電動(dòng)汽車低溫續(xù)航里程研究

王真 陳健龍

摘 要：電動(dòng)汽車在冬季行駛時(shí)，由于電池容量衰減、行駛阻力變化及空調(diào)能耗增加，續(xù)航里程嚴(yán)重縮短，對(duì)用戶的使用造成極大不便。因此，對(duì)電動(dòng)汽車冬季續(xù)航能力進(jìn)行研究和評(píng)估對(duì)于用戶和汽車生產(chǎn)商尤為重要。文章通過(guò)理論推導(dǎo)及實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)電池充放電特性、空調(diào)加熱能耗及低溫行駛阻力三方面影響因素進(jìn)行分析，并建立電動(dòng)汽車低溫續(xù)航里程模型。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車低溫續(xù)航性能;電池充放電特性;空調(diào)能耗

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-01-05

Abstract： When electric vehicles are driving in winter， due to the attenuation of battery capacity， the change of driving resistance and the increase of air conditioning energy consumption， the endurance mileage is seriously shortened， which causes great inconvenience to users. Therefore， it is very important for users and automobile manufacturers to study and evaluate the winter endurance capability of electric vehicles. Based on the theoretical derivation and the actual test data， this paper analyzes the battery charging and discharging characteristics， air conditioning heating energy consumption and low-temperature driving resistance， and establishes the low-temperature range model of electric vehicles.

Keywords： Electric vehicle low temperature endurance performance; Battery charging and discharging characteris -tics; Air conditioning energy consumption

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-01-05

前言

續(xù)駛里程是整車性能指標(biāo)中最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，也是目前決定純電動(dòng)汽車能否被市場(chǎng)所接受和被廣泛應(yīng)用的最主要因素。受制于電池技術(shù)的瓶頸，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程仍然不能使人滿意，這一點(diǎn)在冬季的低溫環(huán)境下體現(xiàn)的尤為明顯。

因此，對(duì)低溫續(xù)航里程影響因素分析并對(duì)低溫續(xù)航里程精確估算，并以此指導(dǎo)電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)、為消費(fèi)者使用提供準(zhǔn)確參考具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文分析環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)汽車電池容量、行駛阻力、附加能耗的影響，并在此基礎(chǔ)上建立電動(dòng)汽車低溫續(xù)航里程的計(jì)算模型，對(duì)電動(dòng)汽車的低溫續(xù)航里程進(jìn)行評(píng)估。

1 電動(dòng)汽車低溫續(xù)航里程的影響因素

電動(dòng)汽車低溫續(xù)航里程是指電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下，對(duì)動(dòng)力蓄電池完全充電后，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離。

電動(dòng)汽車低溫車?yán)m(xù)航里程取決于電池電量和車輛能耗兩方面因素。其中，電池電量主要受電池充放電特性、電池標(biāo)稱電量影響，而車輛能耗主要受行駛阻力變化、附件能耗變化影響。本文分別對(duì)電池充放電特性、附件能耗和行駛阻力變化等方面進(jìn)行分析，進(jìn)而確定電動(dòng)汽車冬季續(xù)航里程衰減的原因。

1.1 動(dòng)力電池的低溫充放電特性

作為電動(dòng)汽車的唯一能量源，動(dòng)力電池性能對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航性能有著決定性影響。但是在低溫環(huán)境下，動(dòng)力電池的充放電性能都有顯著衰減：由于在低溫環(huán)境中，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流的速度比室溫條件下慢很多，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，這種化學(xué)反應(yīng)變得極為緩慢，電池就沒(méi)電了。

為了研究動(dòng)力電池在不同溫度下的充放電特性，按照QC/T 743-2006《電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池》的規(guī)定，對(duì)某一鋰離子電池分別在室溫、0℃、-10℃和-20℃四種環(huán)境條件下進(jìn)行充放電容量測(cè)試，充放電電流均為1/3C倍率。

隨著環(huán)境溫度的下降，電池的恒流充電容量逐漸降低，尤其當(dāng)溫度低于-20℃時(shí)，電池的恒流充電容量下降較快，主要原因是隨著溫度降低，電池的整體內(nèi)阻增大造成歐姆極化增大，電化學(xué)極化增大和濃差極化提前，使充電電壓很快達(dá)到充電上限電壓，充電方式很快由恒流充電轉(zhuǎn)化為恒壓充電。

隨著溫度的降低，鋰離子電池的放電容量和放電平臺(tái)電壓都有所下降，尤其當(dāng)溫度低于-20℃時(shí)，電池的放電容量下降較快。這是因?yàn)殡S著溫度的降低，電解液的離子電導(dǎo)率隨之降低，電極材料活性降低，導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化均增大。在電池的放電曲線上表現(xiàn)為放電容量隨著溫度降低而降低。

