電動(dòng)汽車低溫續(xù)航里程影響研究

鄔立波 何劍飛 劉沛

摘 ?要：針對(duì)電動(dòng)汽車低溫續(xù)航痛點(diǎn)，基于不同熱管理系統(tǒng)對(duì)市場(chǎng)主流電動(dòng)汽車進(jìn)行分類，并闡述了各類系統(tǒng)的優(yōu)劣。選取6款主流電動(dòng)汽車進(jìn)行了低溫續(xù)航測(cè)試，并應(yīng)用能量流的分解方式，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)影響低溫續(xù)航的五大因素進(jìn)行深度剖析，發(fā)現(xiàn)高壓負(fù)載即整車熱管理系統(tǒng)是影響低溫續(xù)航優(yōu)劣的首要因素，最終針對(duì)熱泵系統(tǒng)，為進(jìn)一步挖掘熱泵系統(tǒng)潛能，從構(gòu)型和策略兩方面提出了7條建議，可作為參考以緩解電動(dòng)汽車低溫續(xù)航的痛點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；能量流；低溫續(xù)航；熱管理；電池加熱策略

中圖分類號(hào)：U467 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）04-0052-06

Research on the Influence of Low Temperature Range on Electric Vehicle

WU Li-bo， HE Jian-fei， LIU Pei

（ Pan Asia Technical Automotive Center， Shanghai 201201， China）

Abstract： In response to the pain points of low temperature driving range， mainstream electric vehicles in the market were classified based on different thermal management systems， and the advantages and disadvantages of each system were elaborated. Six mainstream electric vehicles were selected for low-temperature range testing， and an energy flow decomposition method was applied to conduct a deep analysis of the five major factors affecting low-temperature range based on test data. It was found that the high-voltage load， i.e. the vehicle thermal management system， is the primary factor affecting low-temperature range. Finally， for the heat pump system， in order to further explore the potential， seven suggestions were proposed from both configuration and strategy aspects， this can be used as a reference to alleviate the pain points of low temperature driving range for electric vehicles.

Key words： Electric Vehicle; Energy Flow; Low Temperature Range; Thermal Management; Battery Heating Strategy

前 ? ?言

隨著電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展，截至2022年，電動(dòng)汽車的滲透率已經(jīng)達(dá)到約27.6%，而電動(dòng)汽車由于當(dāng)前技術(shù)條件以及充電設(shè)施的限制，里程焦慮問(wèn)題一直困擾著電動(dòng)汽車車主，特別是在寒冷的北方，一到冬天就可以看到電動(dòng)汽車排隊(duì)充電的場(chǎng)景，車主們戲稱為“電動(dòng)爹”。

為了解決這一困擾車主的重要痛點(diǎn)，各廠家都進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究，從能量流的角度分析不同組成部分的影響差異[1-2]，從仿真角度研究不同熱泵系統(tǒng)構(gòu)型的影響[3]，從試驗(yàn)角度尋求能量流的高效測(cè)試方法[4-7]，共同為這一痛點(diǎn)的改善出謀劃策，而本文將從不同熱管理系統(tǒng)入手，從更為細(xì)致的能量流角度通過(guò)定量分析，基于系統(tǒng)思維來(lái)思考和研究低溫續(xù)航里程的改善策略。

1 ? ?熱管理系統(tǒng)分類

為了更好地進(jìn)行低溫續(xù)航影響研究，將現(xiàn)有主流熱管理系統(tǒng)分類如下，圖1（從左到右分別是：高壓電加熱系統(tǒng)，水源熱泵和雙源熱泵系統(tǒng)）：

第一類：高壓電加熱系統(tǒng)（PTC）。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是乘客艙和電池在低溫下的加熱均依靠PTC，因此理論上該系統(tǒng)能耗較大，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和價(jià)格相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)。

第二類：水源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是引入熱泵，通過(guò)水路將電池和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)的余熱回收，并通過(guò)熱泵串聯(lián)乘客艙和電池的熱需求，相比高壓電加熱系統(tǒng)，增加了余熱回收，但系統(tǒng)更為復(fù)雜，對(duì)熱管理控制和能量管理提出了更高要求，成本更高。但是該系統(tǒng)仍需要PTC用以應(yīng)對(duì)-10℃以下的極寒天氣（傳統(tǒng)熱泵的工作溫度通?！?10℃），同時(shí)部分主機(jī)廠采用電機(jī)堵轉(zhuǎn)發(fā)熱的方式可以有效降低PTC的匹配功率，達(dá)到降本的作用。

