薛冰
燕京理工學(xué)院工學(xué)院,河北廊坊 065201
近年來,隨著中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,然而由于油氣資源不足,能源供需矛盾日益突出,2019年中國的原油進(jìn)口量高達(dá)5.057 2×108t,對進(jìn)口油氣依賴度不斷升高。在這種背景下,中國新能源汽車2019年產(chǎn)銷規(guī)模突破120萬輛,保有量也達(dá)到419萬輛,占全球54.5%。2019年,中國總計生產(chǎn)了102萬輛純電動汽車,銷售了97.2萬輛。純電動車市場相對于混合動力汽車市場要好得多。同時,中國政府出臺了大量扶持政策,并給予大量購置補(bǔ)貼、稅收減免與財政補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策,推動純電動汽車產(chǎn)業(yè)體系化發(fā)展。
2019年7月1日正式出臺了GB/T 36980—2018《電動汽車能量消耗率限值》標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)旨在推動純電動汽車向節(jié)能方向發(fā)展,為電動汽車節(jié)約了電能,并優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),同時為新能源汽車健康持續(xù)的發(fā)展提供了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對于具有三排以下座椅且最高車速不小于120 km/h的電動汽車車型,當(dāng)整車整備質(zhì)量在 750 kg及以下時,百公里能量消耗率限值應(yīng)為 13.1 kWh[1]。
汽車的動力性評價指標(biāo)主要有最大車速、0~100 km加速時間、最大爬坡度。以乘用車為例,最高車速的范圍為120~250 km,與之對應(yīng)的發(fā)動機(jī)排量也各不相同;一般用0~100 km/h的加速時間來評定,加速時間范圍為6~12 s;最大爬坡度一般在30%~60%。
汽車經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)為一定運(yùn)行工況下百公里燃油的消耗量。在國標(biāo)中規(guī)定的乘用車燃料消耗限制,按著整車整備質(zhì)量的不同,分為兩個階段:第一階段的百公里燃油消耗量范圍為7.6~16.4 L,第二階段的百公里燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)為6.6~14.7 L。
根據(jù)市面上已有傳統(tǒng)燃油車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性情況的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),排量大的車動力性較強(qiáng),排量相同整車整備質(zhì)量小的車動力性較強(qiáng),排量小的車經(jīng)濟(jì)性較好,整車整備質(zhì)量小的經(jīng)濟(jì)性較好,公路路況比城市路況的經(jīng)濟(jì)性好。
對于純電動汽車來說,動力源由發(fā)動機(jī)改為電動機(jī),汽車的使用性能未發(fā)生任何變化,動力性評價指標(biāo)依然是最高車速、0~100 km加速時間、最大爬坡度,但是由于純電動汽車是使用電力驅(qū)動,所以經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)發(fā)生了變化,汽車經(jīng)濟(jì)性可以用能量消耗率和續(xù)駛里程來評價[2]。動力性和經(jīng)濟(jì)性歷來是一對矛盾體,要得到最佳的狀態(tài)就要均衡動力性和經(jīng)濟(jì)性。也就是電動汽車的動力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)都要達(dá)到設(shè)計的目標(biāo),在保證汽車動力性的前提下經(jīng)濟(jì)性還要好,只有達(dá)到相互平衡,才能符合國標(biāo),才能立足于市場。
續(xù)駛里程是汽車經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)同時也是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵影響因素,國家對電動汽車補(bǔ)貼政策也圍繞著續(xù)駛里程來確定,同時續(xù)駛里程也會影響電動汽車用戶的駕駛感受。
