第2章 汽车的经济性2-6

2.2纯电动汽车的经济性

1.纯电动汽车的经济性评价指标

能量消耗率是指电动汽车从电网上得到的电能除以续驶里程所得的值即为能量消耗率，单位为W•h/km，W•h是电能的单位，能量消耗率为:（2-23）

续驶里程是指电动汽车在动力蓄电池完全充电状态下，以一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离称为续驶里程，单位为km。电动汽车的续驶里程分为循等速工况和环工况续驶里程。纯电动汽车2.2纯电动汽车的经济性

2.纯电动汽车的电驱动系统的效率（1）动力电池系统的效率

车用动力蓄电池是一种既能从外部接受能量（充电），又能向外释放能量（放电）的电化学装置。电池的效率可定义为电池放电时输出的电量与充电时输入电池的电量之比，用表示。

充电时，向电池输入能量，电池的内阻产生能量损失；放电时，电池输出能量，电池的内阻同样产生能量损失。

电池的效率中，包含了电池从充电到放电过程的能量损失。电池的效率是电池的总效率，等于充电效率和放电效率的积。（2-24）纯电动汽车充电2.2纯电动汽车的经济性动力电池的效率受到电池类型、电池荷电状态和外界温度的影响，不是常量。电动汽车常用的动力蓄电池包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等，不同类型的电池，效率不同。镍氢电池的、放电效率与电池荷电状态的关系曲线如图2-10所示，动力电池的充、放电效率是随电池荷电状态SOC变化，不是常量，这使充电效率和放电效率的乘积不是常量,进一步使动力电池的效率为非常量。图2-10镍氢电池的充、放电效率与电池荷电状态的关系曲线电动汽车的电池2.2纯电动汽车的经济性在动力电池实际充、放电过程中，电池的电动势、内阻和端电压受电池荷电状态(SOC)、外界温度的影响较大

不同荷电状态和外界温度，电池的效率不同。电池温度低时，如在冬天的莫河地区，电池的效率低；电池温度高时，如在新疆的火焰山地区，电池的效率也低；因此，为提高电池的效率，需要对电池温控，并在合适的荷电状态下使用电池。图2-8镍氢电池的充、放电效率与电池荷电状态的关系曲线纯电动汽车充电2.2纯电动汽车的经济性（2）驱动电机系统和发电系统的效率

1）驱动电机系统的效率

驱动电机系统的效率为电机输出功率与输入功率的比值。驱动电机系统由电机控制器和电机串联而成，则驱动电机系统的效率等于电机控制器的效率和电机的效率乘积，即：（2-25）驱动电机及控制器驱动电机系统2.2纯电动汽车的经济性

电机控制器的效率为电机控制器的输出功率与输入功率的比值。电机控制器的输出功率等于电机控制器的输出端的电压与电流的乘积，电机控制器的输入功率等于电机控制器的输入端的电压与电流的乘积。电机的效率为电机的输出功率与输入功率的比值。电机的输出功率等于电机输出轴的扭矩与角速度的乘积；电机的输入功率等于电机的输入端的电压与电流的乘积，电机控制器和电机串联，不考虑导线的功率损失，则电机的输入功率也等于电机控制器的输出端的电压与电流的乘积。驱动电机及控制器驱动电机系统2.2纯电动汽车的经济性

2）发电系统的效率当电动汽车减速时，可回收一部分制动能量，此时，电机处于发电状态，能量从电机的输出轴输入电机，再从电机控制器的输入端输出到电池，驱动电机系统变为发电系统。

发电系统的效率为电机控制器输入端的功率与电机输出轴的功率的比值，等于发电状态下电机控制器的效率和电机的效率乘积，即：（2-26）发电机2.2纯电动汽车的经济性

3）驱动电机系统和发电系统的效率分析根据驱动电机系统的效率式（2-25）和发电系统的效率定义式（2-26），要提高驱动电机系统的效率和发电系统的效率，需提高电机控制器和电机的效率。驱动电机及控制器发电机2.2纯电动汽车的经济性驱动电机系统的效率和发电系统的效率随电机的转速和转矩变化。电机效率图中存在效率较高的区域，如效率0.899线附近的区域，与电机的转速和转矩有关。