第三類：空氣源+水源雙熱泵系統(tǒng)。與水源熱泵系統(tǒng)相比，因?yàn)橐肓丝諝庠丛撓到y(tǒng)更為復(fù)雜，但其帶來(lái)的收益也是相當(dāng)可觀，因?yàn)樵诘蜏叵码姍C(jī)余熱有限，而空氣側(cè)的熱量則屬于免費(fèi)熱，借助空氣側(cè)和余熱回收可以在滿足乘客艙和電池?zé)嵝枨蟮那疤嵯聵O大降低PTC的運(yùn)行功率，達(dá)到節(jié)能和提升低溫續(xù)航里程的效果，介于此該系統(tǒng)的控制更為復(fù)雜，需要從系統(tǒng)能耗最優(yōu)的思維進(jìn)行控制策略的開(kāi)發(fā)和執(zhí)行。

2 ? ?試驗(yàn)車輛及規(guī)程介紹

為了探尋不同廠家應(yīng)用不同熱管理系統(tǒng)后低溫續(xù)航的差異并探尋電動(dòng)汽車低溫續(xù)航衰減的深層次原因，本次試驗(yàn)選取了行業(yè)內(nèi)主流的電動(dòng)汽車，并基于上述分類，每一類車型選擇2輛進(jìn)行低溫能耗試驗(yàn)，將其編號(hào)為：高壓電加熱系統(tǒng)：1A，1B，水源熱泵系統(tǒng)：2A，2B，空氣源水源熱泵系統(tǒng)：3A，3B。

試驗(yàn)規(guī)則及評(píng)估對(duì)比邏輯如下：

常溫續(xù)航試驗(yàn)參照純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程及經(jīng)濟(jì)性測(cè)試規(guī)范《GBT18386.1- 2021電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程實(shí)驗(yàn)方法》[8]，在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為23℃，空調(diào)不開(kāi)啟，測(cè)試獲得常溫續(xù)航里程R1（轉(zhuǎn)轂臺(tái)架試驗(yàn)由于存在駕駛員及設(shè)備運(yùn)行差異，試驗(yàn)結(jié)果存在～2%的誤差）。

低溫續(xù)航試驗(yàn)參照EV Test要求，試驗(yàn)條件為-7℃，空調(diào)開(kāi)啟并調(diào)節(jié)至外循環(huán)吹腳模式，保持頭部測(cè)點(diǎn)溫度20-22℃，前艙部分的測(cè)試接線詳見(jiàn)圖2，通過(guò)全里程測(cè)試獲得低溫續(xù)航里程R2。

最終確定車輛的低溫衰減百分比D=（R1-R2）/R1×100%，后續(xù)將使用該參數(shù)對(duì)個(gè)測(cè)試車輛進(jìn)行低溫衰減百分比的對(duì)比分析。

3 ? ?試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于測(cè)試數(shù)據(jù)，整理如表2，可以觀察到整體的低溫續(xù)航衰減率和前面理論分析較為一致，雙源熱泵系統(tǒng)>水源熱泵系統(tǒng)>高壓電加熱系統(tǒng)，進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)高壓電加熱系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)的衰減率差異并不是非常明顯，而雙源熱泵系統(tǒng)因?yàn)榇嬖诿赓M(fèi)的熱源，其潛力更大，能達(dá)到更好的低溫衰減效果。

從乘客艙熱管理策略可以發(fā)現(xiàn)，主流車型達(dá)到平衡溫度的溫升時(shí)間差異較大，平均在20分鐘左右，優(yōu)秀的車輛可以達(dá)到14分鐘，而最差的可以達(dá)到46分鐘，在乘客艙平衡溫度方面，各車型基本都保持在21℃左右，部分車型平衡溫度達(dá)到23℃，將對(duì)低溫續(xù)航改善有所影響。

