張尚生，劉敏，苑忠國（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

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純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程提升措施分析

張尚生，劉敏，苑忠國
（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

摘要：影響純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的重要因素有能量回收不到位、動(dòng)力電池容量衰減快、整車質(zhì)量大等問題。針對這些問題提出了儲熱技術(shù)、智能化動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、整車優(yōu)化三種方案。意在通過這三種方案來進(jìn)一步提高純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；續(xù)航里程；儲熱技術(shù)；智能化動(dòng)力電池管理系統(tǒng)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.72+2Document Code: BArticle ID: 1671-7988 (2016)05-144-03

前言

由于環(huán)境污染加劇，節(jié)能減排要求的提高，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)已成為政府工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。新能源汽車，尤其是純電動(dòng)汽車已成為很多國家的轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。隨著霧霾天氣的增加，人們對清潔能源的呼聲越來越高，無論是國家還是汽車行業(yè)都越來越重視純電動(dòng)汽車在未來的發(fā)展前景。但純電動(dòng)汽車作為汽車行業(yè)的新秀，涉及到一些新領(lǐng)域，面臨著諸多難題，普及率較低！而制約純電動(dòng)汽車普及的一個(gè)重要原因就是動(dòng)力電池組單次續(xù)航里程短，無法滿足人們中遠(yuǎn)途距離出行需要。為了盡可能的提升純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，本文在以下三方面進(jìn)行了詳細(xì)論述。

1、儲熱技術(shù)

眾所周知，純電動(dòng)汽車有一個(gè)通?。褐灰婚_暖風(fēng)就特別費(fèi)電，大大影響了續(xù)航里程。原因是純電動(dòng)汽車上采用的暖風(fēng)熱源基本上都是電加熱形式的PTC元件，即用熱敏電阻作為熱源，通電之后電阻發(fā)熱，通過鼓風(fēng)機(jī)工作使空氣經(jīng)過該熱源，達(dá)到加熱空氣的效果。為了在冬天盡可能少的消耗動(dòng)力電池的能量，尋找新的熱源為駕駛室供暖也就成了純電動(dòng)汽車亟需解決的一項(xiàng)重要難題。

儲熱技術(shù)的問世恰好能為解決上述問題提供思路。儲熱密度是表示儲熱技術(shù)特性的指標(biāo)之一，是指1kg材料所能存儲的熱量，單位為“kJ/kg”。因?yàn)樗谋葻崛葺^大，因此我們家庭供暖用的最多的儲熱介質(zhì)就是水，而水的儲熱密度在低溫區(qū)（0～100℃）約為340～400kJ/kg。作為配備于純電動(dòng)汽車的儲熱介質(zhì)，就要滿足能以盡可能小的質(zhì)量和體積存儲盡可能多的熱量。為了將來應(yīng)用于純電動(dòng)汽車，有專家提出可以在純電動(dòng)汽車上安裝儲熱裝置，但是為了能獲得較為理想的熱量，制造該裝置的儲熱介質(zhì)其儲熱密度應(yīng)達(dá)到“1000 kJ/kg”以上。即儲熱密度約為水的3倍的材料。例如汽車制動(dòng)過程剎車片會(huì)產(chǎn)生大量熱量，并且汽車在長時(shí)間高速行駛狀態(tài)下輪胎也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，我們可以將這些能量存儲，用于純電動(dòng)汽車駕駛室的供暖以減少動(dòng)力電池的能量消耗，使更多的電量用于增加純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

2、智能化動(dòng)力電池管理系統(tǒng)

智能化動(dòng)力電池管理系統(tǒng)包括智能化動(dòng)力電池溫度管理系統(tǒng)和智能化動(dòng)力電池參數(shù)管理系統(tǒng)。其組成部分如圖1所示。

（1）智能化動(dòng)力電池溫度管理系統(tǒng)。研究表明，溫度對動(dòng)力電池容量和壽命的影響是十分巨大的。以閥控動(dòng)力電池為例，其最佳工作溫度為15℃～25℃，在此溫度范圍內(nèi)動(dòng)力電池能保持最佳工作狀態(tài)。溫度過高會(huì)使部分充電電流轉(zhuǎn)化成熱能，加劇電池內(nèi)部溫度的上升，造成惡性循環(huán)，使動(dòng)力電池?fù)p壞容量減小。研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度在25℃時(shí)，若溫度升高6℃以上，動(dòng)力電池壽命就會(huì)大幅度縮短。因此，當(dāng)動(dòng)力電池工作時(shí)，保證動(dòng)力電池處于最佳工作溫度是保證動(dòng)力電池容量最大化，提高續(xù)航里程的一項(xiàng)重要措施。開發(fā)智能化動(dòng)力電池溫度管理系統(tǒng)對上述問題的解決是有幫助的。通過智能化動(dòng)力電池溫度管理系統(tǒng)我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測動(dòng)力電池室環(huán)境溫度，確保浮充電壓設(shè)定值為2.25V/單體（標(biāo)稱溫度25℃），如果溫度變化，應(yīng)及時(shí)根據(jù)變化情況，按照0.003V/(單體·℃)的系數(shù)進(jìn)行修正，溫度升高，電壓下調(diào)，反之上調(diào)。但任何情況下，都應(yīng)該確保充電電壓在2.20V/單體和2.35V/單體之間。

