纯电动汽车能耗经济性评价体系初步探讨

纯电动汽车能耗经济性评价体系初步探讨 王震坡, 姚利民, 孙逢春 ()北京理工大学 机械与车辆工程学院, 北京 100081 摘 要: 以纯电动汽车长期运行试验为基础, 对电动汽车能耗经济性的合理评价方法进行了研究, 了续驶里 程、单位里程容耗、单位里程能耗等纯电动汽车常用的能耗经济性评价参数, 比较了不同参数评价的优劣, 提出了 能量利用率作为纯电动汽车能耗经济性和动力性综合评价参数, 并对不同车型进行了能量利用率计算与分析Ζ 对 纯电动汽车能耗经济性评价的参数体系及不同车型间能耗经济性比较的参数进行了初步探讨Ζ关键词: 纯电动汽车; 能耗经济性; 比能耗; 能量利用率 中图分类号: 27011 文献标识码: U A Pre l im inary Study on Eva lua t ion Sy stem of EV En ergy Con sum p t ion Econ om y 222, , W A N G Zh en po YA O L im in SU N F en gch u n (), , 100081, Schoo l o f M ech an ica l and V eh icu la r E ng inee r ingB e ijing In st itu te o f T ech no lo gyB e ijing C h inaA bstra c t: T o def in e th e eva lu a t io n stan da rd o f EV en e rgy co n sum p t io n eco nom y an d e stab lish th e , eva lu a t io n sy stem th e rea so n ab le eva lu a t io n m e tho d o f EV en e rgy co n sum p t io n is stu d ied o n th e 2. b a sis o f lo n gte rm ru n n in g te st o f EVT h e p a ram e te r s o f en e rgy co n sum p t io n eco nom y su ch a s , d r iv in g ran gecap ac ity co n sum p t io n p e r k ilom e te r an d en e rgy co n sum p t io n p e r k ilom e te r a re . . summ a r izedT h e m e r it s an d fau lt s o f th e se p a ram e te r s a re m en t io n edA s th e o ve ra ll m e r it o f dyn am ic p e rfo rm an ce an d en e rgy co n sum p t io n eco nom y th e en e rgy u t iliza t io n ra t io is p u t . fo rw a rdT h e fu n c t io n o f th is p a ram e te r is show n th ro u gh ca lcu la t io n an d an a ly sis fo r d iffe ren t . EV sT h is is h e lp fu l to th e stu dy o f th e EV en e rgy co n sum p t io n eco nom y an d th e com p a r iso n o f .en e rgy co n sum p t io n eco nom ie s fo r d iffe ren t e lec t r ic veh ic le s ( ) : ; ; ; Key word se lec t r ic veh ic le EV en e rgy co n sum p t io n eco nom ysp ec if ic en e rgy co n sum p t io n en e rgy u sage ra t io 能源和环保问使近年电动汽车研究深入而广 , 综合分析比较了国内外文献中提到的电动汽车 础 泛开展, 在电动汽车产业化、商业化的进程中, 纯电 能耗经济性评价参数, 给出了便于实际测量比较的 动汽车能耗经济性问题被日趋重视, 急需确立一套 电动汽车能耗经济性评价参数体系, 并提出了电动 纯电动汽车能耗经济性的评价体系Ζ 作者以北京市 汽车能耗经济性和动力传动系统匹配的综合评价指 标能量利用率Ζ 电动汽车公交示范线和示范区的实际运行数据为基 11114 单位容量和单位能量消耗行驶里程 1 能耗经济性评价指标 这两种电动汽车能耗经济性的评价指标分别是 车辆能耗经济性评价常用的指标都是以一定的 单位里程容量消耗和单位里程能量消耗的倒数Ζ 单 (() ) 位分别为 ƒ?