纯电动车经济性能影响因素仿真资料Word下载.docx
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车辆能耗经济性评价常用指标都是以一定车速或者循环行驶工况为基础,以车辆行驶一定里程能量消耗量或一定能量可反映出车辆行驶里程来衡量。
纯电动汽车能量消耗率是动力电池存放电量维持汽车某一工况下运行能力,如单位里程消耗能量、百公里消耗能量;
续驶里程是指纯电动汽车从动力电池全充满状态开始到试验规定结束时所走过里程,如以45km/h行驶里程等。
为了使电动汽车能耗经济性评价指标具有普遍性,其评价指标应该具有以下三个条件:
(1)可以对不同类型电动汽车进行比较;
(2)指标参数值与整车存储能量总量无关;
(3)可以直接通过参数指标进行能耗经济性判断;
不同纯电动汽车在不同行驶工况下能量消耗率和续驶里程可能会不同,很难用统一公式进行计算,下面将运用仿真方法得出纯电动汽车续驶里程和能量消耗率。
2铃木电动车仿真分析
根据目前国内外有关学者对纯电动汽车研究结论,可以看出,纯电动汽车研发出现了难以进行下去问题。
一方面是由于纯电动汽车面临成本和续驶里程等问题,一直没有很好解决;
另一方面,和人们对电动汽车要求过于完美化,提出不切实际过高要求有关。
因此,对纯电动车经济性能影响因素分析和研究,可以对解决这个问题找到一些方法或者启示。
电动汽车仿真软件ADVISOR由美国国家再生能源实验室开发,使用后向仿真为主、前向仿真为辅混合设计方法,具有车辆总成参数匹配与优化、传动/驱动系统能量转化分析、排放特性/能量消耗对比、车辆能量管理策略评价、整车综合性能预测分析等功能。
以下是铃木某款纯电动车整车部分参数,汽车采用永磁电机和镍氢电池,并建立ADVISOR仿真模型,分析影响纯电动汽车经济性能参数[2]。
建立ADVISOR的仿真模型需要的参数有整车整备质量、空气阻力系数、迎风面积、轴距、最大载荷、电机最大功率、电机额定电压、电机最大扭矩、电池容量、主减速比。
在已知以上参数的情况下建立ADVISOR的仿真模型。
微型电动汽车具有无污染、低噪音、小体积、低速度和易驾驶等优点,使得它可以穿梭与大城市的各种道路,能够直接到达出租车都不能到达的身居小巷。
微型电动汽车的最高时速一般为45km/h,虽然比一般小汽车的速度慢,但比步行或骑自行车快得多。
因此微型电动汽车作为代步工具是相当合适的。
另外,微型电动汽车的低速度也提高了它在居住区行驶时的安全性。
驾驶微型电动汽车,比驾驶小汽车简单得多。
ADVIDOR提供了道路循环(DriveCycle)、多重循环(Multiple)和测试过程(TestProcedure)3种仿真工况来仿真车辆的性能。
道路循环提供了CYC.ECE、CYC.FTP和CYC.1015等56种国外标准的道路循环供用户选择,另外提供了行程设计器(TripBuider),可以将多达8种不同的道路循环任意组合在一起,综合仿真车辆的性能。
多重循环功能可以用批量处理的方式以相同的初始条件,快速计算和保存不同的道路循环情况下的仿真结果,并将它们显示在一起,供用户比较。
测试过程包括TEST.CITY.HWY和TEST_FTP等8种国外标准的测试过程供用户选择仿真。
微型电动汽车适合于城市道路工况,因此选择典型城市路况作为循环工况。
表1.仿真参数
项目
单位
整车整备质量
空气阻力系数
迎风面积
轴距
最大载荷
电机最大功率
电机额定电压
电机最大扭矩
电池容量
主减速比
kg
mm
kw
V
Nm
Ah
1350
0.3
2
2400
300
50
312
200
60
2.1
模型建立:
由这些参数建立仿真模型
图1.仿真模型
道路循环工况选择CYC_ECE_EUDC
图2.CYC_ECE_EUDC
图3.续驶里程
3参数匹配及仿真
影响纯电动汽车经济性能因素很复杂,模型建立较为复杂,因此只对一般参数进行仿真,分析其对纯电动汽车经济性能影响。
