电动汽车的能耗效率分析及提高能耗经济性的研究

1、收稿日期:20110105作者简介:许挺(1981,男,浙江杭州人,硕士研究生,主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。电动汽车的能耗效率分析及提高能耗经济性的研究许挺,张磊,梁一桥(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027摘要:通过对比电动汽车和内燃机汽油车的热效率及能耗,得出电动汽车的热效率及能耗明显优于内燃机汽油车的结论,并推断出降低电动汽车的运行能耗、提高其经济性是推动电动汽车产业化的关键因素之一。从整车动力系统、电池以及充电设备等几个方面分析了提高电动汽车能耗经济的途径,指出了今后需要重点研究的关键性问题。关键词:电动汽车;内燃机汽油车;热效率;能耗经济性中图分类号:TK01

2、文献标识码:A文章编号:10043950(201102000105Analysis on energy consumption efficiency of electric vehicle and thesolutions to improve the energy consumption economyXU Ting ,ZHANG Lei ,LIANG Yi-qiao(School of Electric Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China Abstract :It is concluded that the eff

3、iciency and energy consumption of the electric vehicle is much better than the tra-ditional ICE vehicle by comparingAnd it is one of the key factors to reduce the energy expenditure and improve the e-conomical performance of EV for the total EV industryThe keynotes needed to be researched in the fut

4、ure is pointed out by analyzing the solutions to enhance the economical performance of EV from several aspects such as power train system ,battery and charging infrastructureKey words :electric vehicle ;ICE vehicle ;heat efficiency ;energy consumption economy0引言随着社会的进步和汽车工业的发展,汽车作为一种现代化的交通工具正在改变着人类的

5、生产和生活方式。然而,汽车在给人们生活带来便利的同时,也会加剧环境污染和能源危机等负面影响。另一方面,面对严峻的环境形势,如何可持续利用能源己成为社会经济发展的新挑战,为此,中国政府在哥本哈根会议上率先作出承诺:到2020年,我国单位国内生产总值二氧化碳排放,比2005年下降40% 45%1。在这样的时代背景下,国家相继出台一系列新能源汽车的补贴政策,新能源汽车的发展规划也将于近期推出。因此,以电动汽车为代表的新能源汽车获得人们的广泛关注,赢得前所未有的发展契机。电动汽车利用清洁能源,不但节能环保,而且车辆性能中,转矩响应更迅速,相比燃油汽车加速性能提高2个数量级2。另外,电动汽车的驱动电机可

6、分散配置,通过线传电子控制技术直接控制车轮转速,容易实现四轮独立驱动和四轮转向3。再生制动和能量回馈的独特优点也可提高电动汽车制动的安全性和可靠性。电动汽车一般采用白天行驶、夜间充电的运行模式,因此,有利于电网的峰谷平衡,改善电网的负荷特性,减轻电网的调峰压力。同时电动汽车的大规模商业应用将会给电力企业带来新增电力消费市场,可以在很大程度上提高电力企业的经济效益4。本文中,首先通过资料分析和数据计算,对比电动汽车和燃油汽车的热效率及能耗;然后从整体动力系统、电池及充电设备等方面分析提高电动汽车能耗经济性的途径,并指出进一步提高能耗经济性的关键问题及可发展的空间。1电动汽车与燃油汽车的热效率及能

7、耗对比11电动汽车与普通汽油车的效率对比111电动汽车效率估算(1发电效率由于我国能源构成以煤炭为主,目前火力发电量占比80%以上,因此以火力发电作为发电效率计算的主要依据。根据财政部节能量审核培训教材资料显示,用于电力等价值计算的火电发电标准煤耗,我国2006年为0367kg/(kWh,2007年为0357kg/(kWh,2008年为0349kg/(kWh。另依据国家标准GB258981规定,每千克标准煤的热值为29271kJ。依据2008年6月1日正式实施的最新国家标准GB/T25892008综合能耗计算通则,电力当量值为3600kJ/ (kWh。以2008年最新数据0349kg/(kWh