ƒ?Ζ, 车速或循环行驶工况为基础, 以车辆行驶一定里程 km A h km kW h 11115 等速能耗经济特性曲线的能量消耗量或一定能量使车辆可行驶的里程衡 通 常以测出速度间隔为 5 或 10 的 ƒƒ量Ζ 为了使电动汽车能耗经济性评价指标具有普遍 km h km h 等速行驶能耗量为标准, 在速度2能耗曲线图上连成 性, 其评价指标应该满足以下 3 个条件: ?可以对不 曲线, 称为等速能耗经济特性曲线, 但这种评价方法 同类型的电动汽车经济性进行比较; ?指标参数数 不能反映汽车实际行驶中受工况变化的影响, 特别 值与整车储存能量总量无关; ?可以直接从参数指 是市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速及停车等 标 进行能耗经济性判断Ζ 下面分别介绍常用评价 1 行驶工况Ζ 参数Ζ 112 不同车型能耗经济性对比 111 单车能耗经济性评价参数 不同车型的纯电动汽车总质量相差很大, 范围 11111 续驶里程 续驶里程是纯电动汽车电池组充 为 1, 16 , 因此单位里程能量消耗也有很大差别Ζt 满电后可连续 为了进行不同车型间的能耗水帄分析和比较, 引入 行驶的里程, 可以分为等速续驶里程和循环工况续直流比能耗的概念, 即单位质量在单位里程的能耗, 驶里程Ζ此项指标对于综合评价电动汽车电池组、电 (() ) 单位为 ?ƒ?Ζ 此参数可以体现不同车 kW h km t型2 机及传动系效率、电动汽车实用性具有积极意义Ζ 间传动系匹配优化程度和能量利用效果Ζ 但此指标与电动汽车电池组装车容量及电压水帄有 在电压等级相同的情况下, 与比能耗指标评价 类似, 可以引入比容耗的概念Ζ即单位质量在单位里 关, 在不同车型和装配不同容量电池组的同种车型 (() ) 程的容量消耗, 单位为 ?ƒ?ΖA h km t 间不具有可比性Ζ 即使装配相同容量同种电池的同 113 不同参数间关系和实际参数比较一车型, 续驶里程也受到电池组状态、天气、环境因 纯电动汽车能耗经济性的评价参数之间相互转 素等使用条件影响而有一定的波动Ζ 换的计算关系如图 1 所示Ζ 电池组可放出的有效能 11112 单位里程容量消耗 以电池组作为唯一动力 量、有效容量、单位里程能耗及单位里程容耗是电动 源的纯电动汽车定义车 辆等速或按工况行驶单位里程消耗的电池组容量为4, 5 汽车续驶里程的决定性因素 Ζ车辆的整备质量把 () 单位里程容量消耗, 单位为 ?ƒΖA h km 单位里程能耗、容耗与比能耗、比容耗联系起来Ζ 单 电池组在不同的放电深度, 端电压有明显的变 位里程容耗和能耗的区别在于计算中是否考虑电池 化; 在相同放电功率下电池组放电电流有相应的变 组电压变化的影响Ζ 3 ( ) 化Ζ 从容量消耗计算公式= 可知, 在不Q I td t ? 同的电池组放电深度, 行驶相同里程消耗的电池组 容量不同Ζ 所以单位里程容耗作为经济性的评价参 数在不同的电池组使用条件下存在一定的误差, 在 不同车型间不具有可比性, 仅适用于电压等级相同, 车型相似情况下能耗经济性能的比较或同一车型能 图 1 电动汽车能耗参数关系示意图 耗水帄随电池组寿命变化历程分析Ζ . 1 F igT h e re la t io n o f EV ene rgy co n sum p t io n p a ram e te r s 11113 单位里程能量消耗 单位里程能量消耗又可 以分为单位里程电网交 现在世界各国研制的电动汽车直流比能耗在40 6 () , 80 ??Ζ 表 1 列举了国内近几年研 ƒW h km t制( 流电量消耗和电池组直流电量消耗, 单位为 ?kW 的 4 种电动大客车能耗情况Ζ 可以看出相同电压 水) ƒΖ 其中交流电量消耗受到不同类型充电设备 h km 帄下, 不同电池组容量对电动汽车续驶里程影响 的效率影响Ζ 直流电量消耗仅以车载电池组的能量 明显Ζ 不同单位里程能量消耗, 在考虑到质量的影 状态作为标准, 脱离了充电机的影响, 可以比较直接 表 1 电动车辆能耗数据对比 . 1 TabThe com par ison of EV en ergy con sum p t ion da ta 能耗 比能耗 ƒƒ车型 电池类型 总质量ƒk g 续驶里程ƒkm - 1- 1 ()( ) ??