純電動汽車低溫適應性研究

韓友國　楊玉梅　付超

摘 要：由于純電動汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時間加長、動力性下降等問題，導致其在高寒地區(qū)的推廣應用較少。本文主要介紹了純電動汽車在高寒環(huán)境下的適應性研究方案，并結合具體車型的研究成果展開分析。所述的低溫環(huán)境適應性研究包含低溫冷啟動、除霜、采暖、直流/交流充電、動力性、經(jīng)濟性、可靠性、能量回收、以及制動操穩(wěn)性。

關鍵詞：純電動汽車;高寒;適應性

1 新能源汽車低溫適應性研究背景

作為全球第一大汽車消費國，我國汽車全球市場占有率多年來一直穩(wěn)居第一，其中傳統(tǒng)燃油汽車占據(jù)主導地位。但隨著環(huán)境污染日益嚴重，各地霧霾頻現(xiàn)，基于能源結構安全和環(huán)境保護壓力，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新能源汽車已成為主流。

2010年，國務院發(fā)布《關于加快培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，將新能源汽車列入國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。兩年后，國務院出臺《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012―2020年）》，將新能源汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)化目標具體化。隨后，國家接連出臺了一系列關于新能源汽車推廣應用的配套補貼優(yōu)惠政策，如：新能源汽車車輛購置補貼政策、免征新能源汽車車輛購置稅、支持充電基礎設施建設等。

在國家及地方政府一系列利好政策的支持下，經(jīng)過 10 多年的研究開發(fā)和示范運行，我國新能源汽車實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；娘w躍式發(fā)展。據(jù)中國新能源汽車大數(shù)據(jù)研究報告指出，截至2018年6月3日，我國新能源汽車市場保有量已經(jīng)突破200萬量;截至2018年7月15日，新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺已接入超過100萬輛各類新能源汽車，主要分布于京津冀、江浙滬、珠江三角洲等東中部地區(qū)。而西北與東北等高寒地區(qū)新能源汽車推廣應用卻寥寥可數(shù)。究其原因主要在于我國西北和東北地區(qū)冬季時間長且高寒，溫度低至-30℃甚至-40℃，而新能源汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時間加長、動力性下降等問題，導致其在高寒地區(qū)的推廣應用較少。基于以上，研究可應用于高寒環(huán)境的純電動汽車已刻不容緩，亟待研發(fā)與推廣。

2 純電動汽車低溫適應性研究

研究純電動汽車低溫環(huán)境適應性，通常在產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)通過分析整車使用環(huán)境，將目標分解至系統(tǒng)乃至零部件，然后在產(chǎn)品驗證階段依次進行由零部件到系統(tǒng)再到整車的低溫環(huán)境適應性驗證。其中，整車低溫環(huán)境適應性驗證分為臺架試驗驗證和實車道路試驗驗證。本文所講述的整車低溫環(huán)境適應性研究主要是指實車道路試驗驗證，各主大機廠通常會選擇在黑河、呼倫貝爾等高寒試驗場地進行上述研究。

本文所述的純電動汽車低溫環(huán)境適應性研究主要包含：低溫冷啟動、除霜、采暖、直流/交流充電、動力性、經(jīng)濟性、可靠性、能量回收、以及制動操穩(wěn)性，所述的高寒環(huán)境溫度通常在-20℃以下。

2.1 低溫冷啟動

低溫冷啟動，主要研究純電動汽車在高寒環(huán)境中冰凍24h以上后，車輛是否能全部一次性啟動成功，是否能夠保持正常行駛、行駛過程中三電系統(tǒng)可正常運轉、不出現(xiàn)拋錨、各項指標均正常。其中，電池一般低溫報警、限功率行駛視為整車保護策略，予以接受。

2.2 低溫除霜

由于冬季環(huán)境溫度較低時，車輛前擋風玻璃、主副駕側車窗玻璃容易起霜，這將直接影響駕駛員的視線，從而造成一定的安全隱患。因此，作為純電動汽車的標準配置，低溫除霜能力的驗證必不可少。

低溫除霜驗證主要通過在高寒環(huán)境下，使用裝有一定水量的噴壺均勻噴淋在前擋風玻璃及主副駕側車窗玻璃，模擬車輛起霜狀態(tài)，然后開啟空調系統(tǒng)除霜模式，觀察5min、10min、20min、25min等不同時間段的除霜能力。除霜能力通過在車窗內(nèi)表面描繪除霜面積蹤跡或拍攝照片記錄。以30min達到80%除霜面積為佳。圖1為某車型純電動汽車的除霜試驗結果，由圖可知，開啟除霜30min后，前擋風玻璃、左/右后視鏡除霜面積均超過80%，達到除霜目標要求，且視野良好，滿足整車正常駕駛需求。