在电动汽车行驶过程中，要尽量保证驱动电机经常运行在高效率区域，以充分发挥电机的性能，进一步提高整车系统效率，延长续驶里程，提高其经济性。图2-11驱动电机系统的效率特性发电机驱动电机及控制器2.2纯电动汽车的经济性（3）电驱动系统的效率纯电动汽车的电驱动系统主要包括动力蓄电池系统和驱动电机系统两个部分，其效率也分为两个部分效率的乘积，即电驱动系统的效率：（2-27）纯电动汽车2.2纯电动汽车的经济性

3.纯电动汽车经济性的计算（1）辅助系统消耗的能量

汽车行驶时，辅助系统要消耗能量，如仪表和中控屏等信息系统、整车控制器、电动助力转向系统、电动助力制动系统、灯光照明、收音机、喇叭、刮水器、除霜、空调要消耗能量；智能汽车的转向电动机、制动电动机、油门控制电机要消耗能量。汽车行驶时辅助系统消耗的能量计为。纯电动汽车2.2纯电动汽车的经济性（2）等速行驶工况的能量消耗率和续驶里程的计算在另计纯电动汽车辅助系统能耗的条件下，汽车驱动系统的能量主要用于克服车辆行驶过程中受到的滚动阻力和空力阻力。根据式(1-53)，当汽车等速行驶时，电机需提供的功率（kW）应为：（2-28）

根据效率的定义，考虑电驱动系统的效率和式（2-27），当汽车等速行驶时，电网向电池输入的功率（kW）应为：（2-29）纯电动汽车2.2纯电动汽车的经济性

汽车在等速行驶时间t（s）内，消耗从电网上得到的电能（W•h）：（2-30）

根据式（2-3），考虑，在等速行驶工况下，纯电动汽车等速行驶的续驶里程(km)为：（2-31）纯电动汽车2.2纯电动汽车的经济性

将式（2-30）和式（2-31）代入式（2-25），得等速行驶工况下纯电动汽车的能量消耗率(W•h/km)为：（2-32）根据汽车的行驶平衡方程式(1-31)和式(1-32)，汽车在水平路面上等速行驶的驱动力，则由式（2-32）得另一种形式的等速行驶工况下纯电动汽车的能量消耗率(W•h/km)为：（2-33）2.2纯电动汽车的经济性

如果不计的变化或取的平均值为，则可从积分号中提出，并取为。由式（2-32）和式（2-33），得的平均值为时等速行驶工况下纯电动汽车的能量消耗率(W•h/km)

：（2-34）由式（2-29）得纯电动汽车等速行驶的续驶里程为（2-35）2.2纯电动汽车的经济性

根据动力电池的电量平衡，，得，代入式（2-35），并考虑，再得纯电动汽车等速行驶的续驶里程为（2-36）

式（2-35）、式（2-36）分别用于已知从电网上得到的电能和动力电池组充满电时的能量的纯电动汽车等速行驶的续驶里程的计算。式（2-35）、式（2-36）中不包括辅助系统的能耗。2.2纯电动汽车的经济性例2-2在例1-3的基础上，不计纯电动汽车辅助系统的能耗，计算汽车以60km/h匀速行驶的续驶里程。(1)动力电池组未充满电，从电网上得到的电能=40000W•h，动力电池的平均效率=0.95。

（2）动力电池组充满电，动力电池组的总能量为=45000W•h，动力电池的平均放电

，动力电池组的放电深度DOD=0.78；另求动力电池的充电效率时动力电池组从电网上得到的电能2.2纯电动汽车的经济性解：

(1)动力电池组未充满电，在不计纯电动汽车辅助系统的能耗的条件下，根据式（2-30）和表1-7，得汽车以60km/h匀速行驶的续驶里程(km)为2.2纯电动汽车的经济性

