纯电动车经济性能影响因素仿真教学文案

纯电动车经济性能影响因素仿真1 纯电动汽车经济性能指标纯电动汽车是以二次电池为储能载体二次电池以铅酸电池镍氢电池埋离子电池为主。

由于二次电池目前在储电量、充放电性能、使用寿命、成本等方面无法与内燃机相比，因此近一时期以来，研究进展不大，大多数研究单位已将研究目标转为混合动力汽车。

纯电动汽车的经济性能是在保证动力性的前提下，汽车以尽量少的能量消耗行驶的能力，纯电动汽车在等速行驶、加速行驶和循环工况下的能量消耗率和续驶里程来决定经济性能的优劣。

车辆能耗经济性评价常用的指标都是以一定的车速或者循环行驶工况为基础，以车辆行驶一定里程的能量消耗量或一定能量可反映出车辆行驶的里程来衡量。

纯电动汽车能量消耗率是动力电池存放的电量维持汽车某一工况下运行的能力，如单位里程消耗的能量、百公里消耗能量；续驶里程是指纯电动汽车从动力电池全充满状态开始到试验规定结束时所走过的里程，如以45km/h行驶的里程等。

为了使电动汽车能耗经济性评价指标具有普遍性，其评价指标应该具有以下三个条件：（1）可以对不同类型的电动汽车进行比较；（2）指标参数值与整车存储能量总量无关；（3）可以直接通过参数指标进行能耗经济性判断；不同的纯电动汽车在不同的行驶工况下能量消耗率和续驶里程可能会不同，很难用统一的公式进行计算，下面将运用仿真的方法得出纯电动汽车的续驶里程和能量消耗率。

2 铃木电动车仿真分析根据目前国内外有关学者对纯电动汽车的研究结论，可以看出，纯电动汽车的研发出现了难以进行下去的问题。

一方面是由于纯电动汽车面临的成本和续驶里程等问题，一直没有很好的解决;另一方面，和人们对电动汽车的要求过于完美化，提出不切实际的过高要求有关。

因此，对纯电动车经济性能影响因素的分析和研究，可以对解决这个问题找到一些方法或者启示。

电动汽车仿真软件ADVISOR由美国国家再生能源实验室开发，使用后向仿真为主、前向仿真为辅的混合设计方法，具有车辆总成参数匹配与优化、传动/驱动系统能量转化分析、排放特性/能量消耗对比、车辆能量管理策略评价、整车综合性能预测分析等功能。

以下是铃木某款纯电动车的整车部分参数，汽车采用永磁电机和镍氢电池，并建立ADVISOR的仿真模型，分析影响纯电动汽车经济性能的参数[2]。

建立ADVISOR的仿真模型需要的参数有整车整备质量、空气阻力系数、迎风面积、轴距、最大载荷、电机最大功率、电机额定电压、电机最大扭矩、电池容量、主减速比。

在已知以上参数的情况下建立ADVISOR的仿真模型。

微型电动汽车具有无污染、低噪音、小体积、低速度和易驾驶等优点，使得它可以穿梭与大城市的各种道路，能够直接到达出租车都不能到达的身居小巷。

微型电动汽车的最高时速一般为45km/h,虽然比一般小汽车的速度慢，但比步行或骑自行车快得多。

因此微型电动汽车作为代步工具是相当合适的。

另外，微型电动汽车的低速度也提高了它在居住区行驶时的安全性。

驾驶微型电动汽车，比驾驶小汽车简单得多。

ADVIDOR提供了道路循环(Drive Cycle)、多重循环(Multiple)和测试过程(Test Procedure)3种仿真工况来仿真车辆的性能。

道路循环提供了CYC.ECE、CYC.FTP和CYC.1015等56种国外标准的道路循环供用户选择，另外提供了行程设计器(Trip Buider),可以将多达8种不同的道路循环任意组合在一起，综合仿真车辆的性能。

多重循环功能可以用批量处理的方式以相同的初始条件，快速计算和保存不同的道路循环情况下的仿真结果，并将它们显示在一起，供用户比较。

测试过程包括TEST.CITY.HWY和TEST_FTP等8种国外标准的测试过程供用户选择仿真。

微型电动汽车适合于城市道路工况，因此选择典型城市路况作为循环工况。

表1.仿真参数项目单位整车整备质量空气阻力系数迎风面积轴距最大载荷电机最大功率电机额定电压电机最大扭矩电池容量主减速比kg2mmmkgkwVNmAh13500.32240030050312200602.1模型建立：由这些参数建立仿真模型图1.仿真模型道路循环工况选择CYC_ECE_EUDC图2.CYC_ECE_EUDC图3.续驶里程3 参数匹配及仿真影响纯电动汽车经济性能因素很复杂，模型建立较为复杂，因此只对一般的参数进行仿真，分析其对纯电动汽车经济性能的影响。

3.1蓄电池的数学模型镍氢电池是一种新型环保的高容量二次电池，其特性和镍镉电池相似，只是以吸藏氢气的合金材料(MH)取代了镍镉电池中的负极材料镉(Cd)。

较之上述其它电池，镍氢电池有许多优点：能量密度高，是镍镉电池的1.5~2倍；可快速充放电，低温性能好；可密封，耐过充放电性能强；无毒无环境污染，不使用贵金属；无记忆效应[16]。

