環(huán)境溫度對電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程影響的試驗(yàn)研究

解 難，胡月昆，楊 帆，李 春

(中國汽車技術(shù)研究中心, 天津 300300)

近年來，我國汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，汽車產(chǎn)銷量逐漸提高。從2009年起，我國汽車產(chǎn)銷量超過美國成為世界第一。汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給生活帶來了便利，但是占大多數(shù)的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。近年來全國的部分城市深受霧霾的影響，造成霧霾的元兇PM2.5與汽車的顆粒物排放有著很大的聯(lián)系。為減少汽車對能源的消耗和環(huán)境的影響，各國相繼推出專項(xiàng)研究計(jì)劃，大力扶持電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率較高，電動(dòng)汽車的行駛經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)燃油車相比有較大優(yōu)勢[1-3]。目前，電動(dòng)汽車在全球范圍內(nèi)得到快速的發(fā)展。全球電動(dòng)汽車市場表現(xiàn)亮眼，離不開中國市場強(qiáng)勁需求的推動(dòng)。2017年以來，中國政府加大了環(huán)境保護(hù)的力度，大力推廣新能源汽車，不僅出臺(tái)了“雙積分”政策，也在考慮制定禁售燃油車的時(shí)間表。這一系列舉措助推中國這個(gè)全球最大的電動(dòng)車市場更快地發(fā)展[4]。

電動(dòng)車產(chǎn)銷量持續(xù)火爆，消費(fèi)者也對電動(dòng)汽車越來越關(guān)注，尤其是電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車一次加油可行駛600 km以上，有些燃油效率較高的汽車甚至可以達(dá)到1 400 km(如大眾Polo BlueMotion)[1]。由于動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度較低，電動(dòng)車的續(xù)駛里程很難達(dá)到傳統(tǒng)燃油車的程度。目前市售電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程基本上在150～250 km，部分車型達(dá)到300 km以上。但是這些續(xù)駛里程是基于試驗(yàn)室數(shù)據(jù)獲得，與用戶在使用過程中實(shí)際的續(xù)駛里程會(huì)有較大差異。使用過程中影響電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程的因素很多。不同的行駛工況對電動(dòng)車的續(xù)航有較大影響。同時(shí)電池可提供的能量與功率需求和環(huán)境條件等因素關(guān)系較大。Sato等[5]的研究表明，當(dāng)電池溫度高于50 ℃時(shí)，放電效率和使用壽命都會(huì)有較大的衰減。Pesaran等[6]提出電池的最佳工作溫度范圍是25～40 ℃，而當(dāng)電池溫度低于0 ℃時(shí)，放電過程實(shí)現(xiàn)困難。對于電動(dòng)車而言，由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，其附件運(yùn)行消耗的能量，特別是電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的能量來自于電池，電動(dòng)車在怠速工況下，空調(diào)系統(tǒng)的功耗占整個(gè)電池功耗的77.08%[7]，對續(xù)駛里程有較大影響。

本文研究在高低溫使用條件下，運(yùn)行汽車空調(diào)時(shí)對電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響，同時(shí)考察電動(dòng)汽車的空調(diào)性能。

1 試驗(yàn)方案的制定

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在帶有環(huán)境倉、陽光模擬系統(tǒng)和四驅(qū)底盤測功機(jī)的整車試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。環(huán)境倉試驗(yàn)室如圖1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1 環(huán)境倉試驗(yàn)室

1.2 試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)選取

試驗(yàn)方法的制定主要依據(jù)GB/T 18386—2005《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程》、美標(biāo)SC03關(guān)于高溫空調(diào)試驗(yàn)的要求。

電動(dòng)汽車放電結(jié)束之后，在環(huán)境溫度為(25±5)℃下充電到滿電狀態(tài)，試驗(yàn)前在該溫度下放置12 h以上[8]。然后持續(xù)運(yùn)行NEDC循環(huán)，直到車輛不能跟隨NEDC曲線，記錄車輛的續(xù)駛里程。期間不使用空調(diào)及其他用電設(shè)備，得到常溫續(xù)駛里程。試驗(yàn)完成之后在常溫條件下充電，記錄電量，作為車輛的能耗指標(biāo)。

常溫條件下充滿電的車輛在(35±3)℃的溫度條件下進(jìn)行高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中太陽輻射強(qiáng)度為(850±45) W/m2。高溫試驗(yàn)前，車輛在該高溫環(huán)境中浸車至少0.5 h，期間光照強(qiáng)度保持為(850±45) W/m2。以車頂最高點(diǎn)平面位置為基準(zhǔn)設(shè)定，試驗(yàn)中開啟空調(diào)制冷，運(yùn)行NEDC循環(huán)。空調(diào)運(yùn)行穩(wěn)定后保持23～25 ℃的轎廂舒適條件。當(dāng)車輛不能跟隨NEDC曲線時(shí)，記錄車輛的續(xù)駛里程為車輛高溫續(xù)駛里程。同時(shí)記錄車輛轎廂溫度首次到達(dá)25 ℃的時(shí)間，作為空調(diào)性能的體現(xiàn)。

常溫條件下充滿電的車輛在(-7±3)℃的溫度條件下進(jìn)行低溫試驗(yàn)，低溫試驗(yàn)前在該溫度下浸車12 h以上。試驗(yàn)中開啟空調(diào)制暖。運(yùn)行NEDC循環(huán)?？照{(diào)運(yùn)行穩(wěn)定后保持20～22 ℃的轎廂舒適條件，直到車輛不能跟隨NEDC曲線，記錄車輛的續(xù)駛里程為車輛低溫續(xù)駛里程。同時(shí)記錄車輛轎廂溫度首次到達(dá)20 ℃的時(shí)間，作為空調(diào)性能的體現(xiàn)。各評價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程相關(guān)評價(jià)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)車輛的選取

