張洪雷，張永，肖巖

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純電動汽車經濟性指標的設計與校核研究

張洪雷，張永，肖巖

（浙江合眾新能源汽車有限公司試制試驗部，浙江 嘉興 314000）

文章提出了一種基于經濟性指標的純電動汽車電池參數設計方法，該方法應用于純電動汽車總體框架和動力總成系統選型完成以及各類工況下續(xù)駛里程指標明確之后，目的是根據經濟性指標匹配上合適的電池包容量。文章使用各類工況續(xù)駛里程指標為依據對電池包容量冗余設計，并將能耗指標與能量回收貢獻率指標作為校驗指標。試驗證明，該方法有效可靠，滿足設計階段的電池容量匹配設計需求。

純電動汽車；經濟性指標；電池

前言

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎，也是當今國際政治、經濟、軍事、外交關注的焦點。中國經濟社會持續(xù)快速發(fā)展，離不開有力的能源保障[1]。發(fā)展純電動汽車不僅為消費者的出行便捷經濟服務，更是國家乃至人類尋求解決能源安全問題的重要途徑。

電動汽車以其使用過程中零污染、噪聲低、能源效率高等特點，在各國的城市低碳交通建設中的作用備受期待。然而，由于電動汽車續(xù)駛能力不及燃油車與配套充電基礎設施滯后等問題，制約了電動汽車的發(fā)展[2]。隨著電池能量密度提高[3]，電池快充技術發(fā)展[4]，汽車輕量化技術提升[5]，在綜合性價比上純電動汽車與燃油汽車已經越來越接近。

在純電動汽車設計初期，由市場營銷部或戰(zhàn)略規(guī)劃部提出產品經濟性指標。這些指標可分為3類：續(xù)駛里程指標，百公里能耗指標，能量回收貢獻率指標。研發(fā)部門則根據指標需求對電動汽車電池包容量，能量回收策略等參數設計確定。本文將不同工況下的續(xù)駛里程指標作為設計輸入，將百公里能耗指標與能量回收貢獻率指標作為校驗指標，以完成純電動汽車動力系統經濟性設計工作。

1 經濟性指標定義與分類

《GBT 18386-2017 電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》[6]中定義了純電動汽車續(xù)駛里程與能量消耗率及其測試方法。關于能量再生系統的定義及其測試方法目前僅有報批稿《QC_T 1089-2017 電動汽車再生制動系統要求及試驗方法(報批稿)》[7]。依據以上標準，在純電動汽車動力系統設計階段我們主要設計和校核如下指標：續(xù)駛里程指標、百公里能耗指標，能量回收貢獻率指標。

1.1 續(xù)駛里程指標

《GBT 18386-2017 電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》對續(xù)駛里程的測試與計算有如下規(guī)定：對于M1/N1/最大設計總質量不超過3500kg的M2類車的工況法續(xù)駛里程試驗，應在底盤測功機上采用NEDC循環(huán)進行試驗；直到車速不能滿足工況規(guī)定的公差停止試驗。記錄試驗車輛駛過的距離D，用km來表示，測量值按四舍五入圓整到整數；同時記錄用小時（h）和分（min）表示的所用時間。[6]

1.2 百公里能耗指標

使用式（1）計算能量消耗率C，用Wh/km表示，并圓整到整數。

式中：電網——充電期間來自電網的能量，單位為瓦時（Wh）；D——續(xù)駛里程，單位為千米（km）。[6]

本文中能量消耗率使用百公里能耗表示，其單位換算為：1 Wh/km = 0.1 kWh/100km。百公里能耗四舍五入圓整到小數點后一位。

1.3 能量回收貢獻率指標

汽車減速或下坡過程中，由電機進行汽車制動，并對制動能量進行回收，最終回饋至可充電儲能系統的系統稱為再生制動系統。汽車減速或下坡過程中，由再生制動系統回收，最終回饋至可充電儲能系統的能量，稱為回收的制動能量。制動能量回收效能用于評價制動能量回收有效性，包括制動能量回收效率，制動能量回收系統續(xù)駛里程貢獻率。[7]

制動能量回收效率指：汽車減速過程中，由再生制動系統回收，最終回饋至可充電儲能系統的能量（E1）與汽車減速過程中所需施加的制動能量（E2）之間的比值。計算公式如式（2）。

制動能量回收系統續(xù)駛里程貢獻率是指：相同試驗條件下，開啟與關閉制動能量回收功能時電動汽車運行里程的差值（D1—D2），與關閉制動能量回收功能時的運行里程D2的比值。計算公式如式（3）。

本文對制動能量回收效能指標的研究，將制動能量回收系統續(xù)駛里程貢獻率作為設計校核指標。簡稱能量回收貢獻率。

2 電動汽車各子系統及其能耗研究

純電動汽車能耗相關的子系統包含車載充電機、電池包、電機及電機控制器、傳動系統、車輪、車身及風阻、電子電器。其中，電池、電機、傳動系統、輪邊阻力為主要能耗子系統。

2.1 各子系統能耗相關參數

汽車各子系統參數及符號如表1所示。

表1 汽車各子系統參數及其符號

在標準[6]中規(guī)定了等速試驗方法和NEDC工況、C-WTVC工況的試驗方法和數據。因此，工況通常被描述成t-v曲線。實際工況中，還應添加坡度數據。為便于研究，本文將設計階段的電動汽車續(xù)駛里程指標分為等速工況續(xù)駛里程、NEDC工況續(xù)駛里程和自定義工況續(xù)駛里程，如表2所示。

