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[新能源汽车用材] 电动轿车续驶里程的影响因素及仿真研究

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发表于 2021-1-14 09:01:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
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电动轿车续驶里程的影响因素及仿真研究
董学锋 张彬彬 张海荣
【摘要】以电动轿车为例。计算研究空气阻力、滚动阻力、整备质量等分别对电动汽车续驶里程的影响,为电动汽车的产品定义、设计及目标设定与达成提供参考。
主题词:电动轿车 风阻滚阻 整备质量 续驶里程
1 前言汽车节能减排是汽车研发的重要目标之一,汽车是依靠发动机或电机的动力输出,通过齿轮的降速增扭,带动车轮在路上行进,发动机或电机的动力用来克服汽车的滚动阻力、空气阻力、爬坡阻力以及加速阻力等,汽车的质量(重量)越大,需要的动力也越大。行驶的速度越高,需要的动力也越高,空气阻力功率与车速的3次方成正比,高速行驶时,空气阻力的占比达70%以上,因此要实现更短的加速时间、更高的车速,需要更强大的发动机或电机功率来驱动。电动汽车的续驶里程与燃油车相比还有差距[1-2],因此,对电动汽车而言,提高续驶里程非常重要,当然多装动力电池或提高电池能量密度是最直接的办法。但本文从汽车的空气阻力、滚动阻力及整车的整备质量等方面,来研究对电动汽车的续驶里程的影响。
2 汽车行驶的功率需求及影响因素
2.1 汽车行驶的功率需求及影响因素
正在行驶的汽车必须克服各种阻力,以达到一定速度,或超越和保持这一速度。这些阻力包括空气阻力、滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力。各种阻力如图1 所示。各种阻力的数学表达式如下:



图 1 汽车行驶中的各种阻力

式中,相应所需功率与各种阻力因素和质量之间的关系为:ρ为空气密度;U 为车速度;Cd 为空气阻力系数;M 为汽车整备质量;fr 为滚动阻力系数;A 为迎风面积; a 为车辆加速度;g 为重力加速度;&#120572;为坡度角;&#120582;为汽车的内部旋转质量换算系数。汽车行驶时的功率见式(5)。

因此汽车在行驶的过程中,所需的功率与空气阻系数 Cd、迎风面积 A、滚动阻力系数 fr、整车总质量M、汽车的内部旋转质量换算系数&#120582;、加速度 a、坡度角&#120572;和车速 U 等相关。
2.2 轿车空气阻力控制趋势及水平
为了获得更小的空气阻力特性,汽车外形设计趋于流线之美。在汽车的研发过程中,控制噪音和降低空气阻力更是汽车性能控制的重要方面,&#119862;d是关键的性能控制因素,尤其是空气阻力系数 Cd 是评价汽车外形设计优劣的重要定量指标,追求尽量小。图 2 是德国奔驰公司的 S 级豪华轿车年度产品的空气阻系数变化图,空气阻力系数 Cd值,从 1972 年的 0.412 降低到 2013 年的 0.23,平均每代降低了 0.036[3],可以说是汽车空气阻力系数变化趋势的一个缩影,也是汽车行业发展的代表。0.23 的空气阻力系数可以说是近年最好水平之一,同时风噪也降低了 50%。


图 2 空气阻力系数的逐代降低[3]
2.3 轿车整备质量的控制及整体成果
在汽车的发展史中,随着人们对产品动力性能、舒适性能及装备要求的提高,汽车越来越重,但近些年的“节能减排”成了汽车的重中之重,汽车轻量化也越来越重要。图 3 是 2010~2015 年的轿车和 SUV质量密度年度变化统计图,是根据《全球名车录》[4]的附录数据统计计算后得出的。图 3 中的延伸含义解释如下:轿车的年平均质量密度下降为 0.336 3 kg/m3,2015 年中国上市的 A 级轿车的平均体积是 11.92 m3(长×宽×高),按此计算,A 级车的年度降重平均为0.336 3×11.92=4 kg/年。如果汽车换代时间间隔为 6年,那么 4×6=24 kg,也就是说,平均每一代 A 级车降重 24 kg。SUV 车型大、油耗高、降重的压力大,年度平均降幅为 0.929 kg/m3,A 级 SUV 的平均体积14.2 m3, 计算平均年降 13.19 kg , 平均代降 79 kg。虽然以上是燃油车的平均效果,但对电动汽车有参考价值,或者说电动车也应有大致相当的降重(轻量化)潜力。