(2)动力电池组充满电，在不计纯电动汽车辅助系统的能耗的条件下，根据式（2-35）和表1-7，得汽车以60km/h匀速行驶的续驶里程(km)为动力电池的充电效率时动力电池组从电网上得到的电能2.2纯电动汽车的经济性（3）等加速行驶工况的能量消耗率和续驶里程的计算在另计纯电动汽车辅助系统能耗的条件下，当汽车加速行驶时，驱动电机除了克服滚动阻力和空气阻力之外，还要提供为克服加速阻力所消耗的功率。根据式(1-53)，当汽车等加速行驶时，电机需提供的功率（kW）应为：（2-37）

根据效率的定义和考虑电驱动系统的效率，当汽车等加速行驶时，电网向电池输入的功率（kW）应为：（2-38）2.2纯电动汽车的经济性

汽车加速终了时的行驶速度（km/h），汽车加速开始时的行驶速度（km/h），则加速时间（s）为：（2-39）汽车在等加速行驶时间（s）内，消耗从电网上得到的电能（W•h）：（2-40）2.2纯电动汽车的经济性根据式（2-10），考虑，得纯电动汽车等加速行驶的续驶里程(km)为：（2-41）2.2纯电动汽车的经济性（4）等减速行驶工况的能量消耗率和续驶里程的计算在另计纯电动汽车辅助系统能耗的条件下，当汽车减速行驶时，一部分制动能量（在传统汽车中是损耗掉的）可通过电机工作于发电状态予以回收，并存储于动力电池面得到重复利用，电机制动回收功率(kW)为：（2-42）根据效率的定义和考虑式（2-26）中的发电系统的效率，当汽车等减速行驶时，电机向电池输入的功率（kW）应为：（2-43）2.2纯电动汽车的经济性汽车减速起始及减速终了的车速（km/h）分别为、，则减速时间(s)为（2-44）汽车在等减速行驶时间（s）内，电驱动系统回收的电能（W•h）（2-45）通过数值积分，可获得式（2-45）的计算结果。2.2纯电动汽车的经济性

（5）停车时的能量消耗和续驶里程电动汽车停车时，驱动系统的能量消耗量为零，续驶里程为零。根据式（2-12），考虑，得纯电动汽车等减速行驶的续驶里程(km)为（2-46）2.2纯电动汽车的经济性（6）整个循环工况下的能量消耗率根据式（2-30）、式（2-40）和式（2-45），对于由等速、等加速、等减速、停车等行驶工况组成的循环工况，其整个循环工况消耗从电网上得到的电能（W•h）为：（2-47）根据式（2-31）、式（2-41）和式（2-46），在动力蓄电池完全充电的状态下，纯电动汽车整个循环工况的续驶里程(km)为：（2-48）2.2纯电动汽车的经济性

根据能量消耗率的定义，又根据式（2-23）、式（2-47）和式（2-48），纯电动汽车整个循环工况的能量消耗率(W•h/km)为：（2-49）2.2纯电动汽车的经济性

4.影响纯电动汽车经济性的主要因素

根据式（2-34），纯电动汽车的滚动阻力、空气阻力越大，电池的效率、电机控制器的效率、电机的效率和传动系统的效率越小，能量消耗率越大，纯电动汽车经济性越差。根据式（2-48），电驱动系统回收的电能越大，整个循环工况的能量消耗率越小，能量消耗率越小，纯电动汽车经济性越好，要加强能量回收。纯电动汽车2.2纯电动汽车的经济性

电池的比能量影响纯电动汽车的续驶里程。纯电动汽车携带电池的总量一定时，电池的比能量大，续驶里程长。

对于纯电动智能汽车，驱动转向和制动等的电机、智能控制的ECU要消耗电能，降低了纯电动智能汽车的经济性；纯电动智能汽车可不需要驾驶员系统（包括驾驶员、驾驶室和驾驶座椅等），降低了汽车的质量，货车上可降低迎风阻力，提高了纯电动智能汽车的经济性。纯电动智能汽车2.3增程式电动汽车的经济性

