微型純電動(dòng)汽車的節(jié)能技術(shù)路徑評(píng)估

何 衛(wèi)，高麗仙，張 雪

微型純電動(dòng)汽車的節(jié)能技術(shù)路徑評(píng)估

何 衛(wèi)1，高麗仙2，張 雪1

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007； 2.柳州孔輝汽車科技有限公司，廣西 柳州 545001）

從純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程理論計(jì)算公式著手，得出續(xù)駛里程與電池特性、電機(jī)、電控系統(tǒng)效率、整車設(shè)計(jì)參數(shù)，以及附件能量消耗有直接關(guān)系；然后結(jié)合AMESim仿真軟件理論計(jì)算和臺(tái)架數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對(duì)微型純電動(dòng)汽車各關(guān)鍵因素如電池、電驅(qū)系統(tǒng)效率、整車設(shè)計(jì)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行續(xù)航敏感度分析，得出各項(xiàng)因素對(duì)續(xù)航的具體影響值；最終基于當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的技術(shù)普及水平，提出了具有高性價(jià)比的微型純電動(dòng)汽車提升續(xù)航的技術(shù)路徑，用于指導(dǎo)現(xiàn)階段微型純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程性能的快速開發(fā)，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。

續(xù)航里程；動(dòng)力電池；電驅(qū)系統(tǒng)；控制策略

近年來，由于能源緊缺危機(jī)加劇，且面臨比較嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，我國相繼推出了一系列鼓勵(lì)發(fā)展新能源汽車的政策，新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車飛速發(fā)展。但是隨著純電動(dòng)汽車的增多，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、快充技術(shù)等問題日益顯現(xiàn)，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的高低直接影響客戶的主觀體驗(yàn)和購買需求。對(duì)企業(yè)來說，若采用增加電池電量的方式可提高續(xù)航里程，單車成本也會(huì)水漲船高，對(duì)于價(jià)格敏感的微型純電動(dòng)汽車而言反而降低了產(chǎn)品核心競爭力。本文從整車、電池、電機(jī)、控制策略四個(gè)方面，應(yīng)用仿真軟件對(duì)影響續(xù)航里程的各項(xiàng)因素進(jìn)行定量分析，分析在相同續(xù)航里程下的低成本關(guān)鍵技術(shù)，解決成本和性能這一主要矛盾。

1 續(xù)航里程

1.1 續(xù)航里程概念

續(xù)航里程是指汽車在動(dòng)力蓄電池完全充電的狀態(tài)下，以一定的行駛工況連續(xù)行駛的最大距離[1]。為了評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，我國已制定了電動(dòng)汽車評(píng)價(jià)國家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》（GB/T 18386）。

1.2 續(xù)航里程理論計(jì)算

根據(jù)汽車?yán)碚?，?dāng)純電動(dòng)汽車以速度0等速行駛時(shí)，假設(shè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)都為穩(wěn)態(tài)，純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程可按式（1）計(jì)算。此外，在一定工況內(nèi)或者用戶駕駛時(shí)，汽車還會(huì)存在加速、減速和等速工況，從而導(dǎo)致式（1）分母項(xiàng)需要額外增加加速阻力和坡道阻力。

式中，為續(xù)駛里程，m；Z為電池組容量，Ah；Z為電池組電壓，V；soc為蓄電池放電深度，%；d為蓄電池放電效率，%；e為電機(jī)及控制器整體效率，%；t為傳動(dòng)系統(tǒng)效率，%；a為汽車附件能量消耗比例系數(shù)；0為車速，km/h；為整備質(zhì)量，kg；為重力加速度，取9.8 m/s2；為滾阻系數(shù)；d為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積，m2。

2 續(xù)航里程影響因素

從式（1）可以得出，續(xù)駛里程與電池特性、電機(jī)電控系統(tǒng)效率、整車設(shè)計(jì)參數(shù)，以及附件能量消耗有直接關(guān)系，下文將對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 提高動(dòng)力電池電量