從電池加熱策略可以發(fā)現(xiàn)，不同廠家的加熱方式不盡相同，主流加熱方式為持續(xù)加熱，還存在間歇加熱（電池溫度到達(dá)一定值后停止加熱，下降到一定值時(shí)開(kāi)啟加熱，間歇進(jìn)行）以及不加熱的方式，同時(shí)電池的平衡溫度從3-18℃，差異較大。

為了進(jìn)一步分析各車型及各系統(tǒng)低溫續(xù)航差異產(chǎn)生的原因，指導(dǎo)未來(lái)車型的高效開(kāi)發(fā)，將采用能量流分解的邏輯進(jìn)行深度分析。

3.1 ? 能量流分解邏輯

基于電池能量走向，按照?qǐng)D3進(jìn)行能量流分解。基于已有數(shù)據(jù)按照能量流影響權(quán)重大小為每一部分進(jìn)行編號(hào)分別為：① 高壓負(fù)載（包含高壓PTC，壓縮機(jī)，以及部分車型存在的電機(jī)低效模式）；② 道路阻力增加（因?yàn)榈蜏刈枇υ黾訉?dǎo)致的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗的增加，也包含低溫效率降低導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗增加）；③ 電池可用電量：由于低溫下電池衰減導(dǎo)致的可用電量減??；④ 能量回收：由于阻力增加導(dǎo)致的能量回收減少；⑤ 低壓負(fù)載：由于低溫下空調(diào)開(kāi)啟導(dǎo)致的低壓附件損耗的增加。

3.2 ? 高壓負(fù)載

基于整車能量流分析，通過(guò)功率分析儀實(shí)測(cè)試驗(yàn)車輛CLTC工況低溫續(xù)航高壓負(fù)載消耗能量EHV （kWh），除以低溫續(xù)航總時(shí)間TLT（h），計(jì)算出高壓負(fù)載功率PHV（kW）= EHV /TLT。若常溫單個(gè)CLTC循環(huán)電池凈放電量實(shí)測(cè)為E1BCN （kWh），對(duì)應(yīng)里程衰減率（%）= EHV /E1BCN ×14.48/R1×100。

其中：電池凈放電量通過(guò)電池總放電量減去電池能量回收計(jì)算得到。

常數(shù)14.48為單個(gè)CLTC循環(huán)總里程，單位km。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)算結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)車輛高壓負(fù)載平均功率1.64kW，對(duì)應(yīng)平均里程衰減率23.4%，是低溫續(xù)航衰減的主要原因。

3A、3B搭載雙源熱泵系統(tǒng)車型，高壓負(fù)載平均消耗1.09kW，表現(xiàn)最優(yōu)，1A、1B搭載高壓電加熱系統(tǒng)車型，高壓負(fù)載平均消耗2.23kW，表現(xiàn)最差，主要原因是由于雙源熱泵系統(tǒng)可以通過(guò)熱泵吸收環(huán)境中的熱量給乘員艙加熱，以達(dá)到節(jié)能的目的。

3.3 ? 道路阻力

同一臺(tái)車，在測(cè)試質(zhì)量相同的條件下，低溫路載相較于常溫路載阻力略高，主要有三個(gè)方面的原因：a.隨著環(huán)境溫度的降低，空氣密度會(huì)增大，從而空氣阻力會(huì)增加；b.受制于輪胎材料特性，低溫環(huán)境下滾阻會(huì)增大；c.低溫環(huán)境下動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油粘度增大，進(jìn)而機(jī)械內(nèi)阻會(huì)增加（某變速箱機(jī)油粘度隨溫度變化關(guān)系見(jiàn)圖5）。本次試驗(yàn)依據(jù)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在-7℃環(huán)境下設(shè)置低溫路載較常溫各個(gè)速度段增加10%。

