純電動乘用車能量管理淺析

張小鋒，吳健瑜，詹國強，李 覺

純電動乘用車能量管理淺析

張小鋒，吳健瑜，詹國強，李 覺

（廣汽研究院 整車集成部，廣東 廣州 511400）

現(xiàn)階段里程焦慮依然是純電動乘用車用戶的主要抱怨之一。文章基于純電動乘用車的結(jié)構(gòu)和特點，針對實際駕駛場景下的三條能量傳遞關(guān)鍵路徑（充電路徑、放電路徑和能量回收路徑）進行了分析，并主要從充電損耗、電驅(qū)效率、驅(qū)動軸效率、制動卡鉗拖滯力、輪轂軸承阻力矩、輪胎滾阻、風(fēng)阻、空調(diào)負荷和低壓負荷等方面提出了優(yōu)化方向。意在提升實際續(xù)航里程，減少用戶的里程焦慮。

純電動乘用車；能量管理；充電路徑；放電路徑；能量回收路徑

2022年全球電動車銷量超1 000萬輛。特斯拉及國內(nèi)的比亞迪、廣汽埃安、蔚來、小鵬等持續(xù)發(fā)力，消費者對純電車型的接受度越來越高。電動車相對傳統(tǒng)燃油車具備多項優(yōu)勢，如起步加速快、造型新穎科技及智能化程度高等已成為純電車型的標簽，但純電車的續(xù)航里程焦慮和充電慢兩大痛點依然是阻礙純電乘用車快速推廣應(yīng)用的主要障礙。

針對續(xù)航里程，目前電動乘用車的公告續(xù)航里程為特定工況下的測試結(jié)果，國內(nèi)早前采用新歐洲駕駛周期（New European Driving Cycle, NEDC）工況，在2021年10月1日之后使用中國乘用車行駛工況（China Lightduty Vehicle Test Cycle Passenger Car, CLTC-P）[1]，主要針對常溫環(huán)境下，環(huán)境溫度為（23±5）℃的晴朗白天駕駛場景。針對能耗更為嚴苛的冬季雪夜和夏季雨夜等實際場景，空調(diào)制冷采暖所需的能量消耗較大且整車阻力、動力電池性能等受環(huán)境影響較大，例如-10 ℃低溫環(huán)境的下整車阻力將對于常溫阻力增加8%～10%[2]，致使實際續(xù)航里程相對于公告續(xù)航里程會出現(xiàn)較大幅度的下降。

通過不斷的增加電量來提升續(xù)航里程可能并不是最優(yōu)方案，因為除了成本大幅增加以外，在用戶高頻使用場景中尤其是單次短途出行中，還要額外攜帶遠超高頻場景需求的動力電池行駛。

如何通過優(yōu)化與能耗相關(guān)的各個零部件和系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)或策略控制來提升續(xù)航里程、降低電耗是一個值得探討的課題。這也正是能量管理涉及的主要課題。目前西門子、AVL等公司已經(jīng)針對能量管理相關(guān)的測試評價開展研究[3]。

1 純電動乘用車能量管理概述

能量管理即通過對能量傳遞路徑上的各個零部件或系統(tǒng)及其相互關(guān)系進行全局整合優(yōu)化，以實現(xiàn)降低無用功損耗，提升有用功。文獻[4]從儲熱技術(shù)、電池管理及整車輕量化與風(fēng)阻等角度分析了提升續(xù)航里程的措施。

電動汽車的能量傳遞主要涉及三條路徑，分別是充電路徑、放電路徑以及能量回收路徑。整個能量傳遞路徑上的各個主要零部件或系統(tǒng)及能量流動如圖1所示。

注：DC/DC（直流轉(zhuǎn)直流，Direct Current/Direct Current）。

充電路徑：電能是純電動車唯一的能量源，電能經(jīng)電網(wǎng)輸送到充電樁，若是直流充電樁則電能經(jīng)充電線束進入動力電池，若是交流充電樁則電能需要經(jīng)過車載充電機（On Board Charger, OBC）進行交流轉(zhuǎn)直流后再進入動力電池。

放電路徑：電能由動力電池輸出以滿足不同工況下整車的各種負荷，包括驅(qū)動負荷、空調(diào)負荷以及低壓負載。其中驅(qū)動負荷主要含驅(qū)動電機、驅(qū)動半軸、輪轂軸承、卡鉗及輪胎等；空調(diào)負荷主要含正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coeffic- ient, PTC）、熱泵或其組合、電動壓縮機等；低壓負載主要含冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇、燈具及低壓蓄電池等。