1.2 附件能耗

電動(dòng)汽車附件能耗是指電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中，除去動(dòng)力能耗（即電動(dòng)機(jī)能耗）外的其他輔助設(shè)備能耗，主要包括：車艙空調(diào)能耗、電池保溫系統(tǒng)能耗、車燈能耗、移動(dòng)設(shè)備充電能耗等。其中，車艙空調(diào)能耗為汽車中能耗最大的輔助設(shè)備，受使用環(huán)境的影響比較大。

汽車空調(diào)的負(fù)荷主要由以下部分構(gòu)成：新風(fēng)負(fù)荷、太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷、車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱負(fù)荷、發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳熱及由人體散熱、車內(nèi)電子器件散熱等構(gòu)成的其他負(fù)荷。

1.2.1 車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱部分

在汽車空調(diào)運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)外會(huì)維持一定的溫差。由此，熱量會(huì)在車內(nèi)外通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞，從而給空調(diào)造成一部分的負(fù)荷。汽車圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常由多層構(gòu)成，每層性質(zhì)各不相同，且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使得計(jì)算車體導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的難度非常大。然而，對(duì)于熱負(fù)荷計(jì)算而言，關(guān)注更多的是維持車內(nèi)外一定溫差時(shí)所需的熱量，因此可測(cè)定整個(gè)車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)，以便計(jì)算維持一定溫差時(shí)所需的熱量。根據(jù)傳熱學(xué)已知：

由圖1可知，隨著環(huán)境溫度降低，滾阻溫度修正系數(shù)逐步增大，即滾動(dòng)阻力隨著環(huán)境溫度的降低而逐步增大;在-20℃的環(huán)境溫度下，車輛的滾動(dòng)阻力將增大為25℃下滾動(dòng)阻力的1.56倍。

1.3.3 傳動(dòng)系阻力

變速箱的機(jī)油溫度與周圍環(huán)境的溫度成線性關(guān)系：當(dāng)外部溫度降低10℃時(shí)，變速箱中機(jī)油溫度降低8～10℃。而機(jī)油溫度的變化會(huì)對(duì)潤(rùn)滑條件產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)傳動(dòng)系阻力產(chǎn)生影響。為了明確環(huán)境溫度對(duì)變速箱阻力的影響，對(duì)某電動(dòng)車型的變速箱的拖滯阻力進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2中3條曲線分別為在60、80、90℃條件下測(cè)得的變速箱阻力隨變速箱轉(zhuǎn)速變化曲線：隨著變速箱溫度的降低，變速箱的拖滯阻力逐步增大，而且該增大值在變速箱不同轉(zhuǎn)速下近似為一定值;在60℃～100℃溫度范圍內(nèi)，變速箱溫度每降低20℃時(shí)，該變速箱拖滯阻力增大1～2Nm。

2 低溫續(xù)航里程模型構(gòu)建

對(duì)于純電動(dòng)汽車，車輛行駛時(shí)需克服行駛阻力做功，并提供附件需要的功率，即動(dòng)力電池的輸出功率必須滿足汽車行駛過(guò)程中的需求功率。因此，為了評(píng)估電動(dòng)汽車在給定條件下的低溫續(xù)航里程，需要對(duì)動(dòng)力電池的充放電特性、空調(diào)能耗、低溫行駛阻力及續(xù)航里程計(jì)算進(jìn)行建模。

2.1 電池模型構(gòu)建

由1.1部分可知，動(dòng)力電池的充放電特性容易受到環(huán)境溫度的影響，在不同溫度條件下其充放電容量和充放電平臺(tái)電壓都有明顯變化，在忽略單體電池之間一致性的前提下，認(rèn)為單體電池經(jīng)過(guò)各種組合方式組合成動(dòng)力電池包之后，其充放電特性基本不發(fā)生變化，因此，可以得到動(dòng)力電池的充放電等效模型：

2.2.1 車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱負(fù)荷

由式（3）可知，對(duì)于確定的車型，若在試驗(yàn)中給定車體內(nèi)部的熱源發(fā)熱量，并測(cè)定車內(nèi)外的平均溫差，即可計(jì)算出車體綜合傳熱系數(shù)K，由此可反推不同工況下維持車內(nèi)外固定溫差所需要的熱量Q。

為了確定車體綜合傳熱系數(shù)K，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所根據(jù)上述思路進(jìn)行了試驗(yàn)：將所有車窗、車門關(guān)閉并將空調(diào)模式調(diào)整至內(nèi)循環(huán);電加熱置于前后排座位上，開(kāi)啟空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)，并將HVAC模式調(diào)整為吹面模式，使得車內(nèi)溫度的不均勻度盡可能降低;待各溫度測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值穩(wěn)定后，記錄電加熱功率，并根據(jù)式（3）對(duì)車體綜合傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的測(cè)試工況如表1所示。

