陳 勇,張 潘
(1. 北京信息科技大學(xué),北京 100192;2. 北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100081)
低速電動(dòng)汽車的能耗分析
陳 勇1,2,張 潘1
Chen Yong,Zhang Pan
(1. 北京信息科技大學(xué),北京 100192;2. 北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100081)
為了合理利用低速電動(dòng)汽車有限的車載能源,對(duì)低速電動(dòng)汽車能耗的影響因素進(jìn)行分析。在設(shè)計(jì)、使用方面提出了建議,有利于低速電動(dòng)汽車的研發(fā)和推廣。
低速電動(dòng)汽車;能量消耗;能量利用率;動(dòng)力性能
低速電動(dòng)汽車應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,雖然有利于國(guó)家能源安全和節(jié)能減排,但其生產(chǎn)條件、質(zhì)量保證和市場(chǎng)準(zhǔn)入問題引起了業(yè)界的關(guān)注。1
低速電動(dòng)汽車因其價(jià)格低廉、充電便捷、電池少、自重小、價(jià)格低和使用方便等特點(diǎn),在農(nóng)村市場(chǎng)、三、四線城市有較大需求,得到了較快發(fā)展。隨著產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)一步明晰,有可能形成批量規(guī)模,對(duì)推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化、開啟電動(dòng)汽車大規(guī)模消費(fèi)市場(chǎng)具有重大意義[1]。
中國(guó)與歐美國(guó)家對(duì)于低速電動(dòng)汽車的定義并不相同,主要差別表現(xiàn)在整車質(zhì)量、行駛速度、續(xù)駛里程、儲(chǔ)能電池的類型、行駛的道路條件和安全性等幾個(gè)方面[2]。
總體而言,在目前儲(chǔ)能技術(shù)條件下,低速電動(dòng)汽車所存儲(chǔ)的能量有限,從整車能量消耗的角度進(jìn)行整車及部件的選型、合理使用與維護(hù),可提高車輛能量利用效率,優(yōu)化低速電動(dòng)汽車的整體性能。
低速電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況主要是城鄉(xiāng)交通,車輛大部分時(shí)間處于啟動(dòng)、加速和制動(dòng)工作狀態(tài),最高車速、爬坡度和續(xù)駛里程是整車的重要指標(biāo)。表1列出了國(guó)內(nèi)外幾款低速電動(dòng)汽車的參數(shù)。
1.1 低速電動(dòng)汽車的最高車速
式中,umax為最高車速,km/h;r為輪胎滾動(dòng)半徑,m;nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速,r/m in;ig min為變速器的最小傳動(dòng)比;i0為主減速器的傳動(dòng)比。
1.2 低速電動(dòng)汽車的爬坡度
式中,imax為最大爬坡度,%;DImax為動(dòng)力因數(shù);f為滾動(dòng)阻力系數(shù);Ttq為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,N·m;ηT為傳動(dòng)系效率;ρ=1.225 8 N·s2·m-4;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積,m2;ua為車速,km/h;m為低速電動(dòng)汽車的整備質(zhì)量,kg。
1.3 低速電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程
電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程有等速法和工況法 2種測(cè)量方法,計(jì)算可以針對(duì)上述 2種工況進(jìn)行。但是,由于工況法的循環(huán)只比等速法增加了加速和減速工況,在計(jì)算消耗功率時(shí),計(jì)入加速時(shí)的功率消耗就可以了。所以,等速法和工況法在某一狀態(tài)時(shí)的計(jì)算方法是相同的[3]。
表1 低速電動(dòng)汽車性能比較
車輛在平直路面上勻速行駛時(shí)消耗的功率為
式中,m為整車質(zhì)量,kg;f為輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;u為車速,km/h。
等速法的續(xù)駛里程為
式中,ua為車速,km/h;W為電池儲(chǔ)存的能量,kWh;η為機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的總效率。
工況法的續(xù)駛里程為
式中,Si為每個(gè)狀態(tài)的行駛距離,km;k為車輛能夠完成的狀態(tài)總數(shù)。
2.1 整車質(zhì)量
整車質(zhì)量可以認(rèn)為由3部分組成,即
式中,md為整車質(zhì)量,kg;mb為電池質(zhì)量,kg;mp為裝載質(zhì)量,kg。
對(duì)于確定的低速電動(dòng)汽車而言,只有裝載質(zhì)量是變化的,不考慮空氣阻力影響時(shí),能量的利用效率為
能量利用效率與有效載荷比如圖1所示。
可見,隨著載荷比增大,即整車的有效載荷越大,能量利用效率越高。在設(shè)計(jì)和使用低速電動(dòng)汽車時(shí),應(yīng)盡可能減輕車輛自重,增加有效載荷。