能量回收路徑：在制動、減速或下坡時，電驅(qū)從輪端回收能量并輸送到動力電池及其他用電設(shè)備，若回收后制動能量仍不足以滿足整車制動或減速要求，此時需要機械制動參與進一步制動。

2 能量分布

在三條能量傳遞路徑上，能量經(jīng)充電路徑傳遞給動力電池，再以動力電池為起點經(jīng)放電路徑傳遞給高壓用電設(shè)備、低壓用電設(shè)備及傳動系統(tǒng)等，當在減速或制動工況時，輪胎上的部分動能經(jīng)能量回收路徑回到動力電池后再通過放電路徑釋放以滿足車輛各種工況需求。在這三條路徑上，只要存在能量的流動必然也存在能量的損失。

以某車型常溫充電為例，充電路徑的能量損失比例如表1所示，在充電路徑中由于直流充電相對交流充電無需經(jīng)過車載充電機，所以直流充電過程能量損失較小，相對交流充電減少了6%的能量損失。98%的能量進入動力電池轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來。

表1 充電過程能量損失比例

放電路徑作為能量傳遞的主要路徑，承載了車輛在勻速、加速、怠速和部分減速或制動工況下的各種能量需求。圖2為常溫工況下某車型放電路徑的能量分布，從圖中可以看出能量從動力電池輸出后，動力電池輸出能量的24%被阻力消耗；12%的能量被電驅(qū)消耗；7%的能量被低壓負載消耗；剩余57%的能量轉(zhuǎn)化為車輛動能，這些動能中有部分在回收路徑將被再次利用。在減速、制動或下坡場景下，能量回收路徑被激活。

圖2 放電路徑能量分布

圖3為回收路徑下的能量分布，在放電路徑下轉(zhuǎn)化的動能將作為回收路徑的輸入源。其中32%的動能被回收過程中的整車阻力消耗，其次是能量經(jīng)電驅(qū)轉(zhuǎn)化時消耗了10%，近54%的動能順利通過回收路徑被轉(zhuǎn)化為電能。

3 充電路徑能量管理

純電車型充電分為直流充電（快充）和交流充電（慢充）。充電損耗主要涉及充電過程中的線損、OBC效率以及動力電池內(nèi)部損耗。

線束的電阻大小可以表征線損，如式（1）所示：

（1）

式中，為電阻，Ω；為電阻率，Ω·m；為線束長度，m；為線束的橫截面積，m2。

通過式（1）可以看出導(dǎo)線電阻與電阻率及導(dǎo)線長度成正比，與導(dǎo)線橫截面積成反比。采用低電阻率的材料有利于降低電阻。從表2可以看出銅的電阻率較優(yōu)，比鋁低38%；其次同種材質(zhì)通過提升純度也有利于降低電阻率，但要與線束成本平衡。

縮短線束長度有利于降低線束電阻?？梢栽谲囆烷_發(fā)中通過合理布置充電口的位置、動力電池線束接口位置等優(yōu)化充電線束的長度。減少線束長度除了降低線束電阻還可以減重降本。提高線束橫截面積也可以降低線束電阻，但這需要考慮線束成本。

OBC在交流充電中將交流電轉(zhuǎn)化為動力電池可用的直流電，提升其轉(zhuǎn)化效率有利于減少充電損耗。目前車載充電機多采用硅基功率半導(dǎo)體部件，由于碳化硅相對于硅具有2倍的飽和電子漂移速率，即碳化硅具有更低的電阻；而且碳化硅相對于硅有近3倍的禁帶寬度可以減少漏電損耗。因此，采用碳化硅功率部件的車載充電機可以提高效率，減少損耗。其次通過優(yōu)化充電場景下的熱管理，減少水泵占空比，也有利于提高充電過程的能量轉(zhuǎn)化率[5]。

優(yōu)化動力電池本身的材料屬性，降低內(nèi)部損耗可以提高充電效率，此外優(yōu)化動力電池?zé)峁芾聿呗曰虺潆姴呗砸部梢蕴岣唠姵乇旧淼某潆娏?，如采用冷卻或加熱使動力電池在不同環(huán)境溫度下始終處于最佳工作溫度范圍內(nèi)；文獻提出將恒流恒壓充電策略改為多階段恒流恒壓充電有利于提高充電量[6]。