2.3 低溫采暖

采暖是冬季高寒地區(qū)日常出行必不可少的一項功能，與傳統(tǒng)汽車采用發(fā)動機暖風水箱采暖的方式不同，純電動汽車多是采用電加熱管加熱的方式采暖。電加熱管的加熱性能和能耗，是影響純電動汽車采暖和續(xù)航的關鍵因素。因此，測試純電動汽車低溫采暖、保溫能力，監(jiān)控整車低溫采暖能耗，對于推廣純電動汽車應用，推進節(jié)能減排有重要意義。

低溫采暖主要驗證空調系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的工作可靠性，靜態(tài)與行車采暖時車輛的快速升溫和保溫能力，以及低溫采暖對車輛續(xù)航的影響。在進行低溫采暖試驗時，首先要對車輛主要位置（如：頭部、腳部、外溫、各出風口）進行溫度傳感器布點，然后選擇高寒天氣，分別在靜態(tài)、行車時開啟PTC，研究車輛主要位置的溫度變化情況、整車采暖能耗、采暖舒適性、以及開/閉PTC時的續(xù)航差異。

需要注意的是，采暖試驗中，整車的采暖效果受多個條件影響，自動空調與非自動空調的影響因素也不同。對于自動空調，只需要開啟空調AUTO模式，測試升溫、保溫、能耗及主觀舒適性即可;對于非自動空調，則需要考慮車輛靜態(tài)/動態(tài)、內(nèi)/外循環(huán)方式、PTC檔位、鼓風機檔位、吹風方式等，測試不同條件下整車的采暖效果。下表為某純電動汽車的高寒環(huán)境下采暖試驗數(shù)據(jù)，試驗條件為：汽車靜置狀態(tài)、開啟內(nèi)循環(huán)模式、溫度/鼓風機調至最大檔、吹面、吹腳模式。試驗過程中記錄空調開啟30min內(nèi)數(shù)據(jù)。

由表1可知，開啟空調5min后，吹面出風口、副駕出風口、主駕腳部出風口溫度可達40℃以上，制熱效果顯著。10min后，前后排頭部、腳部溫度達25℃左右，處于人體感覺舒適溫度范圍，滿足低溫條件下的快速升溫需求。15-30min期間，頭部腳部可溫度繼續(xù)升高，此時用戶可通過空調系統(tǒng)設置，自主、靈活地調節(jié)采暖效果 。

2.4 低溫充電

低溫充電試驗主要驗證車輛在高寒環(huán)境時，車輛充電功能與性能是否可靠。由于動力電池低溫充電能力明顯遜與低溫放電能力，甚至當溫度低于一定條件時，禁止給電池充電。因此廠家在設計車輛低溫充電功能時，通常采用預加熱的方式，也就是當環(huán)境溫度低于廠家所設定的可充電溫度，車輛進行充電時會率先對動力電池進行預加熱，當動力電池溫度提升至可充電溫度后再啟動充電，以保證車輛充電效率、充電速度、充電穩(wěn)定性和安全性。

純電動汽車充電分為交流慢充和直流快充兩種充電方式。交流慢充主要通過車載充電機、隨車充電線、充電樁進行充電，由于車載充電機功率較小，導致充電時間較長;直流快充主要通過快充樁進行充電，快充樁功率較大，可快速為車輛補電。低溫充電主要考察純電動汽車低溫環(huán)境下可充電性、充電過程無故障、充電時間符合要求。

圖2為所研究的某車型在-22℃環(huán)境下快充、慢充試驗結果。該車型快/慢充電分為三種模式：加熱模式（Tmin<-20℃）、充電加熱模式（-20℃≤Tmin<15℃）、充電模式（Tmin≥15℃）。Tmin指動力電池最低單體溫度。其中，-22℃快充結果圖中a、b、c分別代表加熱模式、充電加熱模式、充電模式，3h可充電至滿電。-22℃慢充結果圖中a和c代表充電加熱模式，b和d代表充電模式。由于慢充起始Tmin為-19℃，因此直接進入充電加熱模式，10h慢充至滿電。

2.5 低溫動力性

純電動汽車動力性主要受動力輸出源和動力輸出形式限制，即受動力電池、驅動電機、變速箱限制。低溫環(huán)境下，驅動電機與變速箱幾乎不受影響，動力電池成為影響整車動力性的關鍵因素。

