Mechanical Engineering and Design March 2013, Volume 2, Issue 1, PP.1-7

Analysis of Energy Consumption and the Sensitivity based on Battery Electric Bus Lei Yuan School of Mechanical and Vehicular Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081, China #Email: ylei7035@163.com

Abstract The mathematical model for evaluation on the economy of energy consumption and parametric sensitivity of bus whose driving force is just electricity was established as well as the standard of economic consumption, based on the definition made on conventional assessment on the economic consumption of combustion motor. According to the actual driving demand of electric bus, the paper analyzed the energy consumption under the accelerating/coasting mode, and verified the feasibility of the model by comparing the test results of simulation and real vehicle. Finally, the paper simulated the vehicle energy consumption trends under condition of acceleration, and then analyzed the parametric sensitivity of the economy of energy consumption. The results of this paper provide the scientific basis for optimization of power system and improvement on the fuel economy of battery electric bus. Keywords: Battery Electric Bus; Combined Slip; Energy Consumption; Sensitivity

2012 年颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》文件中指出当前新能源汽车要以纯电 驱动为汽车工业转型的主要战略取向，重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化。纯电动汽车仅 由动力电池提供动力源，其能耗评价与传统汽车有很大差别，目前用于评价纯电动汽车能耗经济性的指标 包括续驶里程、单位里程容量消耗、单位里程能量消耗、单位容量消耗行驶里程和单位能量消耗行驶里程 [1-2]

。参照传统内燃机汽车关于燃油经济性的定义，本文选取单位里程能耗作为其主要能耗指标。

1 能耗经济性评价指标 影响纯电动汽车能耗经济性的参数很多，系统参数对纯电动汽车的能耗影响程度即参数灵敏度是不一 样的，引入灵敏度分析进行关键参数设计的选择，可以明确参数对整车能耗经济性的影响，并在新车设计 [3]

2 能耗经济性评价指标计算模型及参数灵敏度 根据单位里程能量消耗的定义，在不考虑电动汽车行驶中电器附件（灯光、转向助力等）的能量消耗 的情况下。纯电动汽车能耗经济性计算公式如下：

 E=

t0

0

Pe ( G, a, u (t ) ) dt S

(1)

(2)

δ 为汽车旋转质量换算系数；m 为汽车质量；

du 即汽车加速度 a。 dt

2.1 等速工况下能量消耗 车辆等速行驶时，u=const，

du = 0 ，即电动汽车加速阻力为零。车辆行驶功率需求为： dt 1  Gfu Giu CD Au 3  + + Pe =   ηt  3600 3600 76140 

(3)

(4)

t 为纯电动汽车等速工况行驶时间，S 为等速行驶里程。

2.2 加速工况下能量消耗 车辆在加速工况下，令其加速度为 a，车辆行驶功率需求完全符合式(2)，将其代入式(1)即可得纯电动 汽车在加速工况下单位里程能耗。 1 t  Gfu (t ) Giu (t ) CD Au (t )3 δ mu (t ) du  + + + Ej =  dt 3600 76140 3600 dt  ηt S 0  3600

(5)

2.3 减速工况与驻车工况下能量消耗 在减速行驶时，根据有无再生制动，纯电动汽车的行驶工况可以分为滑行减速和再生制动减速，滑行 减速时，电机处于关断状态，动力传递路径中断，动力电池不输出能量，即单位里程能耗 E=0。当纯电动汽 车处于再生制动减速工况时，其驱动电机处于发电状态，即动力电池处于充电蓄能状态，车辆能量消耗为 零，此时依然有单位里程能耗 E=0。 2 www.ivypub.org/med

2.4 参数灵敏度 从上述数学模型分析易知，电动汽车能耗经济性受到车身、车速、使用工况、轮胎滚动阻力系数等因 素的影响，下面引入参数灵敏度的概念以方便后续分析。 [6]

m，轮胎滚动阻力系数 f ，传动系统机械效率 ηt ，风阻系数与迎风面积之积 CDA 对车辆单位里程能耗影响 最直接。引入式(6)-(7)分别作为纯电动汽车能耗经济性对所述四个参数的灵敏度定义式。 ∂E m ∂E f S mE = • S Ef = (6) • ∂m E ∂f E C A ∂E ∂E ηt SCED A = • D (8) SηEt = • ∂ηt E ∂CD A E

(7) (9)

3 联合工况下能耗及灵敏度计算与分析实例 通过以上分析可知，纯电动汽车能量主要消耗在等速行驶工况和加速工况，减速和驻车工况不消耗能 量。对于公交车而言，由于其作为公共交通工具的功能特殊性，且公交车站间距离一般小于 1km，车辆大 多数时间处于频繁减速滑行进站停车与出站加速行驶的工况循环中，定义该工况循环为纯电动公交汽车的 加速—滑行联合工况，本文进行的纯电动公交车能耗经济性及参数灵敏度分析即在此工况下进行。