同理基于功率分析儀實(shí)測(cè)試驗(yàn)車輛單個(gè)CLTC工況下低溫和常溫電機(jī)控制器輸入端的能量差值△ET（kWh），再除以單個(gè)CLTC循環(huán)工況所用時(shí)間T1CLTC，計(jì)算出單個(gè)循環(huán)工況下因低溫道路阻力增加所引起的整車平均需求功率增加PRL（kW）= △ET /T1CLTC。若低溫續(xù)航CLTC總循環(huán)次數(shù)為NCT，對(duì)應(yīng)里程衰減率（%）=△ET ×NCT /E1BCN×14.48/R1×100。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算如圖6所示，試驗(yàn)車輛因低溫環(huán)境道路阻力增加，所帶來(lái)的整車需求功率平均增加0.52kW，對(duì)應(yīng)平均里程衰減率7.6%。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，常溫單個(gè)循環(huán)路載消耗占循環(huán)凈放電量的比重越低，路載對(duì)里程衰減率影響越小，同時(shí)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)效率相關(guān)。

3.4 ? UBE衰減

試驗(yàn)車輛低溫工況電池包容量平均衰減率6.5%，對(duì)應(yīng)平均里程衰減率6.5%；

基于整車能量流分析，通過(guò)功率分析儀實(shí)測(cè)試驗(yàn)車輛CLTC工況低溫續(xù)航電池凈放電量EBCLT（kWh）和常溫續(xù)航電池凈放電量E1BCNT （kWh），即低溫電池包可用電量UBECT =EBCLT，常溫電池包可用電量UBENT=EBCNT，電池包容量衰減率（%）=（UBENT -UBECT ）/UBENT ×100，對(duì)應(yīng)里程衰減率（%）=（UBENT-UBECT）/E1BCNT×14.48/R1×100。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算如圖7，表3所示，UBE衰減率較小的車型都存在電池加熱，但需要綜合考慮高壓負(fù)載的增加和UBE的貢獻(xiàn)，使綜合衰減率最低。比如3B車型雖然 UBE 衰減率最大，但維持電池在5℃的高壓負(fù)載消耗非常低，衰減率仍優(yōu)于平均水平。

由此可見(jiàn)，針對(duì)不同類型電池包，需要對(duì)電池包加熱的目標(biāo)溫度、加熱方法所帶來(lái)的高壓負(fù)載消耗和UBE貢獻(xiàn)進(jìn)行尋優(yōu)平衡，以提高低溫續(xù)航。

3.5 ? 能量回收

基于整車能量流分析，通過(guò)功率分析儀實(shí)測(cè)車輛單個(gè)CLTC工況下低溫和常溫電機(jī)控制器輸出端能量回收差值△ER（kWh）為試驗(yàn)車輛單個(gè)循環(huán)低溫較常溫能量回收減少能量，對(duì)應(yīng)衰減率（%）= △ER×NCT /E1BCNT×14.48 / R1×100。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算如圖8所示，試驗(yàn)車輛平均單個(gè)循環(huán)能量回收減少0.14kWh，續(xù)航平均衰減率4%；

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，常溫單個(gè)循環(huán)路載消耗占循環(huán)凈放電量的比重越低，能量回收對(duì)里程衰減影響越小。主要原因是由于低溫路載的增加，導(dǎo)致整車?yán)碚摽苫厥盏膭?dòng)能減少，當(dāng)然低溫電機(jī)回收效率和回饋策略也是能量回收減少的原因之一。

3.6 ? 低壓負(fù)載

基于整車能量流分析，通過(guò)功率分析儀實(shí)測(cè)試驗(yàn)車輛CLTC工況低溫和常溫DCDC輸入端能量差值△EDCDC（kWh），除以低溫續(xù)航總時(shí)間TLT（h），計(jì)算出低壓負(fù)載功率增加PLV （kW）=△EDCDC ?/TLT ，對(duì)應(yīng)里程衰減率（%）=△EDCDC /E1BCNT×14.48/R1×100。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算如圖9所示，試驗(yàn)車輛平均低壓負(fù)載增加0.19kW，對(duì)應(yīng)平均里程衰減率2.9%；1B、1A表現(xiàn)最優(yōu)，低壓負(fù)載增加較少，3A、2B表現(xiàn)最差，低壓負(fù)載增加最多。主要原因是高壓電加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水泵等附件較少，因此低壓功耗較少。水源+空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，理論功耗最大。