動力電池的低溫放電性能和BMS控制策略是直接影響整車動力性的決定因素。在高寒環(huán)境下，電池的低溫放電性能大幅下降，BMS控制的電池允許最大放電電流也大幅減小，電池功率輸出減小，電驅系統(tǒng)功率供給受限，導致整車的動力性嚴重削弱。更有甚者，在極寒環(huán)境下，禁止動力電池輸出，從而導致整車完全失去動力。因此，純電動汽車低溫動力性研究勢在必行。

純電動汽車低溫動力性測試內(nèi)容包含車輛最高車速、加速性能、最大爬坡度以及坡道起步能力。在具體試驗過程中，還要測試在不同電池溫度、不同SOC、不同駕駛模式下的低溫動力性。建立健全低溫動力性數(shù)據(jù)庫，可為純電動汽車低溫性能指標的建立提供數(shù)據(jù)支持。

表2為某車型在-23℃環(huán)境下、50%-60%SOC時所測車輛最高車速、加速性能數(shù)據(jù)。由表可知，在低溫條件下，受電池溫度和SOC影響，電池放電能量下降，從而影響加速性能。同時，由于低溫環(huán)境下對空調采暖的需求，在開啟空調時，整車加速功率分配減小，整車動力性進一步削弱。

2.6 低溫經(jīng)濟性

純電動汽車低溫經(jīng)濟性指標通常指車輛低溫環(huán)境時能量消耗率。該試驗主要包含充電試驗、續(xù)駛里程試驗兩部分。在進行低溫能量消耗率試驗時，首先將車輛在室內(nèi)以慢充或快充方式充滿電，試驗過程中記錄充電過程中來自電網(wǎng)的能量E;然后將車輛置于高寒環(huán)境24h后，選擇城市道路或城郊道路進行續(xù)駛里程試驗，直至車輛切斷動力電池，記錄本次試驗的續(xù)駛里程D?？筛鶕?jù)車輛在常溫下續(xù)駛里程，計算車輛低溫續(xù)駛里程衰減情況。

能量消耗率C計算公式如下：

C=

低溫續(xù)駛里程衰減率計算公式如下：

ω=1-

其中，E為充電期間來自電網(wǎng)的能量，單位kwh，D為低溫續(xù)駛里程，單位km。D0為車輛公告續(xù)駛里程，單位km。

2.7 低溫可靠性

低溫可靠性主要通過車輛在高寒環(huán)境中進行10000公里加速耐久道路試驗，以驗證車輛的可靠性。10000km可靠性路試包含試驗場內(nèi)3500km和場外6500km試驗。其中場內(nèi)試驗路線包含強化壞路，ABS路面、壞路面等，場外試驗路線則由試驗場周邊周邊一般公路、市區(qū)道路以及高速道路組成。

2.8 低溫能量回收

通常將新能源汽車能量回收機制分為啟停系統(tǒng)、液壓儲能、飛輪儲能和制動能量回收4種，其中，在純電動汽車中較為常見的為制動能量回收。它主要通過回收車輛在慣性或制動中釋放出的多余能量，然后通過發(fā)電機將回收的能量轉化為電能，再存儲至動力蓄電池中。然而，由于低溫環(huán)境下路面易結冰，路面摩擦力明顯降低，若制動能量回收不合理，將導致車輛無法達到制動效果而失去平衡。低溫能量回收主要驗證車輛在能量回收過程中，能既滿足高效地回收能量用于電能儲備，又要不能因為回收強度較高，導致車輛失控。

該試驗首先將整車置于高寒環(huán)境下24h，然后分別在城市工況和城郊工況下進行道路試驗，記錄試驗過程中電流、電壓、溫度、SOC、行駛里程等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析計算出車輛能量回收效率;記錄車輛行使過程中制動時的主觀感受，如：是否拖拽感太強、是否出現(xiàn)車輛失控、制動時駕駛員是否有明顯的不適感。同時，驗證低溫環(huán)境不同SOC下緊急制動時回充電流是否符合設計要求，一般SOC大于95%時不允許能量回收。

2.9 制動、操穩(wěn)

除了上述試驗項目外，還需關注車輛在冰雪復雜路面上的行駛性能?？赏ㄟ^定圓操控、雪地繞樁、冰雪路面制動、冰雪路面過渡水泥路面的對接測試、以及車輪一側在冰面一側在水泥路面的對開測試等，以驗證車輛的制動、操穩(wěn)性能。

3 結論

本文主要介紹了純電動汽車在高寒環(huán)境下的9項適應性研究，包含車輛冷啟動、除霜、采暖、直流/交流充電、動力性、經(jīng)濟性、可靠性、能量回收、以及制動操穩(wěn)性。通過上述研究，可為純電動汽車在高寒地區(qū)的推廣應用提供可靠依據(jù)。

*奇瑞全鋁車身A0級純電動SUV研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化（編號：16030901035）資助。

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