2.2 電池類型
低速電動(dòng)汽車可以使用的電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池,目前電池成本主要集中在電池生產(chǎn)成本和廢棄電池引起的環(huán)境治理成本方面。隨著生產(chǎn)成本不斷降低,鋰離子電池的使用會(huì)逐漸增多,3種類型電池的比較見表2。
表2 3種類型電池的比較[5]
動(dòng)力電池的一致性、工作環(huán)境溫度等對(duì)其性能有很大影響。實(shí)驗(yàn)表明,鋰離子電池在-10℃時(shí)可放出的能量?jī)H為30℃時(shí)的2/3,但是內(nèi)阻增加了1倍左右[4]。目前在電動(dòng)汽車上,電池組采用單體電池串聯(lián)成組再并聯(lián)的方式。串聯(lián)電池組通常存在電壓不一致的問題,引起電池組的實(shí)際輸出功率與理想值存在差異,確保電池組參數(shù)一致性對(duì)保證動(dòng)力電池能量輸出至關(guān)重要。
對(duì)表 2進(jìn)行無量綱化處理,對(duì)輕型電動(dòng)汽車的電池指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,如圖2所示。
可見,鋰離子電池(鋰離子電池和鋰聚合物電池)除在價(jià)格和安全性方面處于劣勢(shì)外,其他方面均處于絕對(duì)領(lǐng)先地位,有進(jìn)一步研發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用的前景。
2.3 電機(jī)類型
可供低速電動(dòng)汽車選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。電機(jī)的類型對(duì)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車整體性能影響非常大,評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上主要是對(duì)不同電機(jī)及其控制方式進(jìn)行比較和分析。不同方案各有側(cè)重,批量生產(chǎn)的可靠性和成本比方案本身更為重要。表 3是電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較。
表3 電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較
電機(jī)的起動(dòng)性能(起動(dòng)轉(zhuǎn)矩/起動(dòng)電流)、加速性能、低速時(shí)的效率、制動(dòng)及滑行時(shí)的能量再生能力、電機(jī)的過載能力、能量密度和可靠性都應(yīng)兼顧。由于電動(dòng)汽車受空間布置、整車質(zhì)量限制以及對(duì)續(xù)駛里程的要求,電機(jī)應(yīng)具有高體積比功率和高質(zhì)量比功率。此外,在滿足性能要求的前提下必須考慮降低所有零部件的成本。
2.4 輪胎類型及充氣壓力
輪胎對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性的影響主要表現(xiàn)在對(duì)滾動(dòng)阻力的影響上,任何增大滾動(dòng)阻力的因素都會(huì)使汽車的經(jīng)濟(jì)性變差。輪胎的材料、充氣壓力、類型、工作溫度、直徑和花紋等因素都會(huì)影響輪胎的滾動(dòng)阻力,進(jìn)而影響輪胎的經(jīng)濟(jì)性。其中,對(duì)低速電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性影響最大的因素是輪胎的充氣壓力和輪胎的類型。圖 3和圖 4分別為輪胎氣壓和輪胎類型對(duì)滾動(dòng)阻力系數(shù)的影響[6]。
不同滾動(dòng)阻力系數(shù)的輪胎,引起的能量損失增加比例為
式中,f0、f1為規(guī)定的充氣壓力和實(shí)際充氣壓力下的滾動(dòng)阻力系數(shù)。
能量損失增加比例與滾動(dòng)阻力系數(shù)變化有關(guān),當(dāng)其他條件相同時(shí),低于規(guī)定充氣壓力的輪胎對(duì)低速電動(dòng)汽車能耗影響較大,子午線輪胎比普通斜交輪胎能耗低。
低速電動(dòng)汽車能量消耗率影響因素較多,為提高能量利用率,在設(shè)計(jì)和使用階段應(yīng)予以重視,主要有以下措施:
(1)進(jìn)行車身輕量化設(shè)計(jì),降低電動(dòng)汽車自重,增加有效載荷,提高能量利用率;
(2)選擇高比能量和比功率的電池,以減輕電池組的自重;選擇一致性好的電池,并注意電池使用過程中的維護(hù);
(3)選擇高功率密度、轉(zhuǎn)矩密度的電機(jī);
(4)選擇滾動(dòng)阻力系數(shù)小的子午線輪胎,確保輪胎處于規(guī)定的充氣壓力。
分析了低速電動(dòng)汽車能耗的影響因素,設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能減小車輛自重,提高有效載荷,根據(jù)使用要求及性價(jià)比選擇主要的部件,在使用過程中,加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力電池的維護(hù),確保輪胎處于廠家規(guī)定的充氣壓力,以便在現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)水平下進(jìn)一步提高低速電動(dòng)汽車的使用性能。
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