图 3 产品质量密度年度变化
3 汽车研发过程的目标达成3.1 外形设计及空气阻力的优化
汽车的空气阻力主要有两大可控因素,即空气阻力系数Cd 和迎风面积 A,一般将两个因素放在一起,因为空气阻力与CdA 成正比。也就是说既要努力降低空气阻力系数 Cd,也要控制车宽和车高,即迎风面积 A。图 4 是空气阻力的 CdA 图,图中的散点是目前部分乘用车车型的 CdA 值,当前最好的点(水平)是在 0.5~0.7 之间。
汽车空气阻力性能的控制贯穿在汽车研发的整个过程中, 从前期的草图、效果图、1:4 油泥模型、1:1 油泥模型、1:1 数据模型、CFD 分析及优化,再到 1:1 实体模型的优化,在近 4 年的开发与优化的过程中,需在产品数据冻结前,造型的美感和性能(空气阻力、迎风面积、升力等多个性能指标)接近或达到前期的设定目标。

图 4 乘用车的 CdA 图(空气阻力系数和迎风面积)
图 5 展示了奥迪Q5 空气阻力系数优化过程[5], 在整个 4 年的研发过程中,在各个阶段或节点,计算模拟及优化或测定的空气阻力系数 Cd 的变化与达成的情况,从早期数模的 0.36, 到最终产品的 0.3,体现了研发过程中的不断努力,这也是当前 SUV 车型 Cd 的最低值之一。

图 5 空气阻力系数的优化(Audi)[5]
3.2 研发过程中的质量(重量)控制
汽车的轻量化是汽车研发的重要组成部分,汽车质量几乎影响汽车的所有性能,不论是动力性、经济性、制动性、操纵稳定性、车辆的质量及质心位置都是重要的影响因素。材料及性能的提升、结构及性能优化、工艺过程(组织)的精良控制,还有整车部件的成本目标达成,都扎根在精心研发过程之中,正确的材料用在正确的位置,严格控制产品各个部件的设计质量,使之逐渐降低向好,最终取得一个材料、技术、性能和成本的综合平衡。图 6 是简化的车身开发质量控制流程[3],例举了一款轿车车身开发过程中的质量变迁,体现在全方位的轻量化设计,包括材料、产品概念、制造过程及车身几何结构优化的轻量化设计。通过不同的结构方案比较,不断的过程优化与评估,实现车身质量的总趋势下降和最终的达标。


图 6 车身开发的质量控制流程[3]
以 2013 年的奔驰 S 级换代车身开发为例,图 7,一边是增重(左):新车为满足客户的尺寸和布置要求,及碰撞安全、NVH 等性能提高的需要,使白车身增重了 43.5 kg[3]。另一边是降重(右):采取轻量化措施确保车身质量不变或更轻,通过铝结构等来平衡质量的增加,对白车身采取多项轻量化措施后,实现降重达到了 50.5 kg,最终获得白车身总体降重 7 kg 的成果[3]。


图 7 奔驰S 车身的轻量化开发[3]
4 影响因素的计算仿真
4.1 计算分析的前提
以三厢轿车为例进行NEDC工况下续驶里程的模拟计算,选择 A 和 C 两个级别,其主参数基于同级别的统计平均值,包括车型的尺寸、整备质量、电池能量等参数,如表 1 所示。在研究单一参数对续驶里程的影响时,其他参数按表 1 中的数值不变。本文中续驶里程仿真选择的能量回收模式为全解耦式的串联系统,且电机独立制动能力可满足 NEDC 工况的制动需求。
表 1 续驶里程仿真分析车型参数

4.2 空气阻力系数对续驶里程的影响
以表 1 的两个车型参数为基础,通过更改车型的空气阻力系数 Cd,仿真研究空气阻力系数 Cd 的变化对续驶里程的影响。空气阻力系数 Cd 从 0.37~0.23,共选择了 8 个数值,进行续驶里程的模拟计算,将续驶里程的计算结果为纵坐标,空气阻力系数为横坐标,并将散点连成线、拟合成公式,见图 8。
当有能量回收时:
A 级车:SnA = -458.81Cd +505.1 (6)
C 级车:SnC = -470.95Cd +564.5 (7)
当无能量回收时:
A 级车: SnA = -264.52Cd +370 (8)
C 级车:SnC = -264.76Cd+ 408 (9)
其结论是:空气阻力系数每降低 0.01,如果有能量回收系统,A 级车的续驶里程可增加 4.59 km,C 级车可增加 4.71 km;如果没有能量回收系统,A 级和C 级电动汽车续驶里程可增加 2.65 km。由此可见,能量回收系统放大了空气阻力系数对续驶里程的影响程度。