3.1蓄电池数学模型
镍氢电池是一种新型环保高容量二次电池,其特性和镍镉电池相似,只是以吸藏氢气合金材料(MH)取代了镍镉电池中负极材料镉(Cd)。
较之上述其它电池,镍氢电池有许多优点:
能量密度高,是镍镉电池1.5~2倍;
可快速充放电,低温性能好;
可密封,耐过充放电性能强;
无毒无环境污染,不使用贵金属;
无记忆效应[16]。
在当前电动汽车仿真软件中,电池模型多采用内阻模型。
内阻模型将电池看成是一个理想电压源和一个电阻串联等效电路[13],简化模型如图2-4所示。
图4内阻模型等效电路
图中E0——单体电池电动势(V);
U——工作电压(V);
I——工作电流(A);
Rint——等效内阻(
)。
由图4所示得到电池电压特性方程为:
(3—1)
电池电动势E0和内阻Rint受多个因素影响,数值随电池状态时时变化,但通常只考虑主要因素影响,例如在电动汽车仿真软件ADVISOR中,内阻模型将E0和Rint看做荷电状态SOC(Stateofcharge)和温度T函数。
下面为了简化计算,暂将其视为常数。
得到,
电池放电功率为:
(3—2)
电池放电效率为:
(3—3)
电池最大输出功率为:
(3—4)
是一个理论计算值。
在实际应用中为了防止过大放电电流而产生过大热量进而影响到电池寿命,通常要求电池工作电压处于2/3~1倍E0内,这样也可以保证电池具有较高效率。
故在实际应用中电池最大功率应限制为:
(3—5)
蓄电池储存总能量[6]:
(3—6)
式中
——单个电池组容量(A
h);
——单个电池组电压(
);
——电池组数目;
——电池组放电深度,用百分数表示。
3.2整车能量
整车能量消耗为:
(3—7)
(3—8)
式中
——每个状态电动汽车行驶速度(km/h);
——每个状态电动汽车消耗功率(kW);
——电动汽车总传动效率,它与主减速器及变速器各速比有关。
蓄电池存储总能量[41]:
(3—9)
——单个电池组容量(A·
——单个电池组电压(V);
——电池组数目;
——电池放电深度,用百分数表示。
考虑到电池通常以高于额定电流
电流
放电,所以电池总能量要相应减少[42~44],则有:
(3—10)
当
时,
;
,
。
等速行驶时续驶里程:
(3—11)
综上,建立遗传算法目标函数:
(3—12)
,
——加权系数;
一般加权系数是根据经验依据所侧重性能来确定,这里目标函数中整车能量消耗和续驶里程两者之间是相互联系,整车能量消耗越少,相同蓄电池条件下,续驶里程就会越长。
3.1电池电容对纯电动汽车经济性影响
在铃木上述铃木纯电动汽车基础上将电池电容分别变为20Ah,30Ah,40Ah,50Ah进行仿真[4],得到仿真结果如下
图5.全工况下电容影响电池soc变化情况
图6.单循环工况下电容影响电池soc变化情况
表2.续驶里程
电池容量(Ah)10
20
30
40
50
60
续驶里程(km)30.1
89
118.1
148.8177.9
图5、图6中相同颜色曲线代表相同电池容量,表2可知,由单循环工况就能够看出,随电池容量增加纯电动汽车续驶里程也相应增加。
电池容量是纯电动汽车续驶里程重要影响因素。
3.2电池电量对纯电动汽车经济性能影响
相同电池容量电池模块组数越多则电量越大,电池模块数分别设置为30,33,36,40,44,47,50,进行仿真,得到仿真结果如下
图7.全工况下电量影响电池soc变化情况
图8.单循环工况下电量影响电池soc变化情况
表3.续驶里程
电池组数30
33
36
44
47
续驶里程(km)132.9
147.2
160.2
177.9
195.4209
223.2
图7、图8中相同颜色曲线代表相同电池组数,电量相同,由表3可以清楚看到电池组数越大续驶里程越大,但电池组数越多汽车整车质量将加大,又会对汽车动力性能影响,必须在满足动力性能前提下研究其经济性能。
3.3电机功率对经济性能影响