車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2中的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：隨著車速的上升，車體綜合傳熱系數(shù)成上升趨勢(shì)。

2.2.2 新風(fēng)負(fù)荷

由式（4）可知，測(cè)定不同車內(nèi)外風(fēng)速及空調(diào)工作狀態(tài)下的車內(nèi)外壓差，再使用風(fēng)量測(cè)量裝置測(cè)定不同壓差下的風(fēng)量，即可測(cè)得不同工況下車體的新風(fēng)量。

按照該思路，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

3 總結(jié)與建議

本文針對(duì)電動(dòng)汽車冬季續(xù)航里程衰減問(wèn)題，分析了電動(dòng)汽車低溫續(xù)航里程衰減的主要因素，進(jìn)而通過(guò)理論推導(dǎo)及實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)電池充放電特性、空調(diào)加熱能耗及低溫行駛阻力三方面影響因素進(jìn)行分析，并建立電動(dòng)汽車低溫續(xù)航里程模型，明確了阻力、電池衰減及空調(diào)使用等不同因素對(duì)電動(dòng)汽車低溫續(xù)航衰減的影響占比。

由上述分析可知在低溫環(huán)境下空調(diào)的使用、電池容量衰減及行駛阻力的增大使電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航產(chǎn)生衰減。因此本文分別從車輛設(shè)計(jì)和車輛使用兩個(gè)方面提出電動(dòng)汽車在低溫條件下續(xù)航性能改善的建議，主要有以下措施：

（1）設(shè)計(jì)電池加熱裝置：動(dòng)力電池在低溫條件下的充電及放電容量衰減較大，建議為動(dòng)力電池設(shè)計(jì)電池加熱裝置，自動(dòng)為電池加熱并保溫，使動(dòng)力電池在最佳溫度狀態(tài)下工作，減少電池衰減電量。

（2）開(kāi)發(fā)新的續(xù)航里程儀表提醒策略：用戶在出行前通常會(huì)參考電動(dòng)汽車儀表上顯示的車輛可用續(xù)航里程，避免出現(xiàn)車輛中途拋錨、不能達(dá)到目的地等不便問(wèn)題。但是大多數(shù)電動(dòng)汽車的儀表續(xù)航里程都只是常溫工況下的理想續(xù)航里程，沒(méi)有考慮氣溫及空調(diào)使用對(duì)電動(dòng)汽車性能的影響，給用戶帶來(lái)極大的困擾和不便，因此建議開(kāi)發(fā)新的續(xù)航里程儀表提醒策略，為用戶提供更精準(zhǔn)的續(xù)航性能參考，改善用戶的使用體驗(yàn)。

（3）采用效率更高的熱泵系統(tǒng)取暖：當(dāng)前電動(dòng)汽車多采用給電阻加壓產(chǎn)生焦耳熱的方式進(jìn)行車艙供暖，這種制熱方式效率較高，故在低溫時(shí)極大地增加了車輛的能耗。因此建議公司采用效率更高的熱泵系統(tǒng)代替PTC電加熱器。

（4）車輛停放位置：在冬季氣溫較低的天氣下，建議用戶在車輛不運(yùn)行時(shí)盡量將汽車停放在溫暖的室內(nèi)停車庫(kù)里面。

（5）使用內(nèi)循環(huán)：電動(dòng)汽車在低溫條件下空調(diào)耗電量占比較大，其中很大一部分由新風(fēng)負(fù)荷負(fù)荷造成。因此建議用戶在低溫環(huán)境下盡量使用內(nèi)循環(huán)模式取暖，以減小新風(fēng)負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)

[1] 余志生.汽車?yán)碚摰?版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 張子琦等.電動(dòng)汽車冬季負(fù)荷特性研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2016，37（54）： 39-44.

[3] 楊云等.EV/PHEV車輛制冷，制熱，除濕和除霜同時(shí)成立的高效熱泵系統(tǒng).中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)論文集，2016： 248-252.

[4] 陳德兵等.低溫對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響分析[J].客車技術(shù)與研究，2012（2）：49-51.

[5] 張富興等.我國(guó)汽車滑行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分析與改進(jìn)建議[J].北京汽車， 2012，2：003.

[6] 張艷輝.環(huán)境溫度對(duì)汽車滑行阻力的影響及校正[J].中國(guó)汽車保修設(shè)備，1992（1）：42-43.

[7] Laurikko.Realistic estimates of EV range based on extensivela bora -tory and field tests in Nordic climate conditions[C]. Electric Vehi -cle Symposium and Exhibition（EVS27），2013 World，2013：1- 12.