純電動汽車續(xù)航里程提升措施分析

張尚生，劉敏，苑忠國（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253023）

?

純電動汽車續(xù)航里程提升措施分析

張尚生，劉敏，苑忠國
（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253023）

摘要：影響純電動汽車續(xù)航里程的重要因素有能量回收不到位、動力電池容量衰減快、整車質量大等問題。針對這些問題提出了儲熱技術、智能化動力電池管理系統(tǒng)、整車優(yōu)化三種方案。意在通過這三種方案來進一步提高純電動汽車的續(xù)航里程。

關鍵詞：純電動汽車；續(xù)航里程；儲熱技術；智能化動力電池管理系統(tǒng)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.72+2Document Code: BArticle ID: 1671-7988 (2016)05-144-03

前言

由于環(huán)境污染加劇，節(jié)能減排要求的提高，大力發(fā)展新能源產業(yè)已成為政府工作的一項重要任務。新能源汽車，尤其是純電動汽車已成為很多國家的轉型戰(zhàn)略。隨著霧霾天氣的增加，人們對清潔能源的呼聲越來越高，無論是國家還是汽車行業(yè)都越來越重視純電動汽車在未來的發(fā)展前景。但純電動汽車作為汽車行業(yè)的新秀，涉及到一些新領域，面臨著諸多難題，普及率較低！而制約純電動汽車普及的一個重要原因就是動力電池組單次續(xù)航里程短，無法滿足人們中遠途距離出行需要。為了盡可能的提升純電動汽車的續(xù)航里程，本文在以下三方面進行了詳細論述。

1、儲熱技術

眾所周知，純電動汽車有一個通?。褐灰婚_暖風就特別費電，大大影響了續(xù)航里程。原因是純電動汽車上采用的暖風熱源基本上都是電加熱形式的PTC元件，即用熱敏電阻作為熱源，通電之后電阻發(fā)熱，通過鼓風機工作使空氣經過該熱源，達到加熱空氣的效果。為了在冬天盡可能少的消耗動力電池的能量，尋找新的熱源為駕駛室供暖也就成了純電動汽車亟需解決的一項重要難題。

儲熱技術的問世恰好能為解決上述問題提供思路。儲熱密度是表示儲熱技術特性的指標之一，是指1kg材料所能存儲的熱量，單位為“kJ/kg”。因為水的比熱容較大，因此我們家庭供暖用的最多的儲熱介質就是水，而水的儲熱密度在低溫區(qū)（0～100℃）約為340～400kJ/kg。作為配備于純電動汽車的儲熱介質，就要滿足能以盡可能小的質量和體積存儲盡可能多的熱量。為了將來應用于純電動汽車，有專家提出可以在純電動汽車上安裝儲熱裝置，但是為了能獲得較為理想的熱量，制造該裝置的儲熱介質其儲熱密度應達到“1000 kJ/kg”以上。即儲熱密度約為水的3倍的材料。例如汽車制動過程剎車片會產生大量熱量，并且汽車在長時間高速行駛狀態(tài)下輪胎也會產生大量的熱量，我們可以將這些能量存儲，用于純電動汽車駕駛室的供暖以減少動力電池的能量消耗，使更多的電量用于增加純電動汽車的續(xù)航里程。

2、智能化動力電池管理系統(tǒng)