8、为例,根据火力发电标准煤耗可推算出我国火力发电行业的平均发电热效率:13600034929271100%=3524%因此,可将火力发电的平均效率取为35%。(2电网输配电线损率根据2009中国工业化蓝皮书,2007年全国电网输配电线损率为697%。计算热效率时,取线损率为7%。(3动力电池充放电效率文献5中,以141 143V电压值对12V/80Ah镍氢动力电池系统进行恒压充电,其充放电效率为95%左右。动力锂离子电池充放电电能转换效率可大于97%,铅酸蓄电池充放电电能量转换效率约为80%6。由于目前动力电池以铅酸蓄电池的生产技术最为成熟,故以充放电效率80%用于计算热效率。(4电动汽车用电动

9、机效率目前,电动汽车使用的几种典型电动机是他励直流电动机、三相感应式电动机、永磁式同步电动机、开关式磁阻电动机和同步磁阻式电动机。感应电动机是当前电动汽车推进系统中的一种应用较为广泛的电动机。根据经验数据,感应电动机的效率一般为75% 90%。综上可计算电动汽车综合热效率:以电机效率75%计算35%(17%80%75%=1953%以电机效率90%计算35%(17%80%90%=2344%因此,电动汽车综合热效率为19% 23%。如果采用充放电效率及安全性更高的镍氢电池或者磷酸铁锂电池,则电动汽车综合效率将提升4%以上。112汽油车效率评估普通汽油车的内燃机效率为30% 40%。但是汽车在拥堵路

10、状下频繁启停、低速行驶等状态下都会造成内燃机空转或处在低效率区,因此由发动机经驱动系统到车轮的综合效率实际值在11%左右7。由此可见,电动汽车热效率明显高于普通汽油车。12电动汽车与普通汽油车的每100km能耗对比121电动汽车能耗为便于比较电动汽车和普通汽油车的能耗,首先根据电力当量值将电动汽车的100km耗电量折算为等效标准煤消耗量。目前国内推出电动汽车的厂商主要有比亚迪、奇瑞、郑飞、长城等,所推出车型的一次充电续驶里程普遍在100 200km,每100km耗电量8 16kWh。不计电动汽车电机效率(耗电量已经将电机损耗计算在内,则电动汽车效率为35%(17%80%=2604%取电力当量值

11、为3600kJ/(kWh、每千克标准煤的热值为29271kJ、每100km耗电量为15kWh,计算电动汽车的每100km等效标准煤消耗量为:15360026%29271=7095(kg122汽油车能耗同样,为便于比较,将汽油车的100km油耗折算为等效标准煤消耗量。根据工信部装备司公布的油耗数据,普通汽油车平均油耗为10L/100km左右(1L汽油质量为074kg依据2008年6月1日正式实施的最新国家标准GB/T25892008综合能耗计算通则,每千克汽油折合标准煤为14714kg。计算汽油车每100km等效标准煤消耗量为: 1007414714=1089(kg可见,电动汽车的每100km等

12、效标准煤消耗量低于普通汽油车。2提高电动汽车能耗经济性的途径尽管电动汽车的能耗和热效率指标均优于燃油汽车,但是由于电动汽车的能量存储密度目前达不到燃油水平,制约了电动汽车的发展和普及,因此,降低能量消耗率、提高能耗经济性水平成为电动汽车行业发展的关键。本文将通过论述电动汽车关键功率部件对能耗的影响、电动汽车电机控制方式对能耗的影响、动力电池特性和充电机性能对能耗经济性的影响,分析提高能耗经济性的途径。21电动汽车关键功率器件的选型对整车能耗的影响电动汽车动力系统主要由控制器(变频器驱动电动机,再由电动机通过变速箱、传动轴、驱动桥等机械传动部件带动轮毂进而驱动整车。因此,变频器和电动机是主要功率

13、部件,其效率的高低将对整车的能耗产生至关重要的影响。为了使电动汽车具有良好的动力性能,电动汽车专用驱动电机应具有调速范围宽、启动转矩大、功率密度高、体积质量轻巧、效率高并兼具制动能力强和能量回馈等特性89。目前,电动汽车用电动机主要有直流电动机(DCM、三相感应电动机(IM、永磁无刷电动机(PMBLM和开关磁阻电动机(SRM,表1综合比较了各种电机的性能1013。从表1可以看出,直流电机虽然结构简单,技术成熟,但是由于价格高、体积大、质量重且效率低,因此限制了它在电动汽车上的应用。三相感应电机调速技术比较成熟,结构简单、体积小、质量轻、成本低,因此,目前的电动汽车大多应用三相感应电机作为主驱动

