基于能量流分析的電動汽車低溫能耗研究*

劉頔 滕欣余 張國華 付智城 馬仕昌

（1.北京卡達克科技中心有限公司，北京 100000；2.中國汽車技術研究中心有限公司，北京 100000；3.北京交通大學，國家能源主動配電網(wǎng)技術研發(fā)中心，北京 100044）

主題詞：電動汽車 能量流 能量損耗 低溫環(huán)境 中國輕型汽車測試循環(huán)-乘用車工況

1 前言

電動汽車（Electric Vehicle，EV）已成為汽車行業(yè)節(jié)能減排的重要解決方案[1]，現(xiàn)階段，用戶仍對EV的續(xù)駛里程存在一定焦慮。為了緩解這一問題，相關研究人員進行了一系列研究，其中，利用能量流分析方法從整車層面對車輛能耗進行測試分析并提出優(yōu)化措施，是提高車輛能量效率并提升續(xù)駛里程的一種有效手段。

Zeng 等[2]利用能量流分析方法研究了混合動力汽車能量轉換過程中的能耗耦合特性，并建立了燃料消耗量模型。Dong 等[3]以插電式混合動力汽車和傳統(tǒng)汽車為研究對象，利用能量流分析方法量化了能量分布，揭示了混合動力汽車的節(jié)能原理。Zhu等[4]利用能量流分析方法研究了重型車輛瞬時能量流的分布規(guī)律。Zhang等[5]搭建了能量流測試平臺，研究了不同溫度下插電式混合動力汽車在動力傳輸過程中的能耗和效率特性。張微等[6]建立了EV 行駛過程中的能量流數(shù)學模型，全面評價了測試車輛的能耗特性。李敏等[7]制定了能量流測試方案，研究了EV 在常溫和低溫下的能耗分布。宋政委[8]針對EV 的能量流進行試驗分析，對車輛不同狀態(tài)下的能量流和車輛關鍵部件的能耗進行了研究。黃偉等[9]設計了EV 能量流測試方案，并基于電耗模型進行了多方面的電耗優(yōu)化分析，改善了EV的能耗。

盡管已有研究利用能量流分析方法對EV的能耗進行了測試，但目前關注到溫度的研究較少，尤其是低溫對EV能量流的影響，并且現(xiàn)有研究對EV的實際使用場景考慮不夠充分。針對以上問題，本文以某款EV為研究對象，考慮其整車單次續(xù)駛和分段續(xù)駛2種常見使用場景，利用能量流分析方法對其低溫能耗進行重點研究，揭示不同低溫環(huán)境下EV能量流的差異以及關鍵部件的能耗特性，為整車能耗優(yōu)化和續(xù)駛里程提升提供依據(jù)。

2 測試方案

本文的測試對象為某款電動乘用車，車輛主要技術參數(shù)如表1所示。測試在高低溫環(huán)境艙中進行，設置環(huán)境溫度分別為-10 ℃和-20 ℃，以探究車輛在低溫條件下的能耗情況。圖1所示為測試場景，主要測試設備包括底盤測功機、CANoe、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器以及踏板位移傳感器等。

圖1 低溫能耗測試場景

表1 試驗車輛主要技術參數(shù)

目前使用較多的車輛測試工況有全球輕型汽車測試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）工況和中國輕型汽車測試循環(huán)-乘用車（China Light-duty vehicle Test Cycle-Passenger，CLTC-P）工況，相較于WLTC 工況，CLTC-P工況更偏重中低速場景，更接近中國實際道路工況。完整的CLTC-P工況持續(xù)時間為1 800 s，包括低速、中速、高速3個速度區(qū)間，工況平均車速為28.96 km/h，平均行駛速度為37.18 km/h，最高車速為114 km/h。CLTC-P和WLTC工況的車速-時間曲線如圖2所示。

圖2 CLTC-P和WLTC工況車速-時間曲線

考慮車輛單次長距離續(xù)駛使用場景和多次短距離續(xù)駛使用場景，測試分為整車單次續(xù)駛和整車分段續(xù)駛2種工況，在2種工況下均開展-10 ℃和-20 ℃環(huán)境溫度試驗。整車單次續(xù)駛測試的測試方法為：將車輛充滿電后，在環(huán)境艙中浸車約10 h，之后進行CLTC-P 工況測試，直至達到車輛行駛截止條件，最后在25 ℃條件下將車輛充滿電，記錄總充電量。整車分段續(xù)駛測試的測試方法為：將車輛充滿電后，在環(huán)境艙浸車約10 h，之后進行CLTC-P 工況測試，每2 個循環(huán)后中斷測試并浸車約10 h，重復以上流程直至達到車輛行駛截止條件，最后在25 ℃條件下將車輛充滿電，記錄總充電量。以上測試過程中，車內空調設置為23 ℃、自動風。