智能化動力電池管理系統(tǒng)包括智能化動力電池溫度管理系統(tǒng)和智能化動力電池參數(shù)管理系統(tǒng)。其組成部分如圖1所示。

（1）智能化動力電池溫度管理系統(tǒng)。研究表明，溫度對動力電池容量和壽命的影響是十分巨大的。以閥控動力電池為例，其最佳工作溫度為15℃～25℃，在此溫度范圍內動力電池能保持最佳工作狀態(tài)。溫度過高會使部分充電電流轉化成熱能，加劇電池內部溫度的上升，造成惡性循環(huán)，使動力電池損壞容量減小。研究表明，當環(huán)境溫度在25℃時，若溫度升高6℃以上，動力電池壽命就會大幅度縮短。因此，當動力電池工作時，保證動力電池處于最佳工作溫度是保證動力電池容量最大化，提高續(xù)航里程的一項重要措施。開發(fā)智能化動力電池溫度管理系統(tǒng)對上述問題的解決是有幫助的。通過智能化動力電池溫度管理系統(tǒng)我們可以實時監(jiān)測動力電池室環(huán)境溫度，確保浮充電壓設定值為2.25V/單體（標稱溫度25℃），如果溫度變化，應及時根據(jù)變化情況，按照0.003V/(單體·℃)的系數(shù)進行修正，溫度升高，電壓下調，反之上調。但任何情況下，都應該確保充電電壓在2.20V/單體和2.35V/單體之間。

（2）智能化動力電池參數(shù)管理系統(tǒng)。除溫度影響動力電池容量外，動力電池單體不一致性也是一項重要原因。電池不一致性將導致電池組內其它單體發(fā)生多米諾骨牌效應式的連鎖反應，由于電池組中某一個或某幾個單體的使用壽命縮短，從而影響了電池組整體壽命，使純電動汽車續(xù)航里程縮短。單體數(shù)量越多，電池不一致性差別越大，在使用中不一致性擴散越快，電池組容量衰減也越快。不一致性使得動力電池組的使用壽命往往小于單電池使用壽命，嚴重限制其在純電動汽車上的應用。運用智能化動力電池參數(shù)管理系統(tǒng)，結合動力電池的成組運用技術，在電池組使用過程中對每個單電池參數(shù)進行實時監(jiān)測，掌握電池組中單電池不一致性發(fā)展規(guī)律，對極端電池及時進行更換,并對正常電池進行定期維護保養(yǎng)，把電池組參數(shù)不一致性控制在合理范圍內。不一致性得到了控制，動力電池的壽命和容量也就得到了提升，純電動汽車的續(xù)航里程必然也會增加。

圖1 智能化動力電池管理系統(tǒng)

3、整車優(yōu)化

3.1減輕整車質量

車身輕量化對于汽車續(xù)航里程的提升是極其重要的。我們都知道，在工況不變的前提下汽車的能量消耗和質量基本上成線性關系。純電動汽車在這方面表現(xiàn)的尤為明顯，純電動汽車車身質量的增加會明顯縮短續(xù)航里程。相比傳統(tǒng)汽車，純電動汽車在電池方面增加了一部分質量，同時還要求整車質量要盡可能的小，這就需要在車身輕量化方面尋求一些解決途徑。目前，國內外專家們已經形成了較大共識，其實車身輕量化，無外乎新材料的應用、車身輕量化的結構設計和先進制造工藝這三個方面。

1）新材料的應用是車身輕量化的主流。采用輕量化的金屬和非金屬材料，主要是采用鋁鎂合金、工程塑料和碳纖維等各種新型材料，比如汽車車身下部、散熱水箱和發(fā)動機等可以適量采用一些鋁合金材料，前機罩蓋和行李箱蓋則可采用碳纖維等復合材料。

2）車身輕量化的結構設計。通過概念性設計階段的拓撲優(yōu)化、基本設計階段的形貌優(yōu)化及詳細設計階段的尺寸優(yōu)化來指導具體結構設計?；谟邢拊治龇椒?，利用“以結構換強度”的結構優(yōu)化設計并采用拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化工具設計出滿足純電動汽車車身性能要求的框架式車身結構。比如純電動汽車后側圍外板以及頂層外板部分并不作為主要承載部件卻在車身總質量中所占比例較大，在設計時我們就可以對此進行結構優(yōu)化，采用鋼塑一體化結構，即在傳統(tǒng)鈑金構件基礎上，通過先進的塑料注塑工藝，在鈑金件上覆以一定厚度的高強度塑料，通過增加低密高強塑料材料的應用，以達到降低鈑金件質量，改善結構件性能的目的。