4 放電路徑能量管理

放電路徑是純電動乘用車能量消耗的主要路徑，也是能量管理的關(guān)鍵，該路徑涉及三條子路徑。

電驅(qū)負載路徑包括電驅(qū)、驅(qū)動軸、輪轂軸承、制動卡鉗、輪胎等；

空調(diào)負載路徑包括PTC、電動壓縮機等空調(diào)部件；

低壓負載路徑包括DC/DC、冷卻風(fēng)扇、水泵、低壓蓄電池、傳感器、音響、雨刮、燈具等。

4.1 電驅(qū)負載路徑

4.1.1 電驅(qū)

電驅(qū)效率是表征電驅(qū)能效的重要指標。通過電機結(jié)構(gòu)設(shè)計、碳化硅功率器件、集成化設(shè)計、熱管理等可以提升電驅(qū)效率。

通過優(yōu)化電驅(qū)轉(zhuǎn)子軸向長度、氣隙寬度、繞組匝數(shù)及繞組線徑等可以提高電驅(qū)效率[7]。目前電驅(qū)定子繞組設(shè)計從圓線向扁線發(fā)展，由于扁線設(shè)計可以提升槽滿率銅占比，有效降低繞組端部空間，降低用銅量，提升電驅(qū)效率。其次可以通過電驅(qū)轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)尋優(yōu)以及硅鋼片材料優(yōu)化，降低銅耗、鐵耗。

同車載充電機一樣，采用碳化硅功率部件是提升電機控制器效率的有效措施，目前特斯拉、比亞迪等已經(jīng)在高端量產(chǎn)車型中應(yīng)用。

電驅(qū)系統(tǒng)的熱管理對電驅(qū)效率也有較大影響。電機工作在合理溫度范圍有利于電驅(qū)效率提升。冬季寒冷環(huán)境下電驅(qū)的油溫或水溫較低時電驅(qū)效率也較常溫下降較多，通過熱管理架構(gòu)的設(shè)計和控制策略提升電機油溫或水溫對電驅(qū)效率有一定提升。

電驅(qū)集成化設(shè)計是目前的主流設(shè)計，即將電控、電機、主減等部件進行集成設(shè)計，如目前常見的三合一或者多合一電驅(qū)系統(tǒng)，通過減少或縮短相關(guān)電連接的線束、水連接的管道，從而降低連接部位的能量損失。集成化除了提升效率外還可以實現(xiàn)整車減重降本。

針對具體車型結(jié)合測試工況進行速比尋優(yōu)設(shè)計，使電機工作在高效區(qū)。但同時要兼顧整車動力性。

4.1.2 驅(qū)動軸

驅(qū)動軸作為連接電驅(qū)總成與輪轂軸承的部件，驅(qū)動軸夾角對驅(qū)動軸效率有一定影響，驅(qū)動軸夾角指驅(qū)動軸軸線和動總軸線的夾角。圖4為驅(qū)動軸夾角與驅(qū)動軸效率關(guān)系圖，從中可以看出驅(qū)動軸夾角越小，驅(qū)動軸效率越高。

圖4 驅(qū)動軸夾角對驅(qū)動軸效率的影響

驅(qū)動軸夾角與驅(qū)動軸型式（二段式、三段式）、動總位置、輪心位置、懸架上下跳行程、平順性等都有關(guān)聯(lián)，設(shè)計驅(qū)動軸夾角需考慮以上因素的影響。

4.1.3 制動卡鉗

在車輛行駛過程中，卡鉗摩擦片與制動盤之間產(chǎn)生拖滯力矩，尤其在緊急制動后，拖滯力會顯著增加。合理的卡鉗摩擦片與制動盤間隙是保證卡鉗拖滯力在合理范圍的前提。優(yōu)化卡鉗摩擦片與制動盤間隙可以參考以下方向：1）增加活塞回程量；2）減少嵌體的滑動阻力；3）增加回位彈簧。

降低卡鉗拖滯力的同時需要與制動距離、制動踏板感等性能進行平衡。

4.1.4 輪轂軸承

輪轂軸承在運動過程中由于摩擦作用存在阻力矩。通過優(yōu)化軸承密封圈、油脂等可以降低軸承的阻力矩。在同一臺車上分別搭載阻力矩差異為0.2 Nm的兩組輪轂進行道路滑行，平均阻力降低4 N。

4.1.5 輪胎

輪胎滾阻系數(shù)、胎壓、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)對整車阻力有一定影響。2021年米其林輪胎發(fā)布了滾阻更低的高性能電動車專用輪胎Pliot Sport EV兼顧運動和續(xù)航。2022年奔馳汽車發(fā)布的Vision EQXX概念車采用了4.7‰超低滾阻系數(shù)。