3 能量流模型

由于EV以鋰離子動力電池為唯一動力源，而鋰離子電池的性能受溫度影響較明顯，本文對低溫環(huán)境下車輛的能耗進行研究，重點分析車輛行駛過程中電能傳輸部分的能量流情況，機械部分的詳細能量流分析不在本文討論范圍內。車輛行駛過程中電能的流動路徑如圖3所示。

圖3 電能傳遞路徑示意

由圖3 可知，低溫環(huán)境下EV 行駛過程中能量流主要有3 條傳遞路徑。為了定量研究車輛行駛能耗以及主要部件的能耗和工作效率，本文建立了電能傳遞過程中的能量流分析模型，車輛百公里電耗C、動力電池低溫放電效率ηb、車載充電機效率ηm、電機驅動效率ηdri和能量回收轉換效率ηrec分別為：

式中，E為電池充電量（充電樁）[9]；D為車輛行駛距離；Edis、Echa分別為電池放電量和實際充電量；Eax、Emot分別為車輛半軸端能量和電機控制器輸出能量；Em-rec、Eax-rec分別為電機控制器實際回收能量和半軸端可回收能量。

4 測試結果與能量流分析

4.1 測試結果分析

根據(jù)測試結果，本文首先分析低溫環(huán)境下EV 百公里電耗和測試過程中的動力電池溫度、放電性能以及工作點，目的是從動力電池的角度探究EV 低溫續(xù)駛里程下降的原因及行駛工況對續(xù)駛里程的影響。

4.1.1 百公里電耗和續(xù)駛里程分析

4種測試條件下被測車輛的續(xù)駛里程、電池充電量和計算得到的百公里電耗如表2所示。

表2 EV低溫測試結果

在續(xù)駛里程方面：相比于整車單次續(xù)駛，-10 ℃條件下分段續(xù)駛里程衰減29.19%，-20 ℃條件下分段續(xù)駛里程衰減27.94%；相比于-10 ℃條件下的測試結果，-20 ℃條件下單次續(xù)駛里程衰減22.72%，分段續(xù)駛里程衰減21.37%。

在百公里電耗方面：相比于整車單次續(xù)駛，-10 ℃條件下分段續(xù)駛電耗增加40.16%，-20 ℃條件下分段續(xù)駛電耗增加26.14%；相比于-10 ℃條件下的測試結果，-20 ℃條件下單次續(xù)駛電耗增加23.62%，分段續(xù)駛電耗增加11.26%。

由上述分析可知，更低的環(huán)境溫度和分段行駛工況都會縮短EV低溫續(xù)駛里程，同時車輛的百公里電耗也會增加。

4.1.2 動力電池溫度分析

整車單次續(xù)駛及分段續(xù)駛測試過程開始時溫度最低的單體在不同測試條件下的溫度變化情況如圖4 所示。從圖4 中可看出：-10 ℃分段續(xù)駛測試中電池在有效工況循環(huán)內的溫度區(qū)間為-10～5 ℃，在-20 ℃時溫度區(qū)間為-20～0 ℃；在單次續(xù)駛的2組測試中，-10 ℃的電池運行溫度區(qū)間為-10～15 ℃，在-20 ℃則為-20～10 ℃，相對于分段續(xù)駛場景，電池工作溫度均有所提高。

圖4 電池溫度與工況關系

在完整的循環(huán)測試過程中，電池系統(tǒng)中最低溫度單體的溫度特性如表3所示，其中C1～C4分別代表第1個循環(huán)～第4個循環(huán)。由表3可知，分段續(xù)駛條件下最低溫度單體的平均溫度基本處于0 ℃以下，且-20 ℃工況下循環(huán)1、循環(huán)2、循環(huán)4結束時最低溫度單體的溫度仍未上升至0 ℃。結合電池溫度狀態(tài)，分段續(xù)駛狀態(tài)下動力電池基本工作在0 ℃以下，持續(xù)低溫影響了動力電池的充放電性能。

