低速电动汽车的能耗分析

2015-11-24陈勇，张潘

北京汽车 2015年2期

关键词：充气阻力整车

陈勇，张潘

（1. 北京信息科技大学，北京 100192；2. 北京电动车辆协同创新中心，北京 100081）

低速电动汽车的能耗分析

陈勇1，2，张潘1

Chen Yong，Zhang Pan

（1. 北京信息科技大学，北京 100192；2. 北京电动车辆协同创新中心，北京 100081）

为了合理利用低速电动汽车有限的车载能源，对低速电动汽车能耗的影响因素进行分析。在设计、使用方面提出了建议，有利于低速电动汽车的研发和推广。

低速电动汽车；能量消耗；能量利用率；动力性能

低速电动汽车应用范围不断扩大，虽然有利于国家能源安全和节能减排，但其生产条件、质量保证和市场准入问题引起了业界的关注。1

低速电动汽车因其价格低廉、充电便捷、电池少、自重小、价格低和使用方便等特点，在农村市场、三、四线城市有较大需求，得到了较快发展。随着产业政策进一步明晰，有可能形成批量规模，对推动我国电动汽车产业化、开启电动汽车大规模消费市场具有重大意义[1]。

中国与欧美国家对于低速电动汽车的定义并不相同，主要差别表现在整车质量、行驶速度、续驶里程、储能电池的类型、行驶的道路条件和安全性等几个方面[2]。

总体而言，在目前储能技术条件下，低速电动汽车所存储的能量有限，从整车能量消耗的角度进行整车及部件的选型、合理使用与维护，可提高车辆能量利用效率，优化低速电动汽车的整体性能。

1 整车的性能计算

低速电动汽车的运行工况主要是城乡交通，车辆大部分时间处于启动、加速和制动工作状态，最高车速、爬坡度和续驶里程是整车的重要指标。表1列出了国内外几款低速电动汽车的参数。

1.1 低速电动汽车的最高车速

式中，umax为最高车速，km/h；r为轮胎滚动半径，m；nmax为电机最高转速，r/m in；ig min为变速器的最小传动比；i0为主减速器的传动比。

1.2 低速电动汽车的爬坡度

式中，imax为最大爬坡度，%；DImax为动力因数；f为滚动阻力系数；Ttq为驱动电机转矩，N·m；ηT为传动系效率；ρ=1.225 8 N·s2·m-4；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；ua为车速，km/h；m为低速电动汽车的整备质量，kg。

1.3 低速电动汽车的续驶里程

电动汽车的续驶里程有等速法和工况法 2种测量方法，计算可以针对上述 2种工况进行。但是，由于工况法的循环只比等速法增加了加速和减速工况，在计算消耗功率时，计入加速时的功率消耗就可以了。所以，等速法和工况法在某一状态时的计算方法是相同的[3]。

表1 低速电动汽车性能比较

车辆在平直路面上匀速行驶时消耗的功率为

式中，m为整车质量，kg；f为轮胎滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；u为车速，km/h。

等速法的续驶里程为

式中，ua为车速，km/h；W为电池储存的能量，kWh；η为机械系统和电气系统的总效率。

工况法的续驶里程为

式中，Si为每个状态的行驶距离，km；k为车辆能够完成的状态总数。

2 低速电动车能耗的影响因素分析

2.1 整车质量

整车质量可以认为由3部分组成，即

式中，md为整车质量，kg；mb为电池质量，kg；mp为装载质量，kg。

对于确定的低速电动汽车而言，只有装载质量是变化的，不考虑空气阻力影响时，能量的利用效率为

能量利用效率与有效载荷比如图1所示。

可见，随着载荷比增大，即整车的有效载荷越大，能量利用效率越高。在设计和使用低速电动汽车时，应尽可能减轻车辆自重，增加有效载荷。

2.2 电池类型

低速电动汽车可以使用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池，目前电池成本主要集中在电池生产成本和废弃电池引起的环境治理成本方面。随着生产成本不断降低，锂离子电池的使用会逐渐增多，3种类型电池的比较见表2。

表2 3种类型电池的比较[5]

动力电池的一致性、工作环境温度等对其性能有很大影响。实验表明，锂离子电池在-10℃时可放出的能量仅为30℃时的2/3，但是内阻增加了1倍左右[4]。目前在电动汽车上，电池组采用单体电池串联成组再并联的方式。串联电池组通常存在电压不一致的问题，引起电池组的实际输出功率与理想值存在差异，确保电池组参数一致性对保证动力电池能量输出至关重要。

对表 2进行无量纲化处理，对轻型电动汽车的电池指标进行对比，如图2所示。

可见，锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）除在价格和安全性方面处于劣势外，其他方面均处于绝对领先地位，有进一步研发和大规模应用的前景。

2.3 电机类型

可供低速电动汽车选择的驱动电机包括直流电机、交流异步电机、永磁电机和开关磁阻电机。电机的类型对电气驱动系统以及电动汽车整体性能影响非常大，评价电动汽车的电气驱动系统实质上主要是对不同电机及其控制方式进行比较和分析。不同方案各有侧重，批量生产的可靠性和成本比方案本身更为重要。表 3是电动汽车用驱动电机的性能比较。

表3 电动汽车用驱动电机的性能比较

电机的起动性能（起动转矩/起动电流）、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、电机的过载能力、能量密度和可靠性都应兼顾。由于电动汽车受空间布置、整车质量限制以及对续驶里程的要求，电机应具有高体积比功率和高质量比功率。此外，在满足性能要求的前提下必须考虑降低所有零部件的成本。

2.4 轮胎类型及充气压力

轮胎对汽车经济性的影响主要表现在对滚动阻力的影响上，任何增大滚动阻力的因素都会使汽车的经济性变差。轮胎的材料、充气压力、类型、工作温度、直径和花纹等因素都会影响轮胎的滚动阻力，进而影响轮胎的经济性。其中，对低速电动汽车经济性影响最大的因素是轮胎的充气压力和轮胎的类型。图 3和图 4分别为轮胎气压和轮胎类型对滚动阻力系数的影响[6]。

不同滚动阻力系数的轮胎，引起的能量损失增加比例为

式中，f0、f1为规定的充气压力和实际充气压力下的滚动阻力系数。

能量损失增加比例与滚动阻力系数变化有关，当其他条件相同时，低于规定充气压力的轮胎对低速电动汽车能耗影响较大，子午线轮胎比普通斜交轮胎能耗低。