3.1 加速—滑行联合工况计算模型 u

t

S=

(u0 + Du )2 − u0 2 (u0 + Du )2 − u0 2 + 2a 2d

(10)

Du a

(11)

ts =

u (t ) = u0 + at 式中，ts 为加速时间；Du 为速度间隔； a 为平均加速度；d 为滑行减速度。 3 www.ivypub.org/med

(12)

(13)

(14)

mg Ψ + δ ma C A GΨ + δ ma + D Δ 42.3 Gf S Ef = C A G Ψ + δ ma + D Δ 42.3

SmE =

(15)

(16)

SηEt = −1 SCED A

(17)

CD A Δ 42.3 = C A G Ψ + δ ma + D Δ 42.3

(18)

S mE + SCED A = 1

(19)

3.2 实例计算与分析 上述纯电动公交车联合工况建模完成以后，下面以北京市公交系统为例，以某型号纯电动公交车为试 验车进行能耗实例计算，并与仿真结果进行对比分析。 北京市城市工况下，公交车实测平均加速度为 0.43m/s2，滑行平均加速度为-0.09m/s2[7]。以某纯电动 公交车为例，进行联合工况下的能耗仿真计算，并将其与试验结果进行比较分析。此纯电动汽车基本参数 如下。 表 1 某纯电动公交车能耗计算相关参数 整备质量

/kg

/人

/V

/m2

8000

25+1

120

396

6.38

0.7

0.015

84%

4 www.ivypub.org/med

-1

-1

/(km·h )

/(km·h )

5 10 20 30

20 20 20 20

0.404 0.406 0.412 0.421

0.453 0.461 0.479 0.503

/(km·h-1)

/(km·h-1)

5 10 20 30

20 20 20 20

a=0.33 /(m/s2)

a=0.43 /(m/s2)

a=0.53 /(m/s2)

d =0.07 /(m/s )

/(m/s )

/(m/s2)

0.424 0.427 0.434 0.445

0.404 0.406 0.411 0.421

0.390 0.392 0.397 0.404

0.327 0.328 0.311 0.318

0.404 0.406

0.475 0.478 0.485 0.495

2

d =0.09 2

0.333 0.340

d =0.1

5 www.ivypub.org/med

4 结论 1) 建立了纯电动汽车能耗经济性数学模型，根据汽车行驶理论模型建立了加速、减速、匀速、怠速 4 种汽车基本行驶工况下的纯电动汽车单位里程能耗计算数学模型。推导了纯电动汽车能耗经济性参数灵敏 度计算方法。

2)以基本工况模型为基础，建立了电动汽车加速-滑行联合工况单位里程能耗计算数学模型，并以实际 车型参数为基础，进行了仿真计算和试验验证。分析得到了总质量、加速度、加速段起止速度平方和是此 工况下能耗的主要影响因素的结论。着重分析了加减速度变化对能耗经济性的影响。得到了适当“快出 站，缓进站”的节能驾驶模型。

3)分析了纯电动公交车能耗经济性的参数灵敏度，通过实例计算与分析，得出了纯电动汽车的不同参数 对能耗经济性的影响程度，其结果可为纯电动汽车动力系统的参数设计与优化、改善纯电动汽车能耗经济 性提供科学依据。

S

S

SηEt

SηEt

S mE

SmE

S Ef

S Ef

SCED A

SCED A f 变化量

m变化量 (a)

S

m 独立变化时灵敏度曲线

(b)

S

SηEt

f

SηEt

SmE

SmE

S Ef

S Ef SCEDA

SCEDA ηt 变化量 (c)

ηt 独立变化时灵敏度曲线

CD A变化量 (d)

CD A 独立变化时灵敏度曲线

REFERENCE [1]

Chan C C， Chau K T . Mordern Electric Vehicle Technology [M] . England: Oxford University Press, 2001:1- 25

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GB 18386-2005. Electric vehicles-Energy consumption and range-Test procedures [S]. Beijing: China Standards Press, 2005.

6 www.ivypub.org/med

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Chen Yong. Study on Evaluation Methods of Pure Electric Vehicles [J]. Journal of Beijing Information Science and Technology University, 2012.01.

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Wang zhenpo, Zhen Zijian. Study on the Evaluation of Energy Consumption Economy for Electric Vehicle [J]. Chinese High technology Letters, 2007, (2):171-174.

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[8]

Yu Zhisheng. Auto Theory[M].the 5th edition. Beijing: China Machine Press.2011.

【作者简介】 袁磊（1989-），男，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电动汽车系统匹配与经济性研究。 E-mail:ylei7035@163.com

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