1.增程式电动汽车的经济性评价指标增程式电动汽车的经济性可用百公里油耗量评价。

增程式电动汽车的总续驶里程，可以分为两段，一段是纯电动续驶里程，汽车行驶的能量来自动力电池；另一段是增程续驶里程，汽车行驶的能量来自发动机；可分别计算这两段续驶里程的燃油消耗量，再计算其百公里油耗量。增程式电动汽车2.3增程式电动汽车的经济性

2.纯电动续驶里程的等效燃油消耗量的计算

按2.3节中的第3节的方法计算纯电动续驶里程阶段整个循环工况消耗从电网上得到的电能（W•h），，见式（2-47）。

纯电动续驶里程的等效燃油消耗量（mL）为（2-50）式中，为每升汽油或柴油产生的热能(J/L)。2.3增程式电动汽车的经济性

3.增程续驶里程的燃油消耗量的计算

按2.1.2节计算增程续驶里程的燃油消耗量。由于增程式电动汽车的发动机驱动发电机，发电机给电动机提供电能，再由电动机驱动汽车行驶，因此，在计算中，要将2.1.2节公式中的改为，其计算方法不变，为发电机的效率，计算结果为2.3增程式电动汽车的经济性

4.增程式电动汽车的百公里油耗量根据汽车的百公里油耗量的定义和式（2-50），参考式（2-1），得在给定的循环工况下增程式电动汽车百公里燃油消耗量为（2-51）式中，为纯电动续驶里程，km；为增程续驶里程，km。2.4混合动力电动汽车的经济性

1.混合动力电动汽车的经济性评价指标

混合动力电动汽车的经济性评价指标为燃油消耗量和续驶里程。燃油消耗量是指混合动力电动汽车经过规定的循环工况后，在电池储存的容量与运行前保持同一水平条件下所消耗的燃油量，单位为L/l00km。燃油消耗量用于评价汽车的燃油经济性。纯电动续驶里程是指混合动力电动汽车在动力蓄电池完全充电状态下，以一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离，单位为km。混合动力电动汽车2.4混合动力电动汽车的经济性

2.混合动力电动汽车的经济性计算（1）驱动电机辅助驱动的等效燃油消耗量及消耗电池电能的计算

在汽车加速上坡行驶（行驶的一般受力工况）时，驱动电机辅助发动机提供能量，以克服汽车行驶过程中受到的阻力，根据式(1-53)，发动机和驱动电机所需提供的总功率应为：（2-52）令为能量管理系统给定的功率分配系数(0≤≤1)，则驱动电机需提供的功率为，发动机需提供的功率为。2.4混合动力电动汽车的经济性驱动电机辅助驱动时，电机的能量由动力蓄电池提供。假设在加速过程中第i个Δt时间段内，电池放电效率为，驱动电机系统的效率为，耦合系统中驱动电机与耦合系统的输出轴之间的耦合效率为，根据效率定义及能量转换关系，驱动电机在该时间段内所消耗动力蓄电池电能的等效燃油消量(mL)为：2.4混合动力电动汽车的经济性在整个加速上坡行驶过程中，驱动电机辅助驱动的等效燃油消耗量(mL)为：（2-53）在整个加速上坡行驶过程中，驱动电机辅助驱动所消耗的电池电能（J）为：（2-54）2.4混合动力电动汽车的经济性

（2）发动机驱动电机发电的等效燃油消耗量及储存到电池电能的计算汽车辆在行驶过程中，当动力蓄电电量不足时，需要发动机提供一部分额外的动力驱动电机发电，给动力蓄电池补充能量，以维持电池荷电状态的平衡。假设在第i个Δt时间段内，发动机驱动电机发电储存到电池的电能（J）为，发动机效率为，耦合系统中发动机与发电机之间的耦合效率为，驱动电机发电效率为，电池充电效率为，根据效率定义及能量转换关系，驱动电机在该时间段内所消耗的等效燃油量(mL)为：2.4混合动力电动汽车的经济性在行车充电过程中，驱动电机所消耗的等效燃油消耗量(mL)为：（2-55）在行车充电过程中，发动机驱动电机发电储存的电池电能（J）为：（2-56）2.4混合动力电动汽车的经济性