傳統(tǒng)車企中比亞迪在很早之前就開始研究開發(fā)純電動汽車,從最早的e6純電動車型,其續(xù)駛里程就已經(jīng)達(dá)到了300 km,到后續(xù)推出的王朝系列的漢、秦、唐、宋、元等車型均有純電動版本,再到最近推出的海豚、海豹系列電動汽車,比亞迪品牌的純電動汽車電池、電機(jī)及電控系統(tǒng)的技術(shù)都在快速地提升。除比亞迪外,吉利、長安、長城、北汽等品牌的電動汽車板塊也在快速發(fā)展之中。
除傳統(tǒng)車企在發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)外,同時市面上也出現(xiàn)了大量的造車新勢力和國外的電動汽車品牌,如蔚來、小鵬、特斯拉等,其關(guān)鍵技術(shù)也是非常成熟的,同時引領(lǐng)了電動汽車技術(shù)的發(fā)展[2]。車企代表車型續(xù)駛里程對比見表1。
表1 車企代表車型續(xù)駛里程對比
ADVISOR是各大研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多的仿真軟件,其綜合了各種仿真方法的優(yōu)勢,并且彌補(bǔ)了不足。軟件可以根據(jù)設(shè)置整車參數(shù)、動力電池參數(shù)、驅(qū)動電機(jī)參數(shù)、變速箱參數(shù)、車輪參數(shù)來分析電動汽車的動力性及經(jīng)濟(jì)性,同時可以分析不同控制策略對整車性能的影響,并且能夠進(jìn)行二次開發(fā)。軟件中參數(shù)優(yōu)化功能Autosize可以對所選參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)解。該軟件也有一些不足的地方如已有數(shù)據(jù)老化,無法滿足現(xiàn)有研究的需求,底層模型都需要進(jìn)行二次開發(fā),同時需要更改大量數(shù)據(jù)參數(shù)且不適合進(jìn)行動態(tài)分析等[3]。
在現(xiàn)有市場上,選取了3種不同品牌同類型純電動汽車進(jìn)行對比分析[4],整車基本參數(shù)見表2。
表2 3種車型整車基本參數(shù)
為純電動汽車提供動力的部分是動力電池,其質(zhì)量會影響整車的性能,所以在選配時要格外注意,避免影響車輛性能。在市場上電動汽車中常用的電池類型有:鉛酸電池、鎳氫電池、三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池等[5]。
近年來動力電池技術(shù)不斷發(fā)展,成本逐漸降低。在2021年上半年磷酸鐵鋰電池得到了快速發(fā)展,其市場占比也在不斷地提升,磷酸鐵鋰電池在整車生產(chǎn)中裝車輛達(dá)到了45.95%。但是在乘用車市場上磷酸鐵鋰的表現(xiàn)要遜于三元鋰電池,只有低端車型如五菱Mini EV,還有采用刀片電池的比亞迪車型。未來磷酸鐵鋰電池將繼續(xù)在低端乘用車、商用車領(lǐng)域不斷發(fā)展,而三元鋰電池依舊在乘用車市場上占據(jù)了主力位置[6]。
三元材料的電壓平臺比磷酸鐵鋰高,電壓平臺越高,比容量越大,在相同的體積或是質(zhì)量下,甚至同樣安時的電池,電壓平臺比較高的三元材料鋰電池續(xù)航里程更遠(yuǎn)[7]。在大倍率充電和耐低溫性能等方面,三元鋰電池也有很大的優(yōu)勢,所以市面上常見的中高端電動汽車采用的均為三元鋰電池。電池容量、能量、能量密度這些參數(shù)都起著至關(guān)重要的作用。動力電池組容量直接關(guān)系汽車的續(xù)駛里程與動力性,一般是以滿足正常車速下的行駛需要。
3種車型動力電池基本參數(shù)見表3。
表3 3種車型動力電池基本參數(shù)
驅(qū)動電機(jī)也是電動汽車的核心部件,不同的電機(jī)對整車性能存在不同的影響,永磁同步電機(jī)和交流電機(jī)是常見的類型[8]。交流三相電機(jī)與永磁同步電機(jī)的優(yōu)缺點對比見表4。
表4 交流三相電機(jī)與永磁同步電機(jī)的優(yōu)缺點對比
