提高純電動汽車的續(xù)航里程的策略

王志鵬

（深圳市沃特瑪電池有限公司，廣東 深圳 518118）

前言

純電動汽車續(xù)航里程的高低是評價一臺車性能的重要條件，對企業(yè)來說，生產(chǎn)一臺高續(xù)航里程的汽車，其市場接納度、產(chǎn)品檔次、產(chǎn)品售價等均會有一定程度的提高。某些企業(yè)為了提高電動汽車的續(xù)航里程，簡單粗暴的采取“堆電池”的方式，這樣不僅提高了整車的生產(chǎn)成本，又降低了有效載質(zhì)量。增加續(xù)航可從多個方面出發(fā)，本文則淺談如何提高純電動汽車的續(xù)航里程。

1 增加帶電量

增加續(xù)航最直接的方式就是增加帶電量。下圖為 2018年第三批目錄中車長為4650-4740mm純電動車裸車重（扣除電池后整車重量）與百公里耗電關(guān)系?？梢娫诮y(tǒng)計車輛中，A級車裸車重在 1200kg左右波動時，整車百公里耗電量約14kwh，當車重為1500kg時，百公里耗電量約為16kwh。

圖1 A級純電動車車重與百公里耗電關(guān)系

當整車帶電量增加時，無疑會增加整車續(xù)航里程。如目標開發(fā)車型為續(xù)航350km，裸車重預計1200kg，需帶電量為49kwh（3.5*14），但客戶在使用過程中，不可能將電池電量全部用于做功，實際使用中還需考慮放電深度問題，考慮到75%的放電深度，則需要帶電量約65.3kwh。

但電池電量的增加，無疑增加了整車生產(chǎn)成本。如考慮一款車終端售價為20萬，裸車核算成本為13萬，每kwh電量價格為1200元，則可最多安裝7萬元電池，即電池電量為58.3kwh，當攜帶電量過大時，增加了成本，降低了整車的競爭力。

圖2 不同溫度下電池放電曲線

當整車增加電量時，還需考慮電池放電問題。以上為不同溫度下鋰電池放電特性，為保證電池在不同溫度下的放電特性，需要在低溫時對電池進行預熱處理，以保證電池在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。

2 增加傳動系統(tǒng)效率

圖3 簡易整車動力系統(tǒng)輸入及控制圖

圖3為簡易動力輸出及控制圖，目前電機控制器效率為97%左右，驅(qū)動電機效率從 80～95%不等（圖 4）。目前乘用車普遍使用高轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機，驅(qū)動電機系統(tǒng)效率普遍為85%左右。

圖4 理想狀態(tài)的永磁同步電機map圖

如上圖，永磁同步電機map圖，在額定轉(zhuǎn)速時電機效率較高，其他轉(zhuǎn)速時電機效率為85%（理想狀態(tài)）。

圖5 電機效率曲線4

實際測試的電機效率曲線。由上圖可看到在低速時，電機效率僅70%左右。與內(nèi)燃機相同，驅(qū)動電機只有在額定轉(zhuǎn)速附近時時才會有較高效率。當整車低速行駛時，整車行駛系疼效率僅65%。

3 使用低滾阻輪胎

車輛在行駛過程中的阻力如下公式：

上式中 Ff-滾動阻力、Fw-空氣阻力、Fi-坡度阻力、Fj加速阻力

在上述阻力中，滾動阻力及空氣阻力在任何行駛條件下均是存在的，當車輛在水平的路面上勻速行駛時，車輛僅受到滾動阻力與空氣阻力。

輪胎的滾動阻力主要是由于道路及輪胎的變形，輪胎與道路表面摩擦形成。滾動阻力影響因素主要有輪胎因素及工況因素兩方面。輪胎因素主要為輪胎結(jié)構(gòu)材料、輪胎氣壓、花紋及磨損情況。工況因素主要有汽車載重、行駛速度等方面。

例如，當汽車行駛速度達到某個臨界速度后（不同輪胎速度不同），輪胎會產(chǎn)生“駐波”現(xiàn)象，輪胎的周緣不再是圓形而成為波浪狀，此時不但滾動阻力增加，車輪的溫度也將迅速增加到 100℃以上，幾分鐘內(nèi)可能出現(xiàn)爆破現(xiàn)象?？紤]到車輛在高速行駛時不會達到使輪胎達到產(chǎn)生駐波現(xiàn)象的速度，那么車輛的滾動阻力系數(shù)主要影響方式為輪胎方面。

圖6 滾動阻力與汽車速度、結(jié)構(gòu)關(guān)系

當不同的車速時滾動阻力系數(shù)不同，在高速時變大，低速時變小[6]。此外，輪胎滾動阻力每增加或者減小 10%，汽車的能耗則也相應增加或減小2%[7]。就燃油車而言，輪胎滾動阻力越小，汽車油耗也相應越少。