（3）驱动电机制动能量回收储存的电池电能计算

假设在制动过程中第i个Δt时间段内，驱动电机的制动能量回收比例系数效能因素为（0≤≤1），耦合系统中耦合系统的输出轴与发电机之间的耦合效率为，驱动电机发电效率为，动力蓄电池充电效率为，则驱动电机在该时间段内储存到动力蓄电池中的电能（J）为：在整个制动过程中，驱动电机通过制动能量回收储存的动力蓄电池电能（J）为：（2-57）2.4混合动力电动汽车的经济性

（4）整个循环工况下百公里燃油消耗量

在给定的某一循环工况下，混合动力电动汽车的燃油消耗量(mL)等于发动机燃油消耗量与电池净增加电能的等效燃油消耗量之和，即：（2-58）式中，为整个循环工况下总的发动机燃油消耗量(mL)；为电池净增加电能W的等效燃油消耗量(mL)。时，电池净增加电能W来自发动机或制动回收的能量，主要来自发动机，制动回收的能量较小；时，电池净增加电能W来自电网。2.4混合动力电动汽车的经济性根据式（2-54）、式（2-56）和式（2-57），并考虑驱动消耗电池能量，发电和能量回收增加电池能量，得在给定的循环工况下电池净增加的电能(J)为：（2-59）式中，为整个循环工况下总的驱动电机辅助驱动所消耗的电池电能；为整个循环工况下总的发动机驱动电机发电储存的电池电能；为整个循环工况下总的驱动电机通过制动能量回收储存的动力蓄电池电能；为部分辅助系统（如仪表和中控屏等信息系统、整车控制器等）在电池净增加电能期间消耗的电池电能。如果由于发动机带动空调、真空助力、液压转向助力等，这部分发动机驱动的辅助系统不消耗电池的电能，，较小，为方便计算，可以略去不计。2.4混合动力电动汽车的经济性根据汽车的百公里油耗的定义和式（2-58），参考式（2-1），得在给定的循环工况下混合动力电动汽车百公里燃油消耗量（L/l00km）为：（2-60）计算混合动力电动汽车百公里燃油消耗量要注意：根据混合动力电动汽车的燃油消耗量的定义，须在电池储存的容量与运行前保持同一水平的条件下，进行混合动力电动汽车的燃油消耗量的计算，也即按式（2-60）进行混合动力电动汽车百公里燃油消耗量的计算时，要求在给定的循环工况下电池净增加的电能为零，相应的电池净增加电能的等效燃油消耗量也为零，即，。2.4混合动力电动汽车的经济性

（5）混合动力电动汽车总续驶里程的计算混合动力电动汽车的总续驶里程为电池电量保持和消耗模式下的续驶里程之和。

电池电量保持模式下续驶里程可在求得混合动力电动汽车百公里燃油消耗量后根据油箱的油量和百公里燃油消耗量计算公式求得，参考式（2-60），其续驶里程等于油箱的油量除以混合动力电动汽车百公里燃油消耗量。

电池电量消耗模式下续驶里程的计算可按纯电动汽车续驶里程的计算方法计算其续驶里程，参考式（2-49），其续驶里程等于从电网上得到的电能除以纯电动汽车整个循环工况的能量消耗率。2.4混合动力电动汽车的经济性

3.影响混合动力电动汽车经济性的主要因素发动机燃油消耗量是影响混合动力电动汽车经济性的主体。式（2-58）中，整个循环工况下总的发动机燃油消耗量是混合动力电动汽车的燃油消耗量的主体，因为，在根抿式（2-60）评价混合动力电动汽车百公里燃油消耗量时，，此时，混合动力电动汽车的燃油消耗量等于发动机燃油消耗量。发动机的最小燃油消耗率与发动机的负荷和转速有关，通过能量管理系统，控制驱动电机发电，优化功率分配系数，控制燃油供给，使发动机在最小燃油消耗率附近工作，提高混合动力电动汽车经济性。2.4混合动力电动汽车的经济性根据式（2-59）和，为降低燃油消耗量，应减小和，增大和。根据式（2-54）、式（2-56）和式（2-57），需要提高、、、、、、和，简单说，要提高耦合系统、驱动电机系统、发电机系统和制动能量回收系统的效率。