电机驱动系统是电动汽车中最关键系统,驱动系统类型和性能直接决定了电动汽车运行性能。
作为电动汽车牵引电机,应具有宽调速范围、高转速及足够大起动转矩,还要求体积小、重量轻、效率高,并且能实现动态制动和能量回馈。
由于直流电机具有良好起动能力和调速性能,早期开发电动汽车大多数都采用直流电机作为驱动电机。
然而随着电子技术和自动化技术发展,以及各种高性能电力电子元件出现,交流调速技术有了迅速发展,现已经能够获得同直流电机一样优良调速性能。
而且交流感应电机所具有结构简单、运行可靠和维护方便等优点非常适合电动汽车要求。
所以,在近来电动汽车研制中,驱动系统都竞相采用交流感应电机。
车架电动机功率包括额定功率和最大功率。
电动机功率选越大,则电动汽车后备功率越多,加速度和爬坡性越好,但同时电动机体积和质量也会迅速增加,而且会使电动机不能经常工作在峰值功率附近,使电动机效率下降。
因此,电动机功率不能选太大,应该依照电动汽车最高行驶车速、爬坡和加速性能来确定电动机功率[13~18]。
设计中常以先保证汽车预期最高车速来初步选择电动机应有功率。
已知电动机期望最高车速,选择电动机功率应大体上等于但不小与汽车以最高车速行驶时行驶阻力消耗功率之和。
电动汽车以最高车速行驶消耗功率:
(3—13)
——整车质量(
);
——滚动阻力系数;
——迎风阻力系数;
——迎风面积(
电动汽车以某一车速爬上一定坡度消耗功率:
(3—14)
——电动汽车行驶速度(
——坡度。
电动汽车在水平路面上加速行驶消耗功率:
(3—15)
(3—16)
——汽车旋转质量换算质量;
——车轮转动惯量(
——飞轮转动惯量(
——车轮半径(
——变速箱传动比;
——主减速器传动比。
总之,电动汽车电动机功率应能同时满足汽车对最高车速、加速度及爬坡度要求。
所以电动汽车电动机额定功率:
(3—17)
电动机最大功率:
(3—18)
——机械传动系统效率;
——电动机过载系数。
电机作为纯电动汽车动力部件,它性能参数是否会对电动汽车经济性能产生影响。
下面对电机功率做仿真分析。
图9.全工况下电机功率影响电池SOC值情况
电机功率(kw)
10
续驶里程(km)
228.3
213.2
202.4
188.7
表4.续驶里程
由图9和表4可以看出电机功率越大纯电动汽车续驶里程越小,电机功率越大汽车动力性能可能会更好,但其相对质量就越大,需要更多能量维持运行;
反而功率越小,电池更多电能可供行驶,续驶里程就越大,但是太小了可能又达不到汽车动力性要求,因此电机功率应满足其能够胜任动力性要求,同时达到最经济最合理。
3.4能量消耗分析
能量消耗作为经济性能优劣另一指标,因为其评判标准较多,建模较为复杂,本文由汽车等速行驶所消耗能量来评价,由计算公式:
能量消耗=电池全充满电量/总续驶里程,并通过拟合得到经验公式。
又图9可以看出,纯电动车经济性能最佳车速为40千米每小时,在低于或者高于该区域地方,能量消耗都相对较高。
因此将设计车速控制在40千米每小时,对降低能量消耗又很大好处。
图10.纯电动汽车等速行驶能量消耗与车速关系
经验公式:
.
4结论
以上仿真对评判纯电动汽车经济性能指标续驶里程和能量消耗进行了仿真,从影响续驶里程和能量消耗一些参数入手仿真,确实可看到对汽车经济性影响程度。
随电池容量增加纯电动汽车续驶里程也相应增加;
电机功率越大纯电动汽车续驶里程越小,电机功率越大汽车动力性能可能会更好,但其相对质量就越大,需要更多能量维持运行;
反而功率越小,电池更多电能可供行驶,续驶里程就越大;
纯电动车经济性能最佳车速为40千米每小时。
仿真结果可以为实验和实车参数匹配提供理论参考,同时也可以为提高纯电动汽车经济性能带来一些启示。
参考文献
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- 关 键 词:
- 电动车 经济 性能 影响 因素 仿真 资料