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        電動(dòng)轎車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響因素及仿真研究

        2020-07-29 10:11:38董學(xué)鋒張彬彬張海榮
        汽車(chē)文摘 2020年8期
        關(guān)鍵詞:空氣阻力級(jí)車(chē)轎車(chē)

        董學(xué)鋒 張彬彬 張海榮

        (1.國(guó)汽(北京)汽車(chē)輕量化技術(shù)研究院有限公司,北京 100176;2.北京長(zhǎng)城華冠汽車(chē)研發(fā)有限公司,北京101300)

        主題詞:電動(dòng)轎車(chē) 風(fēng)阻滾阻 整備質(zhì)量 續(xù)駛里程

        1 前言

        汽車(chē)節(jié)能減排是汽車(chē)研發(fā)的重要目標(biāo)之一,汽車(chē)是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的動(dòng)力輸出,通過(guò)齒輪的降速增扭,帶動(dòng)車(chē)輪在路上行進(jìn),發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的動(dòng)力用來(lái)克服汽車(chē)的滾動(dòng)阻力、空氣阻力、爬坡阻力以及加速阻力等,汽車(chē)的質(zhì)量(重量)越大,需要的動(dòng)力也越大。行駛的速度越高,需要的動(dòng)力也越高,空氣阻力功率與車(chē)速的3次方成正比,高速行駛時(shí),空氣阻力的占比達(dá)70%以上,因此要實(shí)現(xiàn)更短的加速時(shí)間、更高的車(chē)速,需要更強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)功率來(lái)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程與燃油車(chē)相比還有差距[1-2],因此,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言,提高續(xù)駛里程非常重要,當(dāng)然多裝動(dòng)力電池或提高電池能量密度是最直接的辦法。但本文從汽車(chē)的空氣阻力、滾動(dòng)阻力及整車(chē)的整備質(zhì)量等方面,來(lái)研究對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程的影響。

        2 汽車(chē)行駛的功率需求及影響因素

        2.1 汽車(chē)行駛的功率需求及影響因素

        正在行駛的汽車(chē)必須克服各種阻力,以達(dá)到一定速度,或超越和保持這一速度。這些阻力包括空氣阻力、滾動(dòng)阻力、爬坡阻力和加速阻力。各種阻力如圖1所示。

        圖1 汽車(chē)行駛中的各種阻力

        各種阻力的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

        式中,ρ為空氣密度;U為車(chē)速度;Cd為空氣阻力系數(shù);M為汽車(chē)整備質(zhì)量;fr為滾動(dòng)阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;a為車(chē)輛加速度;g為重力加速度;α為坡度角;λ為汽車(chē)的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

        汽車(chē)行駛時(shí)所需功率與各種阻力因素、質(zhì)量及速度的關(guān)系為式(5)。

        因此汽車(chē)在行駛的過(guò)程中,所需的功率與空氣阻系數(shù)Cd、迎風(fēng)面積A、滾動(dòng)阻力系數(shù)fr、整車(chē)總質(zhì)量M、汽車(chē)的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)λ、加速度a、坡度角α和車(chē)速U等相關(guān)。

        2.2 轎車(chē)空氣阻力控制趨勢(shì)及水平

        為了獲得更小的空氣阻力特性,汽車(chē)外形設(shè)計(jì)趨于流線之美。在汽車(chē)的研發(fā)過(guò)程中,控制噪音和降低空氣阻力更是汽車(chē)性能控制的重要方面,CdA是關(guān)鍵的性能控制因素,尤其是空氣阻力系數(shù)Cd是評(píng)價(jià)汽車(chē)外形設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要定量指標(biāo),追求盡量小。圖2是德國(guó)奔馳公司的S級(jí)豪華轎車(chē)年度產(chǎn)品的空氣阻力系數(shù)變化圖,空氣阻力系數(shù)Cd值,從1972年的0.412降低到2013年的0.230,平均每代降低了0.036[3],可以說(shuō)是汽車(chē)空氣阻力系數(shù)變化趨勢(shì)的一個(gè)縮影,也是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的代表。0.230的空氣阻力系數(shù)可以說(shuō)是近年最好水平之一,同時(shí)風(fēng)噪也降低了50%。

        圖2 空氣阻力系數(shù)的逐代降低[3]