3.7 ? 綜合影響

基于能量流邏輯拆分匯總后詳見(jiàn)圖10，可以發(fā)現(xiàn)如果將高壓負(fù)載，低效模式和可用電量衰減三部分相加，這部分衰減與整車低溫續(xù)航衰減存在著正相關(guān)的關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了熱管理系統(tǒng)在低溫續(xù)航改善中的重要作用，同時(shí)可以看到即使都采用同一大類型的熱管理系統(tǒng)，其能量流的組成差異相差較大，說(shuō)明行業(yè)內(nèi)關(guān)于電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)仍未形成相對(duì)統(tǒng)一的構(gòu)型和策略，其中原因部分是由于各個(gè)OEM的整車架構(gòu)存在較大差異，另一方面伴隨著電動(dòng)汽車快速增長(zhǎng)，為緩解低溫續(xù)航焦慮而引入的集成熱管理系統(tǒng)仍在發(fā)展階段，值得行業(yè)同仁投入更多的精力和智慧。

4 ? ?結(jié)論和總結(jié)

本文通過(guò)理論結(jié)合試驗(yàn)，從能量流路徑出發(fā)，詳細(xì)分析了影響低溫續(xù)航衰減的五大核心原因：高壓負(fù)載（包含電機(jī)低效模式），可用電量衰減，阻力增加導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗增加，能量回收減少以及低壓負(fù)載的增加，因此，為了提升電動(dòng)汽車的低溫續(xù)航能力，改善客戶低溫續(xù)航焦慮，提出有如下的改進(jìn)建議及措施：

4.1 ? 從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，高壓電加熱系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)相比，低溫衰減率的差異較小，因此針對(duì)部分對(duì)成本較為敏感以及布置難度較大的小型車輛，高壓電加熱系統(tǒng)可以作為潛在方案。

4.2 ? 而針對(duì)熱泵系統(tǒng)，為了盡可能發(fā)揮和挖掘熱泵系統(tǒng)潛能，本文提出如下改進(jìn)建議：

4.2.1 從結(jié)構(gòu)上建議如下：

a.盡可能縮短系統(tǒng)管路長(zhǎng)度，減少管路的沿程損失，例如采用集成管路的方法；

b.可以通過(guò)增加保溫材料的方法減少電池散熱，進(jìn)而減少PTC或者熱泵給電池的加熱需求，降低高壓負(fù)載；

c.針對(duì)水源熱泵，建議在成本可控的條件下增加空氣側(cè)回路，增加從空氣側(cè)搬運(yùn)免費(fèi)熱能的比例，從而大幅降低高壓負(fù)載，提升熱泵系統(tǒng)的能效；

4.2.2 從策略上建議如下：

a.可以通過(guò)優(yōu)化乘客艙加熱曲線的方式，在滿足乘客艙需求的條件下，尋求降低能耗的空間，其中包括溫升時(shí)間和平衡溫度；

b.可以通過(guò)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)外循環(huán)的比例，在保證沒(méi)有結(jié)霜的前提下盡可能降低乘客艙的熱需求；

c.優(yōu)化低溫下電池和乘客艙熱能分配策略。從試驗(yàn)可以看出高壓負(fù)載和電池低溫可用電量的衰減對(duì)應(yīng)低溫續(xù)航的影響權(quán)重分別是第一和第三，因此兩者的熱分配策略尤其重要，而該策略的差異受限于熱管理構(gòu)型的不同，最優(yōu)策略也不盡相同，建議廠家基于現(xiàn)有構(gòu)型進(jìn)行多輪試驗(yàn)，尋找低溫可用電量的增加和高壓負(fù)載消耗的平衡拐點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的熱能分配策略，提升低溫續(xù)航里程。

d.進(jìn)一步值得研究的是：電池的加熱策略，有加熱方式和平衡溫度兩個(gè)維度，加熱方式有先持續(xù)加熱，間歇加熱，高SOC加熱和低SOC加熱等多個(gè)水平，平衡溫度的范圍可以從5-20度不等（基于以往經(jīng)驗(yàn)溫度在10度以下相對(duì)較優(yōu)），在如此多變量的影響下，建議采用仿真和試驗(yàn)結(jié)合的方式尋求乘客艙電池分配策略及電池加熱策略的組合最優(yōu)解。

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