圖5為不同滾阻輪胎搭載在同一車輛的滑行結(jié)果，從結(jié)果可以看出兩套輪胎對整車平均阻力影響約20 N。

圖5 驅(qū)動軸夾角對驅(qū)動軸效率的影響

提高胎壓對滾動阻力也有一定改善，文獻[8]對不同胎壓對滾阻的影響做了研究，胎壓從200 kPa提高到260 kPa，滾阻降低了20%。提升胎壓的同時要考慮噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibra- tion, Harshness, NVH）、平順性、操穩(wěn)等影響。增大胎面帶束層角度，減少帶束層寬度有利于降低輪胎的滾動阻力[9]。

車輛在行駛過程中除了克服輪胎的滾動阻力還需要克服輪胎的旋轉(zhuǎn)阻力矩，優(yōu)化車輪質(zhì)量分布或半徑等有利于減少旋轉(zhuǎn)阻力矩。

4.1.6 風(fēng)阻

風(fēng)阻主要由汽車行駛過程中產(chǎn)生的前后壓力差引起。風(fēng)阻系數(shù)和迎風(fēng)面積是表征風(fēng)阻的重要參數(shù)。

迎風(fēng)面積主要與整車高度、寬度相關(guān)，而風(fēng)阻系數(shù)主要受外造型設(shè)計、氣動附件設(shè)計影響。

針對純電動乘用車，尤其是純電動轎車對低風(fēng)阻要求越來越高，2022年已量產(chǎn)的主流純電轎車公布的風(fēng)阻系數(shù)大多在0.25以下，而傳統(tǒng)燃油轎車的風(fēng)阻系數(shù)基本在0.25～0.30之間。

外造型設(shè)計是整車低風(fēng)阻設(shè)計的關(guān)鍵，需要兼顧美學(xué)、風(fēng)阻、熱管理、風(fēng)噪等多方面性能平衡。前圍方面涉及前機艙擾流、發(fā)罩與水平面的夾角、前風(fēng)擋與垂直面的夾角；側(cè)圍方面涉及輪胎與車身翼子板橫向相對關(guān)系、后視鏡與側(cè)窗的夾角、A柱截面等；后圍涉及尾部擾流等。

此外，整車通過搭載氣動附件也可以在一定程度上降低風(fēng)阻系數(shù)。例如可以通過主動格柵減少前保的正壓力，圖6為主動格柵對整車阻力的影響，從圖6中可以看出主動格柵對中低速工況幾乎沒有影響，在車速80 km/h以上時，主動格柵的影響逐漸顯現(xiàn)。在100 km/h時，阻力下降17 N。這對高速續(xù)航里程有顯著影響。

4.2 空調(diào)負荷路徑

在炎熱夏季或寒冷冬季，開啟空調(diào)以調(diào)節(jié)乘員艙的環(huán)境溫度，保證乘客舒適性。純電動車制冷主要通過電動壓縮機等部件實現(xiàn)，采暖主要通過PTC、熱泵等及其組合實現(xiàn)。

優(yōu)化空調(diào)能耗的路徑主要分為兩個方向：1）提高空調(diào)系統(tǒng)的效能；2）降低乘員艙的熱負荷或冷負荷。

針對空調(diào)系統(tǒng)效能提升，主要涉及空調(diào)本體設(shè)計、熱管理架構(gòu)設(shè)計等，例如采用集成度更高的溫控模塊，可顯著降低管路和閥體熱損耗；針對采暖工況采用熱泵空調(diào)的能效優(yōu)于PTC能效。

針對乘員艙的熱負荷或冷負荷降低，主要有以下措施：夏季乘員艙制冷時，太陽輻射的一部分被玻璃反射，剩余的能量被玻璃吸收和傳遞到乘員艙內(nèi)。提高玻璃的隔熱性能有利于降低日照負荷。不論夏季制冷還是冬季采暖，均存在傳熱負荷和換氣負荷。由于車內(nèi)外溫差，車外能量通過車體鈑金和玻璃與車內(nèi)能量發(fā)生交換。通過優(yōu)化車體鈑金、內(nèi)飾等材料厚度、熱傳導(dǎo)系數(shù)等可以優(yōu)化傳熱負荷。外循環(huán)或車內(nèi)空氣泄漏時車外空氣和車內(nèi)空氣對流換熱產(chǎn)生換氣負荷。優(yōu)化整車密封性可以減少車內(nèi)空氣泄露?；祜L(fēng)策略控制可以減少進入車內(nèi)的新風(fēng)量，減少換氣負荷。