表3 最低單體溫度特性

4.1.3 動力電池低溫放電分析

續(xù)駛測試結束后，在室溫下對被測試車輛進行充電，記錄動力電池母線端充電量和充電樁輸出電量，即電池實際充電量Echa和電池充電量（充電樁）E，電池放電量Edis在續(xù)駛測試中記錄。通過以上數(shù)據(jù)計算動力電池低溫放電效率和車載充電機充電效率，結果如表4所示。

表4 EV動力電池測試與分析結果

從電池放電量Edis來看，-20 ℃條件下單次和分段續(xù)駛放電量均少于-10 ℃條件下相應放電量，且同溫度條件下分段續(xù)駛放電量均少于單次續(xù)駛放電量，這說明低溫環(huán)境影響了電池的放電能力。與此同時，電池放電量與實際充電量的比值可以側面反映電池在運行過程中的放電效率，從結果來看，低溫環(huán)境影響了電池的放電效率。充電過程中，不同條件下車載充電機效率基本相近。綜上，低溫導致的電池放電能力受限和放電效率降低均為車輛整體續(xù)駛里程衰減的影響因素。

4.1.4 動力電池工作點分析

選取3 組有代表性的數(shù)據(jù)對動力電池低溫運行過程中具體的電流、電壓工作點分布情況進行分析，選取的數(shù)據(jù)為-10 ℃單次續(xù)駛過程中第1個、第4個和第8個CLTC-P 工況循環(huán)的測試數(shù)據(jù)，如圖5 所示。在第1 個循環(huán)中，電壓工作點最低，而第4 個和第8 個循環(huán)過程的電壓工作點較高，原因是第1 個循環(huán)中，電池溫度從-10 ℃升高到了0 ℃附近，溫升近10 ℃，而第4個和第8 個循環(huán)過程中，動力電池溫度基本在5～10 ℃范圍內，溫升較小，溫升導致電池極化作用降低，電壓回升。對3個循環(huán)的測試數(shù)據(jù)進行線性擬合，以斜率表示電池工作內阻[8]，發(fā)現(xiàn)第1個循環(huán)的內阻約為0.366 9 Ω，第4和第8 個循環(huán)中內阻分別為0.226 6 Ω和0.219 1 Ω左右，溫度對電池內阻的影響較大。

圖5 -10 ℃單次續(xù)駛動力電池工作點分布

4.2 能量流分析

4.2.1 能量流圖

根據(jù)實際測試循環(huán)，電池輸出電能經(jīng)高壓配電盒流向電機控制器、DC/DC電源變換器和電加熱器，分別用于驅動車輛、低壓負載供電以及乘員艙采暖。以-10 ℃單次續(xù)駛為例，根據(jù)測試結果繪制了整車電能傳遞部分的能量流，如圖6所示。

圖6 -10 ℃單次續(xù)駛能量流

根據(jù)圖6，將電池母線、電機控制器電能劃分為用于驅動的能量和回收的能量2個部分，半軸及輪端進行相同的處理，不同試驗條件下車輛能量分布情況如表5、表6所示。

表5 單次續(xù)駛主要部件能量流動值 kW·h

表6 分段續(xù)駛主要部件能量流動值 kW·h

由表5、表6可知，低溫環(huán)境下電池能量回收明顯受限，且分段續(xù)駛工況下電池性能處于較低溫度水平（見4.1.2節(jié)），該工況下電池回收電量的衰減更加明顯。比較表中各部件能耗可以得到以下結果：

a.測試過程中，低溫導致電池能量回收能力受限。-10 ℃和-20 ℃條件下分段續(xù)駛工況較單次續(xù)駛工況動力電池端回收電量均大幅衰減；-20 ℃相比于-10 ℃條件下單次續(xù)駛動力電池端回收電量衰減了45.89%。

b.整個續(xù)駛測試過程中電加熱器能耗占比較高，4種續(xù)駛工況下電加熱器能耗占比均在39%以上。

綜上所述，電加熱器的高能耗以及低溫導致能量回收能力受限，回收電量降低是低溫續(xù)駛里程衰減的主要原因之一。

4.2.2 能量流分析

從圖4 可以看出：-10 ℃單次續(xù)駛測試共包括12個CLTC-P 工況循環(huán)，分段續(xù)駛測試包括7 個CLTC-P工況循環(huán)；-20 ℃單次續(xù)駛測試共包括9 個CLTC-P 工況循環(huán)，分段續(xù)駛測試包括6 個CLTC-P 工況循環(huán)。以-10 ℃測試為例，計算單次續(xù)駛中每次完整CLTC-P工況循環(huán)電機控制器至輪端的“電-機械”驅動轉化效率與回收電量，并與分段續(xù)駛測試進行對比，結果如圖7所示。