影響續(xù)航里程最主要的因素是動(dòng)力電池，包括電池組容量和電壓、放電深度和放電效率。電池總電量與汽車?yán)m(xù)航里程成正比，電池放電效率、放電深度越高，電池可用電量越多，汽車?yán)m(xù)航里程也越大。另一方面，增加電池電量會(huì)直接導(dǎo)致整備質(zhì)量也增大，所以行業(yè)內(nèi)也把比能量（Wh/kg）作為衡量動(dòng)力電池的重要指標(biāo)，電池的比能量越大，單位質(zhì)量的電池可利用的能量越多。

提高動(dòng)力電池電量，雖然會(huì)增加續(xù)航里程，但是會(huì)直接導(dǎo)致整車成本上升。以某目標(biāo)車型為例，整備質(zhì)量約1 000 kg，續(xù)航目標(biāo)為300 km，整車參數(shù)見表1。

表1 某純電車基本參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù) 整車整備質(zhì)量/kg1 006 最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量/kg1 330 外廓尺寸：長(mm)×寬(mm)×高(mm)3 381×1 680×1 721 測試質(zhì)量/kg1 139.6 軸距/mm2 110 輪距(前/后)/mm1 450/1 450 車身（或駕駛室）型式承載式車身 驅(qū)動(dòng)型式及位置4×2/第二軸 輪胎規(guī)格及氣壓/kPa195/60R15前/后：270/270 電機(jī)布置方式/位置橫置/后置 額定功率/kW23 額定轉(zhuǎn)速/(r/min)4 775 額定扭矩/(N·m)46 峰值功率/kW50 峰值轉(zhuǎn)速/(r/min)8 400 峰值扭矩/(N·m)140 前進(jìn)擋個(gè)數(shù)1 各擋速比8.165 電池電池電量/kWh28.4

當(dāng)前動(dòng)力電池電量28.4 kWh，為達(dá)成續(xù)航目標(biāo)，需要增加4 kWh，按當(dāng)前行業(yè)動(dòng)力電池成本 1 250元/kWh，則整車成本需要增加約5 000元，對(duì)于競爭激烈的微型純電動(dòng)車型市場，產(chǎn)品競爭力將會(huì)大打折扣，顯然單獨(dú)靠提高動(dòng)力電池電量性價(jià)比較低。

2.2 提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率

如圖1所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是指動(dòng)力電池到車輪端的電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的過程，由式（1）可知，續(xù)航里程與電機(jī)電控整體效率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率成正比，通過AMESim仿真軟件對(duì)某1 000 kg純電動(dòng)車型計(jì)算可知，當(dāng)系統(tǒng)效率每提升1%，續(xù)航里程可增加3 km。

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入及控制圖

2.2.1提高電機(jī)電控整體效率

目前行業(yè)內(nèi)電機(jī)控制器效率一般為97%左右，驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率參差不齊，范圍從80%到98%不等，對(duì)電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，大部分運(yùn)行點(diǎn)集中在轉(zhuǎn)速4 000 r/min以內(nèi)，如圖2所示，這就要求電機(jī)不僅要在額定狀態(tài)下具有較高的輸出效率，而且要求具有很寬的高效率區(qū)[2]。

圖2 CLTC工況中驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型可分為直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，由于永磁同步電機(jī)功率因素和峰值效率較高，被各大主機(jī)廠普遍采用。近年來扁線電機(jī)技術(shù)成為行業(yè)內(nèi)爭相競逐的熱點(diǎn)，在全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（World Light Vehicle Test Cycle, WLTC）工況，扁線電機(jī)比傳統(tǒng)圓線電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率高1.12%；在全域平均下，兩者效率值相差2%，在市區(qū)工況（低速大扭矩），兩者效率值相差10%。因此，扁線電機(jī)中低速效率高，更適合于中國城市路況，然而在具備諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也同樣存在劣勢(shì)，比如設(shè)計(jì)難度、工藝制造難度、更易損耗等，這也是其尚未大規(guī)模應(yīng)用的原因[3]。