4.3 低壓負載路徑

整車低壓負載主要包括各種控制模塊電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）、燈具、冷卻風(fēng)扇、水泵、雨刮、車載傳感器、音響等低壓用電器件。DC/DC將動力電池輸出的高壓能量轉(zhuǎn)化為低壓能量，供車輛低壓負載使用，當DC/DC不能滿足低壓用電需求時，低壓蓄電池作為輔助補充。

降低整車低壓負載主要措施有提升DC/DC效率、DC/DC策略優(yōu)化控制、低功耗器件選型、開發(fā)節(jié)能模式等。

通過采用碳化硅功率部件可以提升DC/DC效率；通過DC/DC策略優(yōu)化，可以使部分控制器處于休眠狀態(tài)，從而降低用電需求，同時使DC/DC始終工作在額定功率有利于使DC/DC在高效率區(qū)工作[4]。

通過準確計算整車低壓用電需求，優(yōu)化低壓功耗器件選型，可以實現(xiàn)低壓負載功耗降低；此外，針對搭載智能駕駛輔助系統(tǒng)的車型，智能感知元件對用電需求量是不容忽視的一部分。

5 能量回收路徑能量管理

行駛中的車輛具備一定的能量（動能或勢能），在滑行、減速、制動或下坡過程中，電驅(qū)發(fā)電可以將全部或部分能量回收轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池同時供用電設(shè)備使用。

通過提高電驅(qū)的發(fā)電效率有利于提高回收能量，能量回收強度越大，能量回收的越多，但能量回收強度過大可能會引起乘坐舒適性降低，需要在能量回收強度和回收過程舒適性之間找到一個平衡點。

某些場景下采用能量回收并非是最佳選擇，如何結(jié)合智能駕駛輔助系統(tǒng)實現(xiàn)更智能化的能量回收是未來值得深入探索的方向。

6 總結(jié)

本文主要從純電動乘用車的三條能量傳遞路徑：充電路徑、放電路徑和能量回收路徑分析了能量管理中的關(guān)鍵因素并提出一些優(yōu)化方向供讀者參考。

[1] 全國汽車標準化技術(shù)委員會.電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法第一部分:輕型汽車:GB/T 18386.1－2021[S].北京:中國標準出版社,2021.

[2] 王真,陳健龍.電動汽車低溫續(xù)航里程研究[J].汽車實用技術(shù),2020,45(14):1-4,7.

[3] 崔華芳.電動車經(jīng)濟性影響因素分析及能量管理測試研究[J].汽車零部件,2019(8):56-61.

[4] 張尚生,劉敏,苑忠國.純電動汽車續(xù)駛里程提升措施分析[J].汽車實用技術(shù),2016,41(5):144-145.

[5] 黃偉,張桂連.基于能量流分析的純電動汽車電耗優(yōu)化研究[J].汽車工程,2021,43(2):172-179.

[6] 梅尊禹,吳曉剛.一種適用于低溫環(huán)境的鋰離子動力電池充電方法[J].汽車技術(shù),2018(6):12-15.

[7] 王慶年.基于電機參數(shù)設(shè)計的電動車輛經(jīng)濟性優(yōu)化研究[J].汽車工程,2018,40(4):376-381.

[8] SANCHEZ G R,SANTOS T R L,PEREIRA Y C,et al.Influence of Suspension Parameters,Tire-pressure and Tire-type on Vehicle Fuel Consumption[C]//SAE International.Washington:SAE,2017:360389.

[9] 王慶年.基于均值分析的若干輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計變量對滾動阻力的影響試驗研究[J].汽車技術(shù),2016(10): 36-38.

Analysis on Energy Management of Battery Electric Passenger Vehicles

ZHANG Xiaofeng, WU Jianyu, ZHAN Guoqiang, LI Jue

( Vehicle Integration Department, Guangzhou Automobile Engineer Institute, Guangzhou 511400, China )

At present,the range anxiety is still one of the main complaints of battery electric passenger vehicles users. Based on the structure and characteristics of battery electric passenger vehicles, this paper analyzes three critical energy transfer paths (charging path, discharge path and energy recovery path) in actual driving scenarios. The optimization direction is put forward mainly from the aspects of charging loss, electric drive efficiency, drive shaft efficiency, brake caliper drag force, wheel hub bearing resistance moment, tire roll resistance, wind resistance, air conditioning load and low pressure load. It is intended to improve the actual driving range and reduce the user's range anxiety.

Battery electric passenger vehicles; Energy management; Charging path; Discharge path; Energy recovery path

U463

A

1671-7988(2023)21-01-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.001

張小鋒（1985－），男，碩士，研究方向為整車性能集成，E-mail:zhangxiaofeng@gacrnd.com。