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。

1 整車的性能計(jì)算

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 低速電動(dòng)車能耗的影響因素分析

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。

3 降低能量消耗的措施

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。

4 結(jié) 論

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。

[1]張雷，方海峰. 我國(guó)小型低速電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 汽車與配件，2010（48）：38-41.

[2]劉洋. 低速電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)地圖[J]. 中國(guó)經(jīng)濟(jì)和信息化，2011（16）：38-39.

[3]陳勇，孫逢春. 電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程及其影響因素的研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（5）：578-582.

[4]周震濤，嚴(yán)燕. 鋰離子動(dòng)力蓄電池充放電基本性能的研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，29（4）：17-21.

[5]Iqbal Husain. Electric and Hybrid Vehicles： Design Fundamentals，second edition [M]. Boca Raton，F(xiàn)lorida ：The Chem ical Rubber Company Press，2011.

[6]余志生，汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

U469.72：U461.8

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.003

1002-4581（2015）02-0010-04

2014?11?14

北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（CIT&TCD20130328），北京市教委科研基地建設(shè)項(xiàng)目（PXM 2014_ 014224_000065）。