現(xiàn)代電動汽車要滿足不同的行駛環(huán)境,對電動機(jī)的要求也越來越高,功率和轉(zhuǎn)矩是電動汽車的重要參數(shù)。為了滿足車輛行駛環(huán)境與汽車性能等方面的要求,要匹配合適的驅(qū)動電機(jī),3種車型選擇的是交流電機(jī),但是3種電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩是不同的[9]。3種車型驅(qū)動電機(jī)參數(shù)對比見表5。
表5 3種車型驅(qū)動電機(jī)參數(shù)對比
3種車型仿真分析結(jié)果如圖1至圖3所示。
圖1 A車型仿真分析結(jié)果
圖2 B車型仿真分析結(jié)果
圖3 C車型仿真分析結(jié)果
選取了3種不同類型的純電動車進(jìn)行對比分析,3種車型動力性指標(biāo)對比結(jié)果見表6。由表可知,A車型的最高車速達(dá)到了144.1 km/h是3種車型中車速最高的,百公里加速時間也僅有9.9 s是3種車型中最快的,最大爬坡度3種車型比較接近沒有太大差別。綜上所述,A車型的動力性最好,主要原因是其質(zhì)量最輕,空氣阻力系數(shù)最小,動力電池能量最大,驅(qū)動電機(jī)功率最高,這些參數(shù)都影響了A車型的動力性能??梢姡@些參數(shù)的提升,對電動汽車動力性能的提升有著顯著的影響,在純電動車輛設(shè)計時,對于想要提升整車動力性能的車輛,可以適當(dāng)提升這些關(guān)鍵影響參數(shù)。
表6 3種車型動力性指標(biāo)對比結(jié)果
對于傳統(tǒng)燃油汽車來說,百公里耗油量為汽車經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo),對于純電動汽車來說可以用百公里的耗電量來衡量電動汽車的經(jīng)濟(jì)性,也就是能量消耗率。Advisor軟件中是把耗電量轉(zhuǎn)換成耗油量來表示電動汽車的經(jīng)濟(jì)性[10]。
3種車型經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比結(jié)果見表7。由表可以看到在NDEC循環(huán)工況下,電動汽車的耗電量轉(zhuǎn)換為耗油量之后的值都較小,可見電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車來說能耗是非常少的,而且電能的經(jīng)濟(jì)性要比燃油的經(jīng)濟(jì)性要好很多。根據(jù)3種車型的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比結(jié)果分析,A車型的百公里油耗僅有2.3 L,相對于其他兩種車型是最低的,因為A車型的整車基本參數(shù)整備質(zhì)量最輕,風(fēng)阻最小。A車型的續(xù)駛里程最長,B車型次之,C車型最短,3種車型的動力電池容量是依次降低的??梢娎m(xù)駛里程受到電池容量的影響是非常大的,提升動力電池的容量對提高續(xù)駛里程是十分有效的。
表7 3種車型經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比結(jié)果
由仿真結(jié)果可知,對于純電動汽車來說,要提升整車的動力性可以調(diào)整以下幾個方面:①整車的基本參數(shù)包括減輕整車整備質(zhì)量和減小空氣阻力系數(shù)等;②提升動力電池的能量;③選用高功率的驅(qū)動電機(jī)。要提升整車的經(jīng)濟(jì)性同樣也可以調(diào)整整車的基本參數(shù)同時可以提高動力電池的容量??傊?,平衡純電動汽車的動力性與經(jīng)濟(jì)性可以使整車性能得到全面提升,通過調(diào)整整車基本參數(shù)、動力電池的基本性能、驅(qū)動電機(jī)的選取這3個方面入手可以高效地提升純電動汽車的動力性經(jīng)濟(jì)性。
本文通過 Matlab/Simulink對3種純電動汽車的動力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真,為了平衡動力性與經(jīng)濟(jì)性,對3種純電動汽車進(jìn)行了仿真分析,得到整車基本參數(shù)、動力電池、驅(qū)動電機(jī)參數(shù)的不同對純電動汽車動力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響結(jié)果,以及A車型電動汽車的動力性及經(jīng)濟(jì)性均衡相比于其他兩種汽車要做得更好,為電動汽車產(chǎn)業(yè)在動力性及經(jīng)濟(jì)性平衡方面提供了借鑒。