2.2 經濟性指標設計與校核

汽車以工況（t,v）行駛時，根據牛頓第二定律有如下方程：

式中，mstd為汽車當量質量?？蛰d時，mstd=mcar+mtran；標準載荷時，mstd=mcar+mtran+madd；滿載時，mstd=mcar+ mload+madd。

輪邊的驅動力需求與車速通過傳動系統到達電機輸出端，則電機輸出轉速與扭力如式（5）（6）（7）。

當驅動力T＞0時，

當驅動力T<0時，

電機輸出的功率（kW）：

電機及電機控制器效率通過轉速與扭力查詢電機效率MAP：

當電機使用等效平均效率時，η是已知常數。

車身電器系統：在不開啟空調的情況下，車身電器系統耗電近似為均勻功率消耗，功率為P。

電池輸出功率P>0時：

P<0時：

汽車的綜合能量回收效率為ηrec，當啟動能量回收時，ηrec是大于0的一個參數，當關閉能量回收功能時，ηrec取值為0.則汽車在行駛一個工況循環(huán)中消耗的電池輸出能量為：

電池自身內阻損耗與車載充電機損耗使用等效效率法，則一個工況循環(huán)需從電網中獲取能量：

在續(xù)駛里程指標為s的情況，需要電池包容量：

根據（1）式校核純電動汽車的能耗，勻速工況時，能量回收貢獻率為0.因此，非勻速工況根據（3）式校核純電動汽車的制動能量回收貢獻率。

3 設計實例

以浙江合眾新能源汽車有限公司某款汽車設計參數為例，參數見表1。提出三類經濟性指標共8項。以標準載荷為設計參考，空載與滿載為校核參考，最后設計得電池包配電量為23kWh。各指標及其達成度如表2所示。

表2 各經濟性指標及其達成度

4 試驗驗證

在浙江合眾新能源汽車有限公司整車經濟性動力性試驗室中，對該設計方案的汽車樣車做了實際測試。匹配的電機峰值功率為43kW，電池標稱電量為22.8kWh。依據標準[6]在底盤測功機上做標準NEDC工況試驗。主要試驗結果如下：

（1）實測續(xù)駛里程為150.86km；

（2）電池剩余SOC為12%；

（3）充電電量為22.4kWh；

（4）能量消耗率為14.85kWh/100km；

（5）制動能量回收里程貢獻率為16.4%；

（6）勻速工況續(xù)駛里程205.3km；

（7）勻速工況能量消耗率9.84kWh/100km。

總共執(zhí)行了14個循環(huán)，其中第14個循環(huán)為非完整循環(huán)，到達試驗停止條件。整個過程電池包主回路放電曲線如圖1所示（帶制動能量回收）。

圖1 帶制動能量回收NEDC工況續(xù)駛里程試驗

設計值與實測值對比如表3所示。

表3 設計值與實測值對比

5 結論

本文總結了續(xù)駛里程、能量消耗率、制動能量回收里程貢獻率三類經濟性指標。每類指標按照勻速工況，NEDC工況，自定義工況三類工況進行設計。實測表明，該設計方法除制動能量回收里程貢獻率誤差較大以外，其余誤差均＜10%。本模型規(guī)避了在設計階段部分參數難以實測獲得的情況，為電池參數選型提供有價值的參考依據，補充了仿真階段參數不全難以實行的不足。實踐表明，該設計方法有效可靠，滿足初期設計階段的電池容量匹配設計需求。

[1] 江澤民.對中國能源問題的思考[J].中國石油和化工經濟分析, 2008,(06):4-16.

[2] 宋媛媛.基于行駛工況的純電動汽車能耗建模及續(xù)駛里程估算研 究[D].北京交通大學,2014.

[3] Fellner Joseph Phillip,Quinton Betty,Tsao Max. Initial Investigations on the Use of Coated Nano-Sized Phthalocyanines for Very High Energy Density Rechargeable Lithium-Based Batteries[J]. Meeting Abstracts,2015,MA2015-01(2):.

[4] 孫麗,史冊.鋰離子電池快充技術的研究進展[J].電源技術,2017, 41(07):1085-1088.

[5] 范子杰,桂良進,蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節(jié)能學報,2014,5(01):1-16.

[6] GB/T 18386-2017 電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法.

[7] QC/T 1089-2017 電動汽車再生制動系統要求及試驗方法(報批稿).

Research on design and verification of economic index of pure electric vehicle

Zhang Honglei, Zhang Yong, Xiao Yan

（Zhejiang Hozon New Energy Automobile Co., Ltd. trial production test department, Zhejiang Jiaxing 314000）

This paper presents a pure electric vehicle battery parameter design method based on economic indicators, the method is applied to the overall framework and the power of pure electric vehicle assembly system selection and all kinds of conditions to complete mileage indicator is clear, according to economic indicators, the appropriate battery pack capacity. In this paper, the use of all kinds of operating mileage indicators as the basis for the battery pack capacity redundancy design, and the index of energy consumption and energy recovery contribution rate index as the check index. Experiments show that the method is effective and reliable, and can meet the design requirements of battery capacity matching in the design phase.

Pure electric vehicles; economic indicators; batteries

A

1671-7988(2018)18-01-04

U469.7

A

1671-7988(2018)18-01-04

CLC NO.: U469.7

張洪雷，學士，中級工程師，就職于浙江合眾新能源汽車有限公司，新能源汽車整車研發(fā)。張永，學士，中級工程師，就職于浙江合眾新能源汽車有限公司，新能源汽車整車試制與試驗。肖巖，學士，中級工程師，就職于浙江合眾新能源汽車有限公司，新能源汽電控策略設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.001