图 8 续驶里程与空气阻力系数的关系
4.3 整备质量对续驶里程的影响
在固定电池能量的情况下,定性地说,显然是整车的质量越小(轻量化),电动车的续驶里程越长,但从定量上说具体是多少,是本研究的目的,以表 1 为基础,分别以增减质量为 20 kg 的步长,每个车型分有无能量回收的两种情况,总共进行 44 次的计算,得到 44 个里程点,拟合成 4 条直线。得到续驶里程与整备质量的变化关系,如图 9。
有能量回收时:
A 级车:SnA = -0.123M+370.0 (10)
C 级车:SnC = -0.130 4M+422.5 (11)
无能量回收时:
SnA = -0.12M+ 290.6 (12)
SnC = -0.115 2M+ 327.7 (13)
由此得出结论是:对于电动轿车,当有能量回收时,每降 100 kg 的质量,A 级车的续驶里程增加 12.3 km,C 级车的续驶里程增加 13.0 km;当无能量回收时,每降 100 kg 的重量,A 级车的续驶里程增加 12.0 km,C 级车的续驶里程增加 11.5 km。与空气阻力系数对续驶里程的影响不同,整备质量变化对续驶里程的影响程度与是否有能量回收关系不大。但值得注意的是有无能量回收,对基础的续驶里程的影响是相当大的,同样是表 1 的条件,A 级车基础续驶里程 369.6 km(有能量回收), 290.7 km(无能量回收);C 级车基础续驶里程 423.0 km(有能量回收), 327.8 km(无能量回收)。


图 9 续驶里程与轻量化的关系
假设整备质量不变,把降重的质量换算成电池的质量,按电池的能量密度 138 W·h/kg 计,降 10 kg 的质量相当于增加 1.38 kW·h 的电能,其效果如图 10。
当有能量回收时:
SnA = 1.250 1M△2 + 369.6 (14)
SnC = 0.930 5M△2+ 423 (15)
当无能量回收时:
SnA = 0.983 3M△2+ 290.7 (16)
SnC = 0.721 1M△2 + 327.8 (17)
结论是:当有能量回收时,动力电池以外的部件如降 10 kg 的质量,并将质量分给动力电池,保持整车的整备质量不变,A 级车的续驶里程增加 12.5 km,C 级车的续驶里程增加 9.3 km;当无能量回收时,A级车的续驶里程增加 9.8 km,C 级车的续驶里程增加7.2 km,这是非常可观效果。当然这只是个理想的状态,电池组由多个单体集成,不是理想连续增加的。

图 10 续驶里程与降重换电池的关系
4.4 滚动阻力对续驶里程的影响
轮胎的滚动阻力具有两面性,一方面从动力性上说,需要滚动阻力小,但滚阻小对操纵稳定性不利。用不同的滚动阻力系数 fr =(0.65~1)%,各取 8 个点,计算模拟两个车型的 4 种工况,得到图 11,表达了续驶里程与滚动阻力的关系,有 4 个数学表达式:
当有能量回收时:
A 级车 SnA= -158.16fr + 497.56 (18)
C 级车 SnC= -192.24fr + 577.52 (19)
当无能量回收时:
A 级车 SnA = -85.35fr + 358.86 (20)
C 级车 SnC = -98.88fr + 407.01 (21)
总结论是:当有能量回收时,每降 0.1%的滚动阻力系数,A 级车的续驶里程增加 15.8 km,C 级车的续驶里程增加 19.2 km;当无能量回收时,A 级车的续驶里程增加 8.5 km,C 级车的续驶里程增加 9.9 km。滚动阻力的变化对续驶里程的影响,大型车比小型车更敏感。


图 11 续驶里程与滚动阻力的关系
4.5 车速对续驶里程的影响
电动汽车与燃油车不同,燃油车在高速时,发动机的效率高、油耗低,整车的续驶里程会长。但电动车则不同,电池的能量是一定的,车的速度越高,用于平衡空气阻力消耗的能量呈指数级的增长,但电机驱动系统的效率无较大变化。因此,电动汽车,低速行驶时的续驶里程比高速行驶时更长。但当车速低于30 km/h 时,由于驱动系统效率的降低和低压系统能耗的增加,车辆的续驶里程也会有所降低。图 12 是模拟 A 级轿车、不同速度下均速行驶时能够达到的续驶里程。如在(40~80)km/h 范围内,将其续驶里程线性化,则线性表达式为:
Sy = -6.16Ua + 867.4 (22)
即在中速段,车速每降低 10 km/h,其续驶里程理论上可增加 61.6 km。为此,驾驶电动汽车时,应根据车上显示的电量,科学驾驶,当低速行驶时,可达更远的距离。



图 12 不同车速下的续驶里程
5 结束语
以标准的 A 级和 C 级电动轿车为例,通过仿真分析,得出各因素对电动轿车续驶里程的影响,统一表达于表 2 中,以便在产品开发策划中参考。
表 2 各因素对续驶里程的影响


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