14、电机。将来,在电动商用车以及电动公交车领域,由于整车需要的驱动功率较大,三相异步电机仍将占主导地位。表1电动汽车用电机性能比较DCM IM PMBLM SRM 功率密度差一般好一般转矩特性一般好好好调速范围小一般大最大效率低一般高一般可靠性差好一般好成本高低高较高电机尺寸大一般小小电机质量重一般轻轻控制性能好好好一般永磁无刷电动机可分为由方波驱动的无刷直流电动机(BLDCM和由正弦波驱动的永磁同步电动机(PMSM,它们最大的特点是具有较高的功率密度,而其控制方式类似于比较成熟的感应电动机。同时,还具有转速范围大,效率高、体积小质量轻等优势。因此,永磁无刷电动机非常适合电动汽车应用,尽管目前永磁

15、电机的价格较高,只适用于小功率的乘用车市场,但是,永磁电机的高功率密度和高效率特点是提高整车能耗经济性的重要途径之一。除此之外,目前越来越多的电动汽车采用性能更为先进的轮毂电机,用永磁无刷电机直接驱动车轮,避免传统燃油汽车变速箱、传动轴、驱动桥等复杂机械传动部件的能量损失,并且提升整车的动力性能。这也在一定程度上减少能耗损失,提高能耗经济性。作为驱动电动机的动力来源,电机控制器一直是电动汽车研究的重点。电机控制器一般采用三相逆变全桥结构,开关器件一般选用IGBT,直流侧支持电容可用电解电容或薄膜电容。控制器的能量损耗主要包括发生在IGBT的开关损耗和导通损耗两个方面。因此,IGBT的选择至关重

16、要。依据一般的原则,由直流母线电压选择电容和IGBT的耐压,再综合电机额定功率选择IGBT的电流定额。此外,为了让IGBT获得良好的工作性能,需要精心设计驱动电路,这对于减少IGBT的驱动损耗和开关损耗都非常关键。为减少直流母线上的能量损失,可以考虑使用较为先进的叠层母排技术,相比于传统的铜排技术,在减小电阻的同时还能显著减小母线的杂散电感,控制由杂散电感在IGBT集电极和射极之间引起的电压尖峰。另外,区别于传统的风冷散热技术,现代化的水冷散热技术可以更为有效地散热,并且能避免局部热点温度突然上升所带来的整体温度波动,起到更好的安全保护作用。电机控制器的控制策略主要有V/F控制、转差频率控制、

17、电压矢量控制、空间电压矢量控制和直接转矩控制等方式。后两种控制方式由于不受电机参数影响且易于数字化实现而被广泛研究,由于每周期的开关次数明显减少,能显著降低开关损耗,因此,这两种控制方式对提升整车的能耗经济性有一定的帮助。电动汽车的再生制动性能是传统内燃机汽车所无法比拟的,它的独特优点使之能够节约能源、提高续驶里程。同时,还可以减少刹车片的磨损,降低车辆故障率,提高整车安全性。另外,区别于传统内燃机汽车的怠速油耗,电动汽车在怠速时主驱动电机关闭,并不产生能耗。因此,采用再生制动技术和怠速无能耗特性将是电动汽车降低能耗,提高能耗经济性的重要途径,具有显著的经济价值和社会效益2。22电动汽车用动力

18、电池的性能对整车能耗的影响由于动力电池的能量存储密度达不到燃油汽车的水平,因此动力电池技术成为电动汽车能否发展普及并最终取代传统内燃机汽车的决定性因素。目前市场上比较常见的动力电池有铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池。仅从能量成本考虑,采用铅酸蓄电池具有一定的价格优势,但是由于铅酸蓄电池体积质量大,充电时间长,充放电效率低,因此并不适合有较高续驶里程要求的高端电动汽车,其应用限于场地电瓶车和电动自行车等低端场合。镍氢电池虽然相对寿命较长,但是由于采用贵金属,其成本居高不下。相比之下,锂离子电池技术以其独特的优势近年来得到较快的发展。锂离子电池的比能量大,循环寿命长,充放电效率高,工作温度范围宽,

