅助系统和低压电器系统的选择尽可能选耗 能少的产品。
ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＰＥＶ ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｈｅ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒ－
ｃｕｉｔ ｌｏａｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ＰＥＶ ｄｒｉｖｉｎｇ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＥＶ ｄｒｉｖｉｎｇ ｒａｎｇｅｓ， ａｎｄ
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
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）。
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］。
数值 １７ ０００
６．７５ ０．７ ０．４６６ f＝０．００７ ６＋０．０００ ０５６Ｖ ５．８６ ０．９２ ０．９３ ０．９６ ４００Ａｈ／３．２Ｖ ２１６（１６９ 串） ０．８５
１）等速行驶续驶里程的计算。纯电动汽车在良好
的水平路面上一次充电后等速行驶直至消耗掉动力
电池组总能量为止所行驶的里程。它是纯电动汽车的
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
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
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
第１期 第１期
客车技术与研究 BUS & COACH TECHNOL OGY AND RESEARCH
Ｎｏ．１ ２０１３
９
纯电动汽车动力性分析和续驶里程研究
唐瑜亮
（桂林客车工业集团有限公司，广西 桂林 ５４１８０５）
摘 要：分析纯电动汽车电机驱动特性，建立纯电动汽车动力性计算模型；分析纯电动汽车行驶中主电路
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
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］。
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）。
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
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
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
fmg－
CDAua ２１．１５
dHale Waihona Puke Baidu，ｓ
当 ua＞ub 时，加速时间
ua
ub
乙 乙 t＝ １ ３．６
０
δm dv＝ １
Ft２－ Ff-Fw
３．６
（
０
δm
２
Ft２－ fmg－
CDAua ２１．１５
dv＋
ua
乙
δm ２ dｖ），ｓ
ub
Ft２－ fmg－
CDAua ２１．１５
式中：ua 为行驶速度，ｋｍ／ｈ。结合积分公式：
＋
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。
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。
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－
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）电机和电机控制系统。电机、电机控制系统效率 对续驶里程的影响最大。额定工况的效率愈高，续驶里 程的数值愈大。因此，不仅要求电机具有较高的额定效 率，而且要求电机具有很宽的高效率区域，这样才能在 各种行驶工况下充分利用有限的能量。电机制动能量回 馈是电动汽车节能的重要措施之一， 一般可回收 １５％ ￣２０％的能量，有利于延长纯电动汽车的行驶里程［６］。
４）纯电动汽车最高车速。 当电动汽车达到最高车
速时，电机处于恒功率段运行，汽车的牵引力与滚动阻
力及空气阻力处于平衡状态。求出阻力功率 （Pf+Pw）／η 与连续工作的电机输出功率曲线的交点，得出最高车速
姨 uｍａｘ＝
Fｍａｘ－ mgf ，ｋｍ／ｈ CDA／２１．１５
式中：Fｍａｘ 为最大驱动力，Ｎ。同时，电机调速所能达到的