在当前的电动汽车仿真软件中，电池模型多采用内阻模型。

内阻模型将电池看成是一个理想的电压源和一个电阻串联的等效电路[13]，简化模型如图2-4所示。

图 4 内阻模型等效电路图中 E0——单体电池电动势(V)；U——工作电压(V)；I——工作电流(A)；Rint——等效内阻( )。

由图4所示得到电池的电压特性方程为：IR U E +=0(3—1)电池电动势E0和内阻Rint 受多个因素的影响，数值随电池状态时时变化，但通常只考虑主要因素的影响，例如在电动汽车的仿真软件ADVISOR 中，内阻模型将E0和Rint 看做荷电状态SOC （State of charge ）和温度T 的函数。

下面为了简化计算，暂将其视为常数。

得到，电池的放电功率为：I IR E UI P b )(int 0-== (3—2)电池的放电效率为：00E UI E UI ==η (3—3)电池的最大输出功率为：RE P b int20max 4=(3—4)Pb max 是一个理论的计算值。

在实际应用中为了防止过大的放电电流而产生过大的热量进而影响到电池的寿命，通常要求电池工作电压处于2/3~1倍的E0内，这样也可以保证电池具有较高的效率。

故在实际应用中电池的最大功率应限制为：REP b 92int20max =(3—5)蓄电池储存的总能量[6]:ηDODe e N W U C = (3—6)式中 Ce ——单个电池组的容量(A⋅h)；Ue——单个电池组的电压(V )；N ——电池组的数目；ηDOD ——电池组的放电深度，用百分数表示。

3.2整车能量整车能量消耗为：η∑=tp W iic 1000 (3—7)U U C U U P i i Di i i dt du M A Mgi Mgf 360076140360036003δ+++= (3—8) 式中Ui ——每个状态的电动汽车的行驶速度(km/h)；P i——每个状态电动汽车消耗的功率(kW)；ηηηηtec e =——电动汽车总的传动效率，它与主减速器及变速器各速比有关。

蓄电池存储的总能量[41]： ηDOD e e N W U C = (3—9)式中 Ce ——单个电池组的容量(A ·h)；Ue——单个电池组的电压(V)；N —— 电池组的数目；ηDOD ——电池的放电深度，用百分数表示。

考虑到电池通常以高于额定电流Ie 的电流I放电，所以电池的总能量要相应减少[42~44]，则有：ηDOD e e N W U C = (3—10)当3≤IeI时，313.1=IeI；当3>IeI，414.1=IeI。

等速行驶时的续驶里程：ηU a PWL ==∑ (3—11)综上，建立遗传算法的目标函数：()L fW i i eg1,21λλ+= (3—12)式中λ1，λ2——加权系数；一般加权系数是根据经验依据所侧重的性能来确定的，这里目标函数中的整车能量消耗和续驶里程两者之间是相互联系的，整车能量消耗越少，相同的蓄电池条件下，续驶里程就会越长。

3.1 电池电容对纯电动汽车经济性影响在铃木上述铃木纯电动汽车的基础上将电池电容分别变为20Ah ，30 Ah ，40 Ah ，50 Ah 进行仿真[4]，得到仿真结果如下图5. 全工况下电容影响电池soc 变化情况图6. 单循环工况下电容影响电池soc 变化情况电池容量（Ah ） 10 20 30 40 50 60随电池容量的增加纯电动汽车续驶里程也相应增加。

电池容量是纯电动汽车续驶里程的重要影响因素。

3.2 电池电量对纯电动汽车经济性能的影响相同电池容量的电池模块组数越多则电量越大，电池模块数分别设置为30，33，36，40，44，47，50，进行仿真，得到仿真结果如下图7. 全工况下电量影响电池soc变化情况图8.单循环工况下电量影响电池soc变化情况电池组数 30 33 36 40 4447 50177.9 223.2图7、图8中相同颜色的曲线代表相同电池组数，电量相同，由表3可以清楚的看到电池组数越大续驶里程越大，但电池组数越多汽车整车质量将加大，又会对汽车动力性能影响，必须在满足动力性能的前提下研究其经济性能。

3.3电机功率对经济性能的影响电机驱动系统是电动汽车中最关键的系统，驱动系统的类型和性能直接决定了电动汽车的运行性能。

作为电动汽车的牵引电机，应具有宽的调速范围、高的转速及足够大的起动转矩，还要求体积小、重量轻、效率高，并且能实现动态制动和能量回馈。

由于直流电机具有良好的起动能力和调速性能，早期开发的电动汽车大多数都采用直流电机作为驱动电机。

然而随着电子技术和自动化技术的发展，以及各种高性能电力电子元件的出现，交流调速技术有了迅速的发展，现已经能够获得同直流电机一样优良的调速性能。

而且交流感应电机所具有的结构简单、运行可靠和维护方便等优点非常适合电动汽车的要求。

所以，在近来的电动汽车研制中，驱动系统都竞相采用交流感应电机。

车架电动机的功率包括额定功率和最大功率。

电动机的功率选的越大，则电动汽车的后备功率越多，加速度和爬坡性越好，但同时电动机的体积和质量也会迅速增加，而且会使电动机不能经常工作在峰值功率附近，使电动机的效率下降。

因此，电动机的功率不能选的太大，应该依照电动汽车的最高行驶车速、爬坡和加速性能来确定电动机的功率[13~18]。

设计中常以先保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率。

已知电动机期望的最高车速，选择的电动机功率应大体上等于但不小与汽车以最高车速行驶时行驶阻力消耗的功率之和。

电动汽车以最高车速行驶消耗的功率：U C U A Mgf U P D3maxmax 761403600max +=∑(3—13)式中 M ——整车质量(kg ); f ——滚动阻力系数；CD——迎风阻力系数；A ——迎风面积(m 2)。

电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗的功率：U U C U a aDa i Mgi A Mgf P 36007614036003++=∑(3—14)式中 U a——电动汽车行驶速度(h km);i ——坡度。