另一方面，傳動(dòng)系速比設(shè)計(jì)也可以影響電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的位置，在電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)不同位置具有不同的電機(jī)效率進(jìn)而可以影響到整車?yán)m(xù)航里程，如圖3所示，所以在滿足電動(dòng)車爬坡和最高車速的前提下，可以通過調(diào)整不同速比提高續(xù)航里程。

圖3 某車型速比與續(xù)航的關(guān)系

2.2.2提高傳動(dòng)系效率

傳動(dòng)系統(tǒng)效率損失的表現(xiàn)為存在機(jī)械內(nèi)阻，一般通過摩擦損失轉(zhuǎn)化為熱量散失，因此，提高傳動(dòng)系效率也可有效提升續(xù)航里程。以某車型為例，優(yōu)化后的續(xù)航里程貢獻(xiàn)見表2。

表2 傳動(dòng)系對(duì)續(xù)航里程的影響

項(xiàng)目優(yōu)化前優(yōu)化后續(xù)航里程 低滾阻軸承扭矩/(Nm)1.5 ＜0.9提升10 km 低拖滯卡鉗扭矩/(Nm)3＜1.5 后橋效率提升（軸/齒/安裝角度）89%90% 潤滑油、脂、液一般低粘度提升3 km

2.3 優(yōu)化整車設(shè)計(jì)參數(shù)

整車參數(shù)主要影響車輛的行駛阻力，其中整備質(zhì)量與滾動(dòng)阻力、加速阻力、坡道阻力都成正比例關(guān)系，迎風(fēng)面積和風(fēng)阻系數(shù)主要影響空氣阻力。

2.3.1整車輕量化技術(shù)

為比較某車型整備質(zhì)量對(duì)續(xù)航里程的影響，將整備質(zhì)量按25 kg步長，應(yīng)用AMESim仿真軟件逐個(gè)計(jì)算某車型在不同質(zhì)量下的續(xù)航里程變化，如圖4所示。結(jié)果表明質(zhì)量每減少25 kg，續(xù)航里程可增加3～4 km。

圖4 質(zhì)量對(duì)續(xù)航的影響

行業(yè)內(nèi)的車身輕量化技術(shù)主要包括應(yīng)用新材料、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造工藝。新材料采用鋁鎂合金、工程塑料和碳纖維等，如特斯拉前期Modle 3為全鋁合金車身結(jié)構(gòu)，奧迪汽車也很早就開發(fā)了全鋁合金車身技術(shù)[4]。

新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是在保障車身整體強(qiáng)度的前提下，利用鋼塑一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，在傳統(tǒng)鈑金技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入高強(qiáng)度的工程塑料，達(dá)到車身減重的目的。

先進(jìn)制造工藝的典型代表是以特斯拉、比亞迪為首的CTC（Cell To Chassis）或CTB（Cell To Body）的車身一體化技術(shù)，該工藝把電池包做成底盤，目的是提升電池的能量密度增加車內(nèi)的乘坐空間從而減少零部件數(shù)量，節(jié)省成本的同時(shí)也給整車減輕重量。

2.3.2減小風(fēng)阻系數(shù)

據(jù)國外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于一般轎車，空氣阻力消耗的能量平均占總能耗的17%，對(duì)于皮卡車，由于尾部氣動(dòng)分離嚴(yán)重，其空氣阻力消耗的能量又比普通轎車大6%。由于市面上車型的長、寬、高參數(shù)并不會(huì)發(fā)生太大變化，所以減小風(fēng)阻系數(shù)成為降低整車空氣阻力的主要措施。

同樣，為比較某車型風(fēng)阻系數(shù)對(duì)續(xù)航里程的影響，將風(fēng)阻系數(shù)按每0.005步長，應(yīng)用AMESim仿真軟件逐個(gè)計(jì)算某車型在不同風(fēng)阻系數(shù)下的續(xù)航里程變化，如圖5所示。結(jié)果表明風(fēng)阻系數(shù)每減少0.005，通過仿真計(jì)算得出目標(biāo)車型每個(gè)測試循環(huán)能耗降低0.01～0.03 kWh/100 km，即續(xù)航里程可增加1.5～1.6 km。