圖7 不同續(xù)航工況下驅動效率和能量回收結果

從驅動轉換效率來看，除了首次循環(huán)時效率略低外，其余循環(huán)工況下驅動效率基本相同，雖存在波動，但與溫度的直接關聯(lián)并不明顯，即驅動能量效率受低溫環(huán)境的影響較小。從回收能量來看，首次循環(huán)時動力電池能量回收能力嚴重受限，回收能量基本為0，隨著電池溫度升高，能量回收能力明顯提升。通過以上分析，低溫環(huán)境下能量回收能力受限是EV車輛續(xù)駛里程下降的主要原因。

根據(jù)分段續(xù)駛及單次續(xù)駛測試結果，低溫使得電加熱器能耗增加。由于單次續(xù)駛工況下電池經(jīng)過完整的升溫過程，并且考慮到-20 ℃條件下電池放電能力受限，電加熱器功率波動性強，故以-10 ℃單次續(xù)駛測試為例分析低溫行駛過程中電加熱器能耗及其與溫度的關系。計算-10 ℃單次續(xù)駛測試過程中電加熱器能耗占比和動力電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）變化量ΔSOC，如圖8所示。

圖8 -10 ℃單次續(xù)駛工況電加熱器能耗占比、ΔSOC與溫度的關系

從圖8中可以看出，測試開展至第3個循環(huán)，溫度最低的單體升溫至3 ℃以上，電池工作狀態(tài)逐漸平穩(wěn)，第3個、第4個循環(huán)及之后電池溫升和SOC變化情況基本相同。隨著溫度最低單體的溫度升高，電加熱器能耗逐漸降低，前4 個循環(huán)電加熱器能耗占比分別為57.15%、51.84%、34.98%、35.99%，進行至第3個循環(huán)，電加熱器能耗已經(jīng)趨于穩(wěn)定。從整體能量分配來看，整個續(xù)駛過程中電加熱器能耗占比均較高，約為40%～50%。所以，電加熱器高能耗是整體續(xù)駛里程衰減的主要影響因素之一。

最后，計算部分車輛低壓負載能耗，以及DC/DC 電源變換器輸入、輸出能量，結果如表7所示。除-10 ℃分段續(xù)駛外，其他3 種續(xù)駛測試工況下DC/DC電源變換器的轉換效率均在70%附近，差別不大。在所有車輛低壓用電器中，中控屏為主要耗能器件。在-10 ℃整車單次續(xù)駛試驗中，中控屏能耗占DC/DC電源變換器端輸出的70.91%，-20 ℃整車單次續(xù)駛試驗中，中控屏能耗占DC/DC電源變換器端輸出的87.44%。

表7 DC/DC電源變換器輸入、輸出能耗及效率

5 結束語

本文以某款電動汽車為測試對象，考慮EV 的2 種常見續(xù)駛場景，采用CLTC-P工況設計了整車單次續(xù)駛和分段續(xù)駛2 種測試工況，分別在-10 ℃和-20 ℃條件下開展了續(xù)駛測試，并利用能量流分析方法對EV 的低溫能耗特性和低溫續(xù)駛里程主要影響因素進行了研究。主要研究結論為：低溫和分段續(xù)駛工況會增大整車百公里電耗，減少動力電池系統(tǒng)的放電量，并使動力電池系統(tǒng)能量回收受限；電加熱器的高能耗使得車輛續(xù)駛里程縮短；電機控制器的驅動轉換效率受溫度影響較小，而能量回收能力受溫度影響較大；電加熱器能耗受溫度影響明顯，首個工況循環(huán)下電加熱器能耗占比較大，隨著溫度升高，能耗占比趨于穩(wěn)定；低壓端DC/DC電源變換器輸出的車載電器中，能耗最高的執(zhí)行件為車載中控屏。