        2.3 轎車(chē)整備質(zhì)量的控制及整體成果

        在汽車(chē)的發(fā)展史中,隨著人們對(duì)產(chǎn)品動(dòng)力性能、舒適性能及裝備要求的提高,汽車(chē)越來(lái)越重,但近些年的“節(jié)能減排”成了汽車(chē)的重中之重,汽車(chē)輕量化也越來(lái)越重要。圖3是2010~2015年的轎車(chē)和SUV質(zhì)量密度年度變化統(tǒng)計(jì)圖,是根據(jù)《全球名車(chē)錄》[4]的附錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算后得出的。圖3中的延伸含義解釋如下:轎車(chē)的年平均質(zhì)量密度下降為0.336 3 kg/m3,2015年中國(guó)上市的A級(jí)轎車(chē)的平均體積是11.92 m3(長(zhǎng)×寬×高),按此計(jì)算,A級(jí)車(chē)的年度降重平均為0.336 3×11.92=4 kg/年。如果汽車(chē)換代時(shí)間間隔為6年,那么4×6=24 kg,也就是說(shuō),平均每一代A級(jí)車(chē)降重24 kg。SUV車(chē)型大、油耗高、降重的壓力大,年度平均降幅為0.929 kg/m3,A級(jí)SUV的平均體積14.2 m3,計(jì)算平均年降13.19 kg,平均代降79 kg。雖然以上是燃油車(chē)的平均效果,但對(duì)電動(dòng)汽車(chē)有參考價(jià)值,或者說(shuō)電動(dòng)車(chē)也應(yīng)有大致相當(dāng)?shù)慕抵兀ㄝp量化)潛力。

        圖3 產(chǎn)品質(zhì)量密度年度變化

        3 汽車(chē)研發(fā)過(guò)程的目標(biāo)達(dá)成

        3.1 外形設(shè)計(jì)及空氣阻力的優(yōu)化

        汽車(chē)的空氣阻力主要有兩大可控因素,即空氣阻力系數(shù)Cd和迎風(fēng)面積A,一般將兩個(gè)因素放在一起,因?yàn)榭諝庾枇εcCdA成正比。也就是說(shuō)既要努力降低空氣阻力系數(shù)Cd,也要控制車(chē)寬和車(chē)高,即迎風(fēng)面積A。圖4是空氣阻力的CdA圖,圖中的散點(diǎn)是目前部分乘用車(chē)車(chē)型的CdA值,當(dāng)前最好的點(diǎn)(水平)是在0.5~0.7之間。

        圖4 乘用車(chē)的CdA圖(空氣阻力系數(shù)和迎風(fēng)面積)

        汽車(chē)空氣阻力性能的控制貫穿在汽車(chē)研發(fā)的整個(gè)過(guò)程中,從前期的草圖、效果圖、1:4油泥模型、1:1油泥模型、1:1數(shù)據(jù)模型、CFD分析及優(yōu)化,再到1:1實(shí)體模型的優(yōu)化,在近4年的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化的過(guò)程中,需在產(chǎn)品數(shù)據(jù)凍結(jié)前,造型的美感和性能(空氣阻力、迎風(fēng)面積、升力等多個(gè)性能指標(biāo))接近或達(dá)到前期的設(shè)定目標(biāo)。

        空氣阻力性能目標(biāo)的達(dá)成是不懈努力的結(jié)果,圖5展示了奧迪Q5空氣阻力系數(shù)優(yōu)化過(guò)程[5],在整個(gè)4年的研發(fā)過(guò)程中,在各個(gè)階段或節(jié)點(diǎn),計(jì)算模擬及優(yōu)化或測(cè)定的空氣阻力系數(shù)Cd的變化與達(dá)成的情況,從早期數(shù)模的0.36,到最終產(chǎn)品的0.3,體現(xiàn)了研發(fā)過(guò)程中的不斷努力,這也是當(dāng)前SUV車(chē)型Cd的最低值(最好)之一。

        圖5 空氣阻力系數(shù)的優(yōu)化(Audi)[5]

        3.2 研發(fā)過(guò)程中的質(zhì)量(重量)控制

        汽車(chē)的輕量化是汽車(chē)研發(fā)的重要組成部分,汽車(chē)質(zhì)量幾乎影響汽車(chē)的所有性能,不論是動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、車(chē)輛的質(zhì)量及質(zhì)心位置都是重要的影響因素。材料及性能的提升、結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化、工藝過(guò)程(組織)的精良控制,還有整車(chē)部件的成本目標(biāo)達(dá)成,都扎根在精心研發(fā)過(guò)程之中,正確的材料用在正確的位置,嚴(yán)格控制產(chǎn)品各個(gè)部件的設(shè)計(jì)質(zhì)量,使之逐漸降低向好,最終取得一個(gè)材料、技術(shù)、性能和成本的綜合平衡。圖6是簡(jiǎn)化的車(chē)身開(kāi)發(fā)質(zhì)量控制流程[3],例舉了一款轎車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)過(guò)程中的質(zhì)量變遷,體現(xiàn)在全方位的輕量化設(shè)計(jì),包括材料、產(chǎn)品概念、制造過(guò)程及車(chē)身幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)方案比較,不斷的過(guò)程優(yōu)化與評(píng)估,實(shí)現(xiàn)車(chē)身質(zhì)量的總趨勢(shì)下降和最終的達(dá)標(biāo)。