圖5 風(fēng)阻系數(shù)對(duì)續(xù)航的影響

國內(nèi)應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)或計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Com- putational Fluid Dynamics, CFD）技術(shù)已經(jīng)比較成熟，通過優(yōu)化擋風(fēng)玻璃角度、優(yōu)化前保造型、安裝底盤封板、低風(fēng)阻后視鏡、低風(fēng)阻輪轂、隱藏門把手都能有效減小風(fēng)阻系數(shù)。

2.3.3應(yīng)用低滾阻輪胎

由式（1）可知，輪胎滾阻系數(shù)也直接影響了續(xù)航里程，低滾阻輪胎可以有效降低整車滾動(dòng)阻力，以某車型臺(tái)架試驗(yàn)為例，原輪胎采用8.3‰，改用6‰輪胎后，續(xù)航里程可提升10 km。

2.4 降低附件能量消耗

根據(jù)國標(biāo)GB/T 18386測試純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程時(shí)，會(huì)保持空調(diào)、音響娛樂、雨刮、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering, EPS）系統(tǒng)等用電器關(guān)閉，只維持工況基本用電需求，但是此時(shí)，冷卻風(fēng)扇、儀表以及各控制模塊仍會(huì)供電，部分主動(dòng)安全功能及相關(guān)硬件（攝像頭等）默認(rèn)開啟，由此會(huì)增加低壓功耗，最大會(huì)導(dǎo)致行駛里程下降約4.4%，即能耗有4.4%優(yōu)化潛力。

2.5 優(yōu)化整車控制策略

整車控制策略優(yōu)化一種方式是通過控制油門踏板與負(fù)荷的關(guān)系曲線使電池、電機(jī)工作在高效區(qū)間，需要根據(jù)電池的放電特點(diǎn)和電機(jī)Map圖得到其高效工作區(qū)域，然后不斷調(diào)整油門踏板與負(fù)荷的關(guān)系，使其達(dá)到續(xù)航里程最優(yōu)的狀態(tài)[5]。另一種方式是增大能量回收強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，強(qiáng)回收模式表示在續(xù)航測試中減速時(shí)基本不需要制動(dòng)踏板制動(dòng)，而利用滑行能量回收達(dá)到制動(dòng)，而弱回收在減速過程中需要踩制動(dòng)踏板，通過制動(dòng)能量回收。

圖6 滑行回收Map

同時(shí)，在制動(dòng)能量回收階段設(shè)置充電功率時(shí)，在高電池剩余電量（State Of Charge, SOC）下，電池在90%左右的充電能力能適當(dāng)放開；在低SOC下，制動(dòng)能量回收能盡可能包含多一些回收點(diǎn)，從而提高整個(gè)循環(huán)過程中的回收能力，電池端回收率從23%提升到了28%，續(xù)航里程增加了12 km。

3 各關(guān)鍵技術(shù)成本分析

由于整車控制策略可通過軟件標(biāo)定迭代優(yōu)化，基本不需要增加成本，所以首先推薦增大能量回收強(qiáng)度、優(yōu)化油門踏板與負(fù)荷的關(guān)系（會(huì)犧牲駕駛性）；減小風(fēng)阻系數(shù)可通過前期造型設(shè)計(jì)優(yōu)化，雖然有一定技術(shù)門檻，但基本不增加成本；降低附件能耗可以通過控制某些電器在測試過程中主動(dòng)休眠來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)不會(huì)增加成本，但是隨著車輛電氣化、智能化趨勢(shì)，面臨一定挑戰(zhàn)；應(yīng)用低滾阻輪胎對(duì)續(xù)航提升比較明顯，而提高電機(jī)傳動(dòng)效率、整車輕量化、提高電機(jī)電控整體效率，由于上文提到的行業(yè)成熟度的原因，成本也逐步增加，可作為后備選項(xiàng)；最后直接提高電池電量，成本最高，同時(shí)還會(huì)直接導(dǎo)致整備質(zhì)量也增大，對(duì)于微型純電動(dòng)車性價(jià)比較低。