根据式（2-56），发动机驱动电机发电储存到电池；根据式（2-54），驱动电机辅助驱动消耗电池的电能；因此，其能源实际上来自发动机的燃油。在能量转换及传递的过程中，产生能量损失。为了提高燃油经济性，应减少这种能量的转换及传递。

插电式混合动力电动汽车通过外部充电向动力电池提供电能，这部分电能增加了汽车的续驶里程，增加的续驶里程可按动力电池单独工作时纯电动汽车等速行驶的续驶里程计算。对于有动力电池的汽车，均应设计外部充电系统，以增加了汽车的续驶里程。2.5燃料电池电动汽车的经济性

1.燃料电池电动汽车的经济性评价指标

根据GB/T43252-2023《燃料电池电动汽车能量消耗量及续驶里程试验方法》，燃料电池电动汽车的经济性用氢气消耗量和续驶里程评价。氢气消耗量为（2-61）

续驶里程是指燃料电池电动汽车以一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离称为续驶里程，单位为km。燃料电池电动汽车2.5燃料电池电动汽车的经济性

2.燃料电池的效率燃料电池的效率为（2-62）燃料电池的效率曲线如图2-10所示，燃料电池系统在中低负荷时有较高效率，在超低负荷和高负荷时效率较低，燃料电池的效率不是常量。图2-12燃料电池的效率曲线2.5燃料电池电动汽车的经济性

3.等速行驶工况的氢气消耗量和续驶里程的计算

根据效率的定义，考虑电驱动系统的效率和辅助系统的能耗功率，得燃料电池电动汽车以车速等速行驶燃料电池输出的功率（kW）为（2-63）根据氢气流量(g/s)与时间t的关系及式（2-62）、式（2-63），得燃料电池电动汽车以车速等速行驶、在时间t（s）内，消耗的氢气质量（g）为（2-64）2.5燃料电池电动汽车的经济性将式（2-64）和式（2-31）代入式（2-61），得燃料电池电动汽车以车速等速行驶的氢气消耗量（kg/100km）为（2-65）根据汽车的行驶平衡方程式(1-31)和式(1-32)，由式（2-60）得另一种形式的燃料电池电动汽车以车速等速行驶的氢气消耗量（kg/100km）为（2-66）2.5燃料电池电动汽车的经济性由式（2-65）和式（2-66）得燃料电池电动汽车以车速等速行驶的的续驶里程(km)为（2-67）2.5燃料电池电动汽车的经济性

4.影响燃料电池电动汽车经济性的主要因素

根据式（2-65）和式（2-67），燃料电池电动汽车的滚动阻力、空气阻力越大，燃料电池的效率、电机控制器的效率、电机的效率和传动系统的效率越小，氢气消耗量越大，续驶里程越少，燃料电池电动汽车经济性越差。

滚动阻力与汽车的重量G有关，减小燃料电池和动力电池的质量，有利于减小滚动阻力，进一步有利于减小氢气消耗量，提高燃料电池电动汽车经济性。

燃料电池电动汽车2.6智能汽车的经济性和飞行汽车的汽车经济性

2.6.1智能汽车的经济性

2.6.2飞行汽车的汽车经济性2.6.1智能汽车的经济性

1.智能汽车经济性的计算智能燃油汽车可按2.1节的方法计算其经济性。

智能电动汽车可按2.2～2.5节的方法分别计算智能纯电动汽车、智能增程式电动汽车、智能混合动力电动汽车、智能燃料电池电动汽车的经济性。智能汽车2.6.1智能汽车的经济性

2.智能驾驶系统和驾驶员系统对汽车经济性的影响智能汽车的驾驶中，转向、制动、换挡、节气门的大小等由ECU控制下的电机操纵，ECU和电机等智能驾驶系统要消耗电能，降低了汽车的经济性。智能汽车可不需要驾驶员系统，驾驶员系统包括驾驶员和驾驶员座椅