試驗(yàn)選取了9輛在市場上最為常見的電動(dòng)汽車，其中微型車4輛，常規(guī)車5輛。依據(jù)本文1.2節(jié)所示的試驗(yàn)方法進(jìn)行測試，得出試驗(yàn)結(jié)果。

4輛微型車整備質(zhì)量為775～1 175 kg，最高車速限制在100 km/h以內(nèi)。5輛常規(guī)電動(dòng)汽車的整備質(zhì)量為1 580～2 160 kg，最高車速為120～152 km/h。

這9輛電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池電量與整備質(zhì)量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 動(dòng)力電池電量與整備質(zhì)量的關(guān)系

從圖2中可以看出：微型車的動(dòng)力電池電量較低，在20 kW·h左右，配合100 km/h的最高車速，一般適用于城市上下班；常規(guī)電動(dòng)車的電池容量為40～50 kW·h，最高車速超過120 km/h，適用于較遠(yuǎn)距離的駕駛和高速駕駛。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 常溫續(xù)駛里程分析

不同車輛的常溫續(xù)駛里程比較結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出：電動(dòng)車的續(xù)駛里程與電池電量呈現(xiàn)正相關(guān)，而電池電量的加大會(huì)導(dǎo)致車輛整備質(zhì)量的增加，影響車輛續(xù)駛里程。

2.2 溫度對續(xù)駛里程的影響分析

在電動(dòng)車的實(shí)際運(yùn)行條件下，環(huán)境溫度及與其相關(guān)的空調(diào)的使用是對續(xù)駛里程影響最大的因素。

在高低溫條件下空調(diào)的運(yùn)行會(huì)造成一定的能耗，另外高低溫環(huán)境也會(huì)造成電池放電性能的降低，使車輛的續(xù)駛里程進(jìn)一步降低。

各電動(dòng)汽車在高低溫條件下的續(xù)航里程相對常溫條件下的續(xù)駛里程下降率如圖4所示。

圖3 不同車輛的常溫續(xù)駛里程分析

圖4 環(huán)境溫度對電動(dòng)車輛續(xù)駛里程的影響

從圖4可以看出：所有車輛的低溫續(xù)駛里程下降要遠(yuǎn)大于高溫續(xù)駛里程下降，原因在于低溫浸車對于電池放電性能的影響較大，且低溫狀態(tài)下，車廂溫度與環(huán)境溫度的溫差為27～29 ℃，遠(yuǎn)大于高溫狀態(tài)下10～12 ℃的溫差。

微型車的高溫續(xù)駛里程下降率為16%～31%；低溫續(xù)駛里程下降率為31%～53%；常規(guī)車的高低溫續(xù)駛里程下降率在整體上低于微型車，高溫續(xù)駛里程下降率為8%～19%，低溫下降率為20%～45%。這一方面在于隨著車輛價(jià)值的升高，車輛的空調(diào)性能和車輛的密封性能的提升帶來了能耗的降低；另一方面，普通電動(dòng)車的續(xù)駛里程一般高于微型車，在計(jì)算上也會(huì)導(dǎo)致續(xù)駛里程下降率的降低。

2.3 能耗的評價(jià)

電動(dòng)汽車能耗與整備質(zhì)量的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出：電動(dòng)車在常溫條件下的電耗與其整備質(zhì)量有很強(qiáng)的相關(guān)性，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)為0.83，表明兩者高度相關(guān)。電動(dòng)車輛的能耗還取決于車輛的電池性能、整車的匹配以及能量回收策略等因素，但是整備質(zhì)量是主要的影響因素之一。

圖5 電動(dòng)汽車能耗與整備質(zhì)量

2.4 空調(diào)性能評價(jià)

空調(diào)性能的評價(jià)指標(biāo)為高低溫條件下車廂內(nèi)降溫和升溫時(shí)間。升溫時(shí)間為低溫條件下艙內(nèi)平均溫度升到20 ℃的時(shí)間；降溫時(shí)間為高溫條件下艙內(nèi)平均溫度降到25 ℃的時(shí)間。以上參數(shù)用以評價(jià)空調(diào)的響應(yīng)能力和制冷加熱效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 空調(diào)性能比較(升降溫時(shí)間)

從數(shù)據(jù)分析上看，常規(guī)車在高溫條件下的降溫時(shí)間要顯著低于微型車，顯示出較好的空調(diào)性能和車輛密封性能；但是在低溫條件下的升溫時(shí)間上沒有明顯的趨勢，因?yàn)樯郎匾话銥镻TC加熱，主要體現(xiàn)為車輛控制策略和PTC加熱器功率的差異。

3 結(jié)論

1) 加大電池容量一定程度上可加大續(xù)駛里程，但是受整備質(zhì)量加大的不利因素，續(xù)駛里程并不隨電池容量線性增加。在加大電池電量提升車輛續(xù)駛里程能力的同時(shí)，應(yīng)特別注重車身和電池的輕量化設(shè)計(jì)。

2) 低溫續(xù)駛里程下降率大，用戶體驗(yàn)差，電動(dòng)車輛應(yīng)特別注意動(dòng)力電池的熱管理和低溫放電性能的提升，并提高空調(diào)系統(tǒng)的熱效率以降低能耗。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)提升車輛的密封性并降低車輛的導(dǎo)熱性能，以降低制冷電量的需求。

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