        圖6 車(chē)身開(kāi)發(fā)的質(zhì)量控制流程[3]

        以2013年的奔馳S級(jí)換代車(chē)身開(kāi)發(fā)為例(圖7),一邊是增重(左):新車(chē)為滿足客戶的尺寸和布置要求,及碰撞安全、NVH等性能提高的需要,使白車(chē)身增重了43.5 kg[3]。另一邊是降重(右):采取輕量化措施確保車(chē)身質(zhì)量不變或更輕,通過(guò)鋁結(jié)構(gòu)等來(lái)平衡質(zhì)量的增加,對(duì)白車(chē)身采取多項(xiàng)輕量化措施后,實(shí)現(xiàn)降重達(dá)到了50.5 kg,最終獲得白車(chē)身總體降重7 kg的成果[3]。

        圖7 奔馳S車(chē)身的輕量化開(kāi)發(fā)[3]

        4 影響因素的計(jì)算仿真

        4.1 計(jì)算分析的前提

        以三廂轎車(chē)為例進(jìn)行NEDC工況下續(xù)駛里程的模擬計(jì)算,選擇A和C兩個(gè)級(jí)別,其主參數(shù)基于同級(jí)別的統(tǒng)計(jì)平均值,包括車(chē)型的尺寸、整備質(zhì)量、電池能量等參數(shù),如表1所示。在研究單一參數(shù)對(duì)續(xù)駛里程的影響時(shí),其他參數(shù)按表1中的數(shù)值不變。本文中續(xù)駛里程仿真選擇的能量回收模式為全解耦式的串聯(lián)系統(tǒng),且電機(jī)獨(dú)立制動(dòng)能力可滿足NEDC工況的制動(dòng)需求。

        表1 續(xù)駛里程仿真分析車(chē)型參數(shù)

        4.2 空氣阻力系數(shù)對(duì)續(xù)駛里程的影響

        以表1的兩個(gè)車(chē)型參數(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)更改車(chē)型的空氣阻力系數(shù)Cd,仿真研究空氣阻力系數(shù)Cd的變化對(duì)續(xù)駛里程的影響??諝庾枇ο禂?shù)Cd從0.37~0.23,共選擇了8個(gè)數(shù)值,進(jìn)行續(xù)駛里程的模擬計(jì)算,將續(xù)駛里程的計(jì)算結(jié)果為縱坐標(biāo),空氣阻力系數(shù)為橫坐標(biāo),并將散點(diǎn)連成線、擬合成公式,見(jiàn)圖8。

        當(dāng)有能量回收時(shí):

        當(dāng)無(wú)能量回收時(shí):

        圖8 續(xù)駛里程與空氣阻力系數(shù)的關(guān)系

        其結(jié)論是:空氣阻力系數(shù)每降低0.01,如果有能量回收系統(tǒng),A級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程可增加4.59 km,C級(jí)車(chē)可增加4.71 km;如果沒(méi)有能量回收系統(tǒng),A級(jí)和C級(jí)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程可增加2.65 km。由此可見(jiàn),能量回收系統(tǒng)放大了空氣阻力系數(shù)對(duì)續(xù)駛里程的影響程度。

        4.3 整備質(zhì)量對(duì)續(xù)駛里程的影響

        在固定電池能量的情況下,定性地說(shuō),顯然是整車(chē)的質(zhì)量越?。ㄝp量化),電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程越長(zhǎng),但從定量上說(shuō)具體是多少,是本研究的目的,以表1為基礎(chǔ),分別以增減質(zhì)量為20 kg的步長(zhǎng),每個(gè)車(chē)型分有無(wú)能量回收的兩種情況,總共進(jìn)行44次的計(jì)算,得到44個(gè)里程點(diǎn),擬合成4條直線。得到續(xù)駛里程與整備質(zhì)量的變化關(guān)系,如圖9。

        圖9 續(xù)駛里程與輕量化的關(guān)系

        有能量回收時(shí):

        無(wú)能量回收時(shí):