19、比较适合电动汽车的动力需求和工作环境。近年来,由于磷酸铁锂离子电池技术的突破性进展,锂离子电池的安全性能大大提高。我国拥有丰富的锂资源,锂离子电池已经成为我国电动汽车动力电池的重要发展方向之一。影响动力电池能耗经济性的主要因素有工作环境温度、电池的一致均匀性等。试验证明,锂离子电池在冬季(10时可放出的能量仅为夏季(30的2/3,内阻却增加了1倍14。这将显著影响动力电池的整体工作性能。由于单个电池不能满足电动汽车动力需求,所以,一般采取将电池串联成组,然后再将成组电池并联的办法。然而,由于串联组电池的不均匀性,通常表现为不同组电池的电压和电阻参数差异,导致输出功率小于不同组电池电压与内阻均相

20、等时的输出功率,这是由于不同参数的电池组之间存在互相充放电而引起功率损耗。可见,确保电池组参数一致性对保证动力电池能耗经济性至关重要15。动力电池的研究开发关系到整个电动汽车产业的发展,除了需要在充放电性能、比能量、循环寿命、工作的安全性能等方面加大研发力度之外,如何解决单体电池的一致均衡性以及工作温度对容量的影响等应用问题,也是研究电动汽车能耗经济性所必须面对的难题。23充电站建设对电动汽车能耗经济性的影响从2007年开始,以国家电网公司为代表的国家重点能源企业为履行社会责任,落实科学发展观,实施国家新能源发展战略,开始积极实施电动汽车充电站的建设,为电动汽车的推广应用打下了良好的基础。随着

21、电动汽车的逐步推广和产业化,电动汽车对充电站的配套建设提出了更高的要求。主要体现在充电快速化、通用化、智能化、集成化和电能转换的高效化16。电动汽车的能耗指标与其运行能耗紧密相关。对于充电站而言,从电能转换效率和建造成本上考虑,要降低运行能耗,提高其经济性,应优先选择具有电能转换效率高、建造成本低等诸多优点的充电装置。目前,根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性,电动汽车的充电模式主要包括常规慢充和快速充电两种模式。快速充电通常以较大的电流在短时间(20min内为电动汽车充至电池标称储电量的80%。但快速充电的充电电流大,充电效率低,且设备成本较高。而常规慢充虽然时间较长,但充电电流低,效率高

22、,可提高循环寿命,且利用夜间低谷时段的富余电力可以对电网起到调峰作用。因此,在充电站构建电池组的快速更换系统,直接为电动汽车更换电池组成为一种折中的营销模式。采用这种用户租用、直接更换的模式,可提高电动车充电的方便性和快捷性,有利于提高车辆的使用效率。另外,更换下来的电池组可利用夜间低谷时段进行常规慢速充电,提高充电效率,并延长电池的循环寿命,客观地降低电动汽车整车的能源消耗。3结论本文通过电动汽车和燃油汽车的热效率和能耗对比分析,得出了电动汽车具有热效率高、综合能耗低的结论。同时,分别从整车动力系统、电池以及充电设备等几个方面分析了提高电动汽车能耗经济的途径,指出了今后需要重点研究的关键问题

23、和技术难点,强调能耗经济性是电动汽车今后能否推广普及的核心问题。参考文献:1华贲低碳发展时代的世界与中国能源格局J 中外能源,2010(2:192曹秉刚,张传伟,白志峰,等电动汽车技术进展和发展趋势J 西安交通大学学报,2004(1:153HORI YFuture vehicle driven by electricity and con-trol-research on four wheel motored J IEEE Ad-vanced Motion Control ,2002(7:1144陈玉进电动汽车充电设备特点及对电网影响探讨J 湖北电力,2009(6:48505陈晖,简旭宇,朱磊

24、,等MH /Ni 动力电池的恒压充电性能J 电池,2008(2:96986电动汽车发展与比较EB /OL http :/wwwo2evcom /zh-cn /news_04_04html7中科院电工所电动汽车技术研究发展中心数据EB /OL http :/1592266460/Website /indexphp ?ChannelID =1259NewsID =18748CHAN C CEngineering philosophy of electric vehiclesJ Electric Machines and Drives ,1999(5:2552579WYCZALEK F AHybrid electric vehicles :year 2000status J IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine ,2001,16(3:15251