电动汽车续航提升仿真技术

崔振阳，范广丽，杨 军，刘万喜

（一汽奔腾轿车有限公司，吉林 长春 130000）

电动汽车由于充电时间远大于传统燃油车的加油时间，因此，大部分人对于续航里程的焦虑仍未消除，提升电动汽车续航里程不仅是为了满足客户的需求，也是汽车企业可持续发展的必经之路[1]。而续航里程作为纯电动汽车最为关键的指标，如何科学评价显得尤为重要[2]。根据工信部的规划，到2025年前，所有轻型新能源乘用汽车都采用中国轻型乘用车行驶工况（China Light-duty vehicle Test Cycle-passenge, CLTC-P）标准来测定续航里程。

电动汽车在研发过程中，提升续航的主要措施是电池能量密度提升和耗电量降低[3]，其中车重、滚动阻力、空气阻力、电驱效率主要影响车辆的耗电量，而电池放电量与电池能量密度息息相关。本文根据电动汽车能量转化原理进行理论推导，编制Matlab仿真分析程序进行续航里程仿真计算，再通过实车测试验证仿真分析准确性，最后通过仿真分析方法，分析车重、滚动阻力、空气阻力、电驱效率、电池放电量等因素对续航里程的影响，为车企提升电动汽车续航里程提供理论依据。需要说明的是，轮胎滚动半径也会影响续航里程，但轮胎尺寸一般与整车造型美观性、车辆加速性及最高车速息息相关，通常轮胎尺寸在车型定义前期就确定了，不会随意变更，因此，本文根据车辆实际开发过程，未分析轮胎滚动半径对续航里程的影响。电动汽车不同的驾驶模式即不同的滑行能量回收策略也会影响电动汽车续航里程，但CLTC-P实际公告试验测试中，车辆都会选择最大的能量回收驾驶模式进行试验以实现最大的续航里程，因此，本文未考虑滑行能量回收策略对续航里程的影响，所述理论及计算皆是基于CLTC-P工况及车辆最大的能量回收驾驶模式下进行仿真分析。

1 电动汽车能量转化原理

电动汽车行驶时是将动力电池的电能通过驱动电机带动车轮转动，从而转化为车辆的动能，电动车用减速器取代传统燃油汽车的变速箱，其结构简单，单级减速，没有挡位和离合器概念，完全由电机调速，停车时，车速和电机转速均为0，电机不消耗电能，电动汽车驱动电机除了充当电动机将电能转化为动能外，也能当做发电机，将动能转化为电能，汽车减速时，驱动电机可工作在发电模式，提供制动扭矩的同时，将动能转化为电能，将能量回收到动力电池中，进行能量回收再利用。

2 仿真分析流程

电动汽车CLTC-P续航仿真流程如图1所示，CLTC-P单个循环工况共计1 800 s，根据微分理论，可得到1 800个与时间对应的车速点。将每个点的车速转换成电驱的扭矩和转速，再根据电驱系统效率map及电动汽车低压电耗，就可以计算出电耗及续航里程。

图1 电动汽车CLTC-P续航仿真流程

3 Matlab仿真模型

按照前文所述理论及仿真分析流程，在Matlab中建立仿真模型，输入相关参数即可计算出电驱效率及续航里程，部分Matlab模型如下：

4 仿真准确性校验

以某A级电动车型为例，验证仿真分析准确性。

实测车重m=1 800 kg，车轮滚动半径R=0.324 m，电池可用电量Q=50 kW·h，滚动阻力系数f=0.007 5；风阻系数CD=0.317，汽车迎风面积A=2.624 m2，将各参数输入到仿真模型中，得出仿真结果，将仿真结果与实测值进行比较，如表1所示。

表1 仿真结果与实测值对比

可以看出，仿真值与实测值偏差较小，仿真精度较高，因此，可以通过本文所述仿真计算方法分析各因素对电动汽车续航里程的影响。

5 各因素对续航里程影响

通过Matlab仿真计算，分析车重、滚动阻力、空气阻力、电驱效率及电池放电量对续航里程的影响。

5.1 车重对续航里程的影响

随着整备质量的增加，续驶里程逐渐降低[4]。改变仿真模型中汽车重量m，得到续航里程S的仿真结果如图2所示。

图2 车重对续航里程影响

根据仿真结果可以看出，车重每变化50 kg，影响续航里程约4 km。因此，可通过选择碳钎维复合材料、进行结构优化、采用先进制造技术等轻量化技术手段减轻整车总质量，延长电动汽车续航里程[5]。

5.2 滚动阻力对续航里程的影响

整车在行驶过程中产生阻力是不可避免的，切实有效地降低阻力，是一个长期的工作[6]。改变仿真模型中的滚动阻力系数f，得到续航里程S的仿真结果如图3所示。

图3 滚动阻力对续航里程影响

根据仿真结果可以看出，滚动阻力系数每变化0.5‰，影响续航里程约9 km。

5.3 空气阻力对续航里程的影响

空气阻力主要受风阻系数CD和迎风面积A影响，分别分析风阻系数和迎风面积对续航里程的影响。

5.3.1 风阻系数对续航里程的影响

改变仿真模型中的风阻系数CD，得到续航里程S的仿真结果如图4所示。

图4 风阻系数对续航里程影响

根据仿真结果可以看出，风阻系数每变化0.01，影响续航里程约4.4 km。

5.3.2 迎风面积对续航里程的影响

改变仿真模型中的迎风面积A，得到续航里程S的仿真结果如图5所示。

图5 迎风面积对续航里程影响

根据仿真结果可以看出，迎风面积每变化0.1 m2，影响续航里程约5.4 km。

5.4 电驱效率对续航里程的影响

改变仿真模型中电驱系统效率map，得到续航里程S的仿真结果如图6所示。

图6 电驱效率对续航里程影响

根据仿真结果可以看出，电驱综合效率每变化1%，影响续航里程约8 km。

5.5 电池可用电量对续航里程的影响

改变仿真模型中的电池可用电量Q，得到续航里程S的仿真结果如图7所示。

图7 电池可用电量对续航里程影响

根据仿真结果可以看出，电池可用电量每变化1 kW·h，影响续航里程约8.3 km。

6 结论

本文介绍了基于Matlab的CLTC-P续航里程仿真分析方法，并根据实车数据对仿真准确性进行了校验。通过仿真计算，可分析出车重、滚动阻力、空气阻力、电驱效率及电池放电量对续航里程的影响，虽然提升续航里程的途径很多，但每一种途径都会带来成本的增加，对于车企而言，可通过本文所述仿真方法及仿真结论，综合考虑成本及可行性，最终确定提升续航里程的最优方案。