[?? ?]kW h km W h km t - 1 ( )()15 210 铅酸 336 @ 340 ?1700 10 046YW 6120DD 163 = 40 ? V A h v km h - 1 ()168 = 40 ?v km h ( ) 铅酸 384 @ 300 ?锂2V A h 610015 525 01664 4217 BJD EV - 1 ()313 = 60 ?v km h ( ) 离子 388 @ 600 ?铅V A h 611001542 4311 B FC 12 560 - 1 ()154 = 40 ? v km h ( )网 384 @ 250 ?611250V A h H F F GK 01623 4312 14 420 响后, 即反映到比能耗上出现了不同于单位里程能 ( ) ΥG t v td t f G ?T s e耗的分布情况, 并非能耗高的比能耗也高, 从而间接 . 2 ΥG ( ) ( )t?G kCA v tD dv t( ) d t + v t G t Υ+反映了不同车辆的匹配优化程度, 同时反映了质量 21115 t? g Td t 对电动汽车能耗的巨大影响Ζ( )5 式中: 为电动汽车总重力, ; ;为道路阻力系数G t N Υ能量利用率2 为汽车以非稳定工况行驶时空气阻力损失比等速k 车辆的动力性和能耗指标是相互矛盾的, 为了 2( ) , = 1+ 行驶时空气阻力增加的程度ƒ; 为 k ?v v a g 增加动力性, 要求车辆具有更大的后备功率, 但后备 2为汽车前 重力加速度, ƒ; 为空气阻力系数; m sCD A功率大, 必然降低动力系统的负荷率, 从而使能耗经 2济性变差Ζ因而不能片面追求动力性或能耗经济性, 迎风面积, ; 为电动汽车旋转质量换算系数Ζ m ? 7 必须取得车辆动力性和能耗经济性之间的优化Ζ 令 = ƒ, 是汽车在为道路阻力利用系数Γg f s Υ 上述经济性参数都是单纯考虑能耗所得到的评价指 一 个行驶循环中所需的驱动功与克服实际道路阻力标Ζ综合考虑车辆的动力性, 定义电动汽车的能量利 所 用率 为ΓE 做的功之比, = + , 为车辆行驶的道路坡度ΖΥf ii 令 = ƒ为汽车的重力利用效率, 是汽车ΓΕG e G t ( )1 = ƒΓE e E b E 克 服载重量产生的道路阻力所作的功与克服汽车总Ζ 重 式中: e 为消耗在电动汽车上的有效驱动能量; b E E 力产生的道路阻力所做的功之比Ζ 为电池组在行驶过程中消耗的总能量,(( ) ΥG t v td tT ? 令Γd 2 ( ) kC A v t ?G ( )D t dv t ( ) ( )E e = G e f sv td tΖ2 = ( ) v td t G t Υ++ ?T ?T 21115 g d t 为电动汽车驱动力利用效率, 是汽车克服汽车总质 : e 为电动汽车的有效载重量; s 为车轮滚动 式中G f 量产生的道路阻力所做的有用功与汽车驱动轮产生 阻力系数; 为车辆行驶速度; 为车辆行驶时间Ζv t 的驱动力所做的功之比Ζ在汽车等速行驶的情况下, 令 为电动汽车车轮上的驱动能量, 则E d ( ) ƒ= 0, = 1, 可简化为dv ttk Γd E E d e ( )3 = ΓE Γte Γ2E b E d CA v D = , uw ( )6 = 1+ , Γd 21115ΥG t1 式中Γte 为电池组能量经电机和传动系传至驱动轮所以电动汽车的能量利用率 ΓE 可以表示 上 为( ) 7 = ΓE Γb m Γ t Γ g ΓΕ d 成为驱动能量的效率,( )4 = Γte Γb Γm Ζ Γ Γ 的推导过程可看出, 该指标从能量利用率 E ΓΖ Γt : Γt 为传动系效率; Γm 为电机效率; Γb 为电池式中已 组经把电池组、电机、传动系的固有特性与电动汽车实 放电效率Ζ际使用条件相结合, 既反映了电动汽车具有的能力, 表示在一定汽车行驶工况下, 电动汽车驱Γuw 又反映了电动汽车的实际使用效果Ζ 因此用它作为 动 功中有多少变为有效驱动能量 ΖE e 电动汽车动力传动系统匹配和经济性的综合评价指 ( ) f sG e v td t ?T E e 标, 既反映了电动汽车动力传动系统与使用工况的 B FC 6110 匹配略优于BJD 6100Ζ 3 实例计算 从 车 辆 设 计 的 角 度, 根 据 上 述 计 算, 6110B FC 根据上述能量利用率计算方法, 分别对两种类 整备质量较大, 造成质量利用系数较低是出现上述 型电动汽车进行计算Ζ 所采用的两种电动汽车应用 结果的主要原因Ζ如果采用轻量化设计方法, 降低车 相同的传动系统和锂离子电池组, 因此传动系效率、 辆质量, 在整个速度范围能量利用率将优 6110 B FC 电机效率和电池组放电效率相同, 数值均设为 1, 在 于Ζ 从上述计算可以看出, 能量利用率的计6100BJD 算不仅得到了车辆匹配优劣的结论, 也为改进设计计算中不予讨论Ζ 道路利用系数与车辆行驶的道路 坡度有关, 在此设车辆在水帄路面上行驶, 因此道路 提供了理论依据Ζ 阻力利用系数为 1, 其他相关车辆参数如表 2 所示Ζ 4 结论 表 2 由能量利用率计算的相关车辆参数 ?