3）先進的制造工藝。一種輕量化材料的應用必須要以一種優(yōu)良的制造工藝為支撐，從而實現(xiàn)一種輕量化結構設計。例如可以采用先進的點焊或者激光拼焊技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接技術，在保證部件之間的焊接質量的同時也會減輕連接件的質量。

3.2減小風阻系數(shù)

汽車外輪廓影響風阻系數(shù)，而風阻系數(shù)首先影響的就是純電動汽車的電量消耗。汽車風阻會隨速度的增大按平方規(guī)律增大，即每當速度增加2倍，

阻力增加4倍，而功率消耗則增大8倍！其次風阻系數(shù)還會影響風燥。而氣動噪聲大小和風阻系數(shù)大小是密切相關的。風燥不但會增大車阻消耗能量，甚至還會對車內人員的精神和生理造成危害，嚴重影響駕乘樂趣。因此減小風阻系數(shù)對純電動汽車續(xù)航里程的提升是有利的。

減小風阻系數(shù)就要掌握空氣動力學相關知識。一般情況下，兩廂車風阻系數(shù)大于三箱車，車尾形狀變化劇烈的風阻系數(shù)大于流線外形的，車的長高比大的風阻系數(shù)大于長高比小的風阻系數(shù)?？諝鈩恿W涉及的車身減阻降噪及高速氣動穩(wěn)定性等方面的內容對純電動汽車續(xù)航里程的提升有很大幫助，從汽車領域的空氣動力學研究手段來看，風洞實驗和CFD (流體計算仿真技術)都是目前的主流方法。目前CFD已發(fā)展成一門較為成熟的技術學科，其研究方向主要集中在湍流方程、網(wǎng)格劃分等環(huán)節(jié)。因此加強氣動造型設計與工業(yè)設計的結合，改進氣動造型優(yōu)化方法，提高CFD仿真優(yōu)化的精度和效率，都將提高車身造型的氣動設計水平，而氣動性能與動力性、燃油經濟性、高速行駛穩(wěn)定性等性能是密切相關的，高水平的氣動造型設計將會使純電動汽車風阻系數(shù)下降到一個較為可觀的水準。

4、結語

以上三種方案詳細論述了純電動汽車動力電池能量不足及整車質量過大等問題，并提出了一些具體的解決方案，理論上在延長純電動汽車續(xù)航里程上是可行的。隨著科技的進步和國家對純電動汽車產業(yè)扶持力度的增大，將會有更多先進技術應用于純電動汽車，限制純電動汽車產業(yè)發(fā)展的續(xù)航問題必將完美解決。

參考文獻

[1]劉慶生.溫度對蓄電池的影響[J].湖北電力,2009.

[2]王震坡.孫逢春, 張承寧.電動汽車動力蓄電池組不一致性統(tǒng)計分析[J].電源技術, 2003.

[3]江濤.汽車車身氣動造型設計優(yōu)化研究[J].湖南大學,2011.

[4]王志超. ZK-1型電動車車身輕量化技術研究[J].吉林大學,2011.

測試試驗

Analysis on The Measures of Improving The Mileage of Pure Eelectric Vehicle

Zhang Shangsheng, Liu Min, Yuan Zhongguo
( Automotive Engineering Institute, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023 )

Abstract:The important factors influencing pure electric vehicle range include unremarkable energy recovery, fast power battery capacity attenuation and heavy vehicle mass. Aiming at these problems, we put forward three solution methods to further improve the range of pure electric vehicles: thermal storage technology, intelligent power battery management system and overall vehicle optimization.

Keywords:pure electric vehicle; vehicle rang; storage technology; intelligent power battery management system

中圖分類號：U469.72+2

文獻標識碼：B

文章編號：1671-7988 （2016）05-144-03

作者簡介：張尚生，就讀于德州學院汽車工程學院。