因此降低輪胎滾動阻力，對純電動汽車續(xù)航里程增加明顯。

4 整車輕量化

就行駛中的車輛而言，重量越重，其在運動過程中所需要的能耗就越高，就內(nèi)燃機車輛而言，將原車整備質(zhì)量降低10%，則油耗可降低6～10%。純電動汽車輕量化主要有以下幾個方面：

發(fā)動機的有效功率等于汽車行駛過程中所消耗的所有功率之和，如下公式：

Pt-汽車發(fā)動機功率；Pf-滾動阻力功率；Pw-空氣阻力；Pi-坡度阻力；Pj-加速阻力

公式1：汽車功率平衡圖

當車輛在平坦的路面上勻速行駛時，車輛Pj、Pi均等于0.因車輛的面積及風阻系數(shù)確定，已設(shè)計成熟車型無法改動。僅可從滾動阻力方面更改，下式為滾動阻力消耗功率計算公式：

G-汽車重力，單位為 N；車速-va，單位單位 km/h，f-滾動阻力系數(shù)

公式2：滾動阻力消耗功率

上式中，車輛在行駛過程中消耗功率與整車質(zhì)量正相關(guān)，降低整車質(zhì)量，可降低車輛行駛功率功率消耗，提高續(xù)航里程。純電動汽車的減重主要有以下幾個方面。

4.1 電池包輕量化

目前動力電池主要為磷酸鐵鋰及三元鋰兩種形式。商用車大多數(shù)為磷酸鐵鋰電池，乘用車主要為三元鋰結(jié)構(gòu)。目前主流乘用車電池包能量密度為 140～150，特斯拉整車電池包能量密度為250wh/kg。

圖7 A級純電動汽車電池包占整車質(zhì)量比例

上圖為整車2018年第三批推薦目錄中A級轎車電池包質(zhì)量占整車比例。平均電池包重量約占整車重量22%左右。電池包占比較大，提高電池能量密度勢在必行。

4.2 車身輕量化

就目前行業(yè)而言，車身輕量化已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。如特斯拉前期modle 3為為全鋁合金車身結(jié)構(gòu)。奧迪汽車很早就開發(fā)了全鋁合金車身技術(shù)，其采用的鋁合金車身生產(chǎn)技術(shù)使得車輛自動化水平程度達到80%，已基本上趕上了傳統(tǒng)鋼制車身水平。目前整車上鋁合金材料應用已成熟，大量量產(chǎn)車上已使用鋁合金汽車。但另一方面來看，雖然鋁合金等材料減重明顯，但因成本及工藝性等問題，經(jīng)濟性較差。

目前車身材料使用高強度鋼為主流，其強度高、經(jīng)濟性能良好，工藝成熟簡便。因高強度鋼材不僅具有較高的拉伸強度及屈服點，其碰撞的行性能大大超過普通鋼板，改善了車輛的安全性能。

4.3 復合材料及應用

塑料材料以其減重明顯、采購成本低廉等優(yōu)勢，在汽車中使用量近年上升明顯。據(jù)統(tǒng)計，目前汽車平均塑料用量約8～12%。目前汽車內(nèi)外飾件已基本全部實現(xiàn)塑料化。

圖8 汽車中常見塑料使用比率

如上圖為目前汽車中常用塑料所用比例，從上圖可看到，目前聚烯烴材料大量應用于整車，因其密度小、性能較好且成本低廉，已批量使用。

5 降低耗電系統(tǒng)功率

純電動汽車不同于燃油汽車，其中耗電功率較大的電器系統(tǒng)為電動冷暖空調(diào)，其中電氣附件附件能耗占到整車輸出能耗的10%～20%[12,13]，此外，在城市工況中，因為頻繁啟停的原因，比例將會更大。

就目前而言，整車空調(diào)系統(tǒng)能耗占到整車電器附件能耗的 60～80%，相對于燃油汽車而言，燃油汽車的采暖、除霜等功能可使用發(fā)動機余熱進行，而純電動汽車則需要單獨使用電能。因每臺車的設(shè)計工況不同，需要依設(shè)計條件匹配空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)功率太大時影響整車續(xù)航，但公里太小時則導致制冷效果不明顯。

6 結(jié)束語

提高純電動汽車續(xù)航里程是一個系統(tǒng)性問題，需要從各方面入手。單純的增加帶電量雖然可以提高整車續(xù)航，但帶電量增加導致車輛載質(zhì)量降低，且無可避免的增加了整車成本。本文從增加帶電量、提高傳動系統(tǒng)效率、輕量化、降低整車耗電附件等方面，提出了純電動汽車增加續(xù)航里程方法。