表3 各關(guān)鍵技術(shù)成本分析

領(lǐng)域技術(shù)路線成本續(xù)航里程貢獻(xiàn)推薦程度 電池提高動(dòng)力電池電量★★★★★★★★★⑨ 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率提高電機(jī)電控整體效率★★★★★★⑧ 提高傳動(dòng)系效率★★★★★⑥ 整車設(shè)計(jì)參數(shù)整車輕量化★★★★★★⑦ 減小風(fēng)阻系數(shù)★★★★③ 應(yīng)用低滾阻輪胎★★★★⑤ 附件能量降低附件能量消耗★★★④ 整車控制策略優(yōu)化油門踏板與負(fù)荷的關(guān)系★★② 增大能量回收強(qiáng)度★★★①

根據(jù)技術(shù)成熟度、行業(yè)發(fā)展情況，以及綜上所述續(xù)航里程貢獻(xiàn)，若從微型純電動(dòng)汽車產(chǎn)品性價(jià)比角度出發(fā)，當(dāng)前階段推薦按表3所示技術(shù)路徑提升續(xù)航里程。

4 結(jié)論

本文基于純電動(dòng)汽車?yán)碚摴酵茖?dǎo)，對(duì)影響續(xù)航里程的各項(xiàng)因素進(jìn)行逐一分析，并利用AMESim仿真軟件和臺(tái)架數(shù)據(jù)，分析各參數(shù)對(duì)續(xù)航里程的敏感度，節(jié)約了大量時(shí)間和人力；另一方面，基于當(dāng)前動(dòng)力蓄電池技術(shù)限制，在成本尚未體現(xiàn)出成本優(yōu)勢(shì)的前提下，提出了性價(jià)比高的技術(shù)路徑，為微型純電動(dòng)汽車開發(fā)提供了指導(dǎo)建議。

[1] 唐金龍,費(fèi)為偉.提升純電動(dòng)客車?yán)m(xù)航里程的策略研究與仿真[J].新能源汽車,2020(22):14-16.

[2] 王春生,王學(xué)超,孫浩.新能源汽車?yán)m(xù)航里程影響因素分析[J].汽車工程師,2017(4):40-42.

[3] 楊秀玲,喬華,王娟.基于AVL-Cruise的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程優(yōu)化方法[J].新能源汽車,2020(11):21-23.

[4] 王志鵬.提高純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程的策略[J].新能源汽車,2019(6):11-13.

Energy Saving Technology Path Evaluation for Micro Pure Electric Vehicles

HE Wei1, GAO Lixian2, ZHANG Xue1

( 1.SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545007, China; 2.Liuzhou Konghui Automobile Technology Company Limited, Liuzhou 545001, China )

Starting from the theoretical calculation formula of the driving range of pure electric vehicles, it is concluded that the driving range is directly related to the battery characteristics, the efficiency of the motor, the electric control system, the vehicle design parameters, and the energy consumption of accessories. Then, combined with the theoretical calculation of AMESim simulation software and bench data verification, the endurance sensitivity analysis of key factors such as battery, electric drive system efficiency, vehicle design number and other parameters of micro pure electric vehicles is carried out, and the specific impact value of each factor on the endurance is obtained.Finally, based on the technical popularization level in the current industry, the technical path of improving the endurance of miniature pure electric vehicles with high cost performance is proposed, which is used to guide the rapid development of the endurance range performance of miniature pure electric vehicles at the present stage, shorten the development cycle and reduce the development cost.

Driving range; Power battery; Electric drive system; Control strategy

U469.7

A

1671-7988(2023)19-01-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.001

何衛(wèi)（1990－），男，工程師，研究方向?yàn)槿加蛙?、新能源汽車的?dòng)力、經(jīng)濟(jì)性能開發(fā)與優(yōu)化，E-mail:wei2. he@sgmw.com.cn。