确立了纯电动汽车能耗经济性评价指标体 The EV param e ter s re la ted to the ca lcula t ion s Tab. 2 of en ergy usage ra t io 系; ?提出了能量利用率作为纯电动汽车动力性和 额定载 迎风面 整备质 风阻 滚动阻 能耗经济性综合评价指标; ?为电动车辆能耗优化 车型 系数 力系数 量ƒk g 2客量ƒ人 积ƒ m 设计提供了理论依据Ζ 10 512 42 160 0170 01012 6BJD 6100 198 0158 01012 6110 12 560 36 6 B FC 参考文献: 罗 奔. 1 6620 型电动轻型客车的能量利用和试验 EV 由于BJD 6100 属于公交车, 因此在计算额定载 [. 广州: 华南理工大学机械工程学院, 1998. 研究D 荷时, 不考虑乘客行李质量; 6110 属于旅游客 B FC . 6620 L uo B enE ne rgy u sage and te st study o f EV 车, 因此按照相关标准, 计算额定载荷时, 按每位乘 [. : ,D Guangzho uCo llege o f M ech an ica l E ng inee r ing 客携带 10 行李计算Ζ 两种车型的质量利用系数 k g ( 1998. So u th C h ina U n ive r sity o f T ech no lo gy, in分别为01206 和01181Ζ 不同车速下的驱动力利用效 )C h ine se 率及能量利用率计算结果如下表 3 所示Ζ2 陈 勇, 孙逢春. 电动汽车续驶里程及其影响因素的 表 3 驱动力利用效率及能量利用率计算结果 () 北京理工大学学报, 2001, 21 5: 578- 582. 研究[. J C h en Yo ng, Sun F engch un. S tudy o n range and it s Tab. 3 The ca lcula t in g re sults of dr ive an d [ . re la ted fac to r s o f e lec t r ic veh ic le s J Jo u rna l o f en ergy usage ra t io ( ) , 2001, 21 5: 578 -B e ijing In st itu te o f T ech no lo gy 驱动力利用效率 能量利用率 车速ƒ - 1 ( )582. in C h ine se()?km h BJD 6100 B FC 6110 BJD 6100 B FC 6110 李国良, 初 亮, 鲁和安. 电动汽车续驶里程的影响因 3 01879 1903 1181 1163 10 000( ) 素 [. 吉林工业大学自然科学学报, 2000, 30 3: 20J 01645 01700 01133 01127 20 - 24. 01447 01509 01092 01092 30 , , . L i Guo liangC h u L iangL u H eanA na ly sis o f 01313 01369 01064 01067 40 [ .fac to r s affec t ing th e range o f e le t r ic veh ic le J 50 01225 01272 01046 01049 N a tu ra l Sc ience Jo u rna l o f J ilin U n ive r sity o f 60 01168 01206 01035 01037 () ( ) , 2000, 30 3: 20- 24. T ech no lo gyin C h ine se孙逢 究 春, 王震坡, 孙立清. 电动汽车技术经济性分析研 根据上述计算结果, 可以看出驱动力利用效率 4 [. 孙 力. 中 国 电 动 汽 车 研 究 与 开 发 [. 北 A C 和能量利用率随速度增加迅速降低Ζ在低速情况下, 京: 中国电动车辆专业委员会, 2002. 