        由此得出結(jié)論是:對(duì)于電動(dòng)轎車(chē),當(dāng)有能量回收時(shí),每降100 kg的質(zhì)量,A級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加12.3 km,C級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加13.0 km;當(dāng)無(wú)能量回收時(shí),每降100 kg的重量,A級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加12.0 km,C級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加11.5 km。與空氣阻力系數(shù)對(duì)續(xù)駛里程的影響不同,整備質(zhì)量變化對(duì)續(xù)駛里程的影響程度與是否有能量回收關(guān)系不大。但值得注意的是有無(wú)能量回收,對(duì)基礎(chǔ)的續(xù)駛里程的影響是相當(dāng)大的,同樣是表1的條件,A級(jí)車(chē)基礎(chǔ)續(xù)駛里程369.6 km(有能量回收),290.7 km(無(wú)能量回收);C級(jí)車(chē)基礎(chǔ)續(xù)駛里程423.0 km(有能量回收),327.8 km(無(wú)能量回收)。

        假設(shè)整備質(zhì)量不變,把降重的質(zhì)量換算成電池的質(zhì)量,按電池的能量密度138 W·h/kg計(jì),降10 kg的質(zhì)量相當(dāng)于增加1.38 kW·h的電能,其效果如圖10。

        圖10 續(xù)駛里程與降重?fù)Q電池的關(guān)系

        當(dāng)有能量回收時(shí):

        當(dāng)無(wú)能量回收時(shí):

        結(jié)論是:當(dāng)有能量回收時(shí),動(dòng)力電池以外的部件如降10 kg的質(zhì)量,并將質(zhì)量分給動(dòng)力電池,保持整車(chē)的整備質(zhì)量不變,A級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加12.5 km,C級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加9.3 km;當(dāng)無(wú)能量回收時(shí),A級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加9.8 km,C級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加7.2 km,這是非??捎^效果。當(dāng)然這只是個(gè)理想的狀態(tài),電池組由多個(gè)單體集成,不是理想連續(xù)增加的。

        4.4 滾動(dòng)阻力對(duì)續(xù)駛里程的影響

        輪胎的滾動(dòng)阻力具有兩面性,一方面從動(dòng)力性上說(shuō),需要滾動(dòng)阻力小,但滾阻小對(duì)操縱穩(wěn)定性不利。用不同的滾動(dòng)阻力系數(shù)fr=(0.65~1)%,各取8個(gè)點(diǎn),計(jì)算模擬兩個(gè)車(chē)型的4種工況,得到圖11,表達(dá)了續(xù)駛里程與滾動(dòng)阻力的關(guān)系,有4個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式:

        當(dāng)有能量回收時(shí):

        當(dāng)無(wú)能量回收時(shí):

        圖11 續(xù)駛里程與滾動(dòng)阻力的關(guān)系

        總結(jié)論是:當(dāng)有能量回收時(shí),每降0.1%的滾動(dòng)阻力系數(shù),A級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加15.8 km,C級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加19.2 km;當(dāng)無(wú)能量回收時(shí),A級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加8.5 km,C級(jí)車(chē)的續(xù)駛里程增加9.9 km。滾動(dòng)阻力的變化對(duì)續(xù)駛里程的影響,大型車(chē)比小型車(chē)更敏感。

        4.5 車(chē)速對(duì)續(xù)駛里程的影響

        電動(dòng)汽車(chē)與燃油車(chē)不同,燃油車(chē)在高速行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的效率高、油耗低,整車(chē)的續(xù)駛里程會(huì)長(zhǎng)。但電動(dòng)車(chē)則不同,電池的能量是一定的,車(chē)的速度越高,用于平衡空氣阻力消耗的能量呈指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng),但電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率無(wú)較大變化。因此,電動(dòng)汽車(chē)低速行駛時(shí)的續(xù)駛里程比高速行駛時(shí)更長(zhǎng)。但當(dāng)車(chē)速低于30 km/h時(shí),由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的降低和低壓系統(tǒng)能耗的增加,車(chē)輛的續(xù)駛里程也會(huì)有所降低。圖12是模擬A級(jí)轎車(chē)、不同速度下均速行駛時(shí)能夠達(dá)到的續(xù)駛里程。如在(40~80)km/h范圍內(nèi),將其續(xù)駛里程線性化,則線性表達(dá)式為:

        圖12 不同車(chē)速下的續(xù)駛里程

        5 結(jié)束語(yǔ)

        以標(biāo)準(zhǔn)的A級(jí)和C級(jí)電動(dòng)轎車(chē)為例,通過(guò)仿真分析,得出各因素對(duì)電動(dòng)轎車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響,統(tǒng)一表達(dá)于表2中,以便在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策劃中參考。

        表2 各因素對(duì)續(xù)駛里程的影響

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