1- 7. 驱动力所做的功主要用于克服车辆总质量所产生的 , , . Sun F engch unW ang Zh enpo Sun L iq ingA na ly sis 道路阻力Ζ随速度增加, 用来克服道路阻力所做的功 [. .and study o n EV tech n ica l eco nom y A Sun L i 占总体比例越来越小Ζ从能量利用率的角度, 在低速 [ .R e sea rch and D eve lopm en t o f EV in C h ina C : B e ijingC h ina N a t io na l E lec t r ic V eh ic le s P ro fe ssio na l 情况下的低于但随车速增加, 能 6110 6100, B FC BJD 量利用率在总体下降的情况下, 6100 的下降较 BJD ( )2002. 1- Comm it tee, 7. in C h ine se快, 在 30 后, 6110 的略高于Ζ 从ƒ6100km h B FC BJD ()下转第 486 面 车 辆 动 力 性 和 经 济 性 匹 配 的 角 度, 在 低 速 情 况 下 6 李 刚, 林 凌. —— 易学易用的计算机图 L abV IEW ? 在实验的基础上提出了用二次曲线对空载 北京: 北京航空航天大学出版社, 形化编程语言 [. M 下的汽缸摩擦力和速度关系进行拟合Ζ 2001. ? 汽 缸 的 摩 擦 力 与 两 腔 压 差 和 压 差 的 方 向 , .L i GangL in L ing L abV IEW —— A n ea sy to study 有关Ζ and ea sy to u se com p u te r g rap h ic p ro g ramm ing ? 建立了汽缸的摩擦力模型, 在实际控制中可[ : . language M B e ijingB e ijing U n ive r sity o f 以用其对系统进行摩擦力补偿, 提高了系统的控制 ( , 2001. A e ro nau t ic s and A st ro nau t ic s P re ssin 精度Ζ )C h ine se 7 杨乐帄, 李海涛. 北 程序设计与应用 [. L abV IEW M 参考文献: 京: 电子工业出版社, 2001. 1 2T o k a sh ik i L , , . slip R F u jita T Kagaw a TS t ick , . Yang L ep ingL i H a itaoL abV IEW p ro g ram de sign m o t io n in p neum a t ic cy linde r s d r iven by m e te r o u t [. : and app lica t io n M B e ijingP ub lish ing H o u se o f [ . c ircu it J T ran sac t io n s o f th e J ap an H yd rau lic s & ( ), 2001. E lec t ro n ic s Indu st ryin C h ine se () , 1999, 30 4: 22- 29.P neum a t ic s So c ie ty 张百海, 江泽民, 王 涛 等. 虚拟仪器技术在气动元件 8 和系统测试中的应用 [. 机床与液压, 2002, 3: 169-J , , . 2 B e lfo r te GA lf io N D R ap a re lli TE xp e r im en ta l [ .ana ly sis o f f r ic t io n fo rce s in p neum a t ic cy linde r s J 172. () , 1989, 20 1: 42- 59. Jo u rna l o f F lu id Co n t ro l, , , . Zh ang B a ih a iJ iang Zem in W ang T ao e t a l , , . R ap a re lli T B e r te t to A M M azza LE xp e r im en ta l A pp lica t io n o f v ir tua l in st rum en t s in te st o f p neum a t ic 3 [ . 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