（2）智能化動(dòng)力電池參數(shù)管理系統(tǒng)。除溫度影響動(dòng)力電池容量外，動(dòng)力電池單體不一致性也是一項(xiàng)重要原因。電池不一致性將導(dǎo)致電池組內(nèi)其它單體發(fā)生多米諾骨牌效應(yīng)式的連鎖反應(yīng)，由于電池組中某一個(gè)或某幾個(gè)單體的使用壽命縮短，從而影響了電池組整體壽命，使純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程縮短。單體數(shù)量越多，電池不一致性差別越大，在使用中不一致性擴(kuò)散越快，電池組容量衰減也越快。不一致性使得動(dòng)力電池組的使用壽命往往小于單電池使用壽命，嚴(yán)重限制其在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。運(yùn)用智能化動(dòng)力電池參數(shù)管理系統(tǒng)，結(jié)合動(dòng)力電池的成組運(yùn)用技術(shù)，在電池組使用過程中對每個(gè)單電池參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握電池組中單電池不一致性發(fā)展規(guī)律，對極端電池及時(shí)進(jìn)行更換,并對正常電池進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，把電池組參數(shù)不一致性控制在合理范圍內(nèi)。不一致性得到了控制，動(dòng)力電池的壽命和容量也就得到了提升，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程必然也會(huì)增加。

圖1 智能化動(dòng)力電池管理系統(tǒng)

3、整車優(yōu)化

3.1減輕整車質(zhì)量

車身輕量化對于汽車?yán)m(xù)航里程的提升是極其重要的。我們都知道，在工況不變的前提下汽車的能量消耗和質(zhì)量基本上成線性關(guān)系。純電動(dòng)汽車在這方面表現(xiàn)的尤為明顯，純電動(dòng)汽車車身質(zhì)量的增加會(huì)明顯縮短續(xù)航里程。相比傳統(tǒng)汽車，純電動(dòng)汽車在電池方面增加了一部分質(zhì)量，同時(shí)還要求整車質(zhì)量要盡可能的小，這就需要在車身輕量化方面尋求一些解決途徑。目前，國內(nèi)外專家們已經(jīng)形成了較大共識，其實(shí)車身輕量化，無外乎新材料的應(yīng)用、車身輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造工藝這三個(gè)方面。

1）新材料的應(yīng)用是車身輕量化的主流。采用輕量化的金屬和非金屬材料，主要是采用鋁鎂合金、工程塑料和碳纖維等各種新型材料，比如汽車車身下部、散熱水箱和發(fā)動(dòng)機(jī)等可以適量采用一些鋁合金材料，前機(jī)罩蓋和行李箱蓋則可采用碳纖維等復(fù)合材料。

2）車身輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過概念性設(shè)計(jì)階段的拓?fù)鋬?yōu)化、基本設(shè)計(jì)階段的形貌優(yōu)化及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的尺寸優(yōu)化來指導(dǎo)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；谟邢拊治龇椒ǎ谩耙越Y(jié)構(gòu)換強(qiáng)度”的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并采用拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化工具設(shè)計(jì)出滿足純電動(dòng)汽車車身性能要求的框架式車身結(jié)構(gòu)。比如純電動(dòng)汽車后側(cè)圍外板以及頂層外板部分并不作為主要承載部件卻在車身總質(zhì)量中所占比例較大，在設(shè)計(jì)時(shí)我們就可以對此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用鋼塑一體化結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)鈑金構(gòu)件基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的塑料注塑工藝，在鈑金件上覆以一定厚度的高強(qiáng)度塑料，通過增加低密高強(qiáng)塑料材料的應(yīng)用，以達(dá)到降低鈑金件質(zhì)量，改善結(jié)構(gòu)件性能的目的。

3）先進(jìn)的制造工藝。一種輕量化材料的應(yīng)用必須要以一種優(yōu)良的制造工藝為支撐，從而實(shí)現(xiàn)一種輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如可以采用先進(jìn)的點(diǎn)焊或者激光拼焊技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接技術(shù)，在保證部件之間的焊接質(zhì)量的同時(shí)也會(huì)減輕連接件的質(zhì)量。

3.2減小風(fēng)阻系數(shù)

汽車外輪廓影響風(fēng)阻系數(shù)，而風(fēng)阻系數(shù)首先影響的就是純電動(dòng)汽車的電量消耗。汽車風(fēng)阻會(huì)隨速度的增大按平方規(guī)律增大，即每當(dāng)速度增加2倍，

阻力增加4倍，而功率消耗則增大8倍！其次風(fēng)阻系數(shù)還會(huì)影響風(fēng)燥。而氣動(dòng)噪聲大小和風(fēng)阻系數(shù)大小是密切相關(guān)的。風(fēng)燥不但會(huì)增大車阻消耗能量，甚至還會(huì)對車內(nèi)人員的精神和生理造成危害，嚴(yán)重影響駕乘樂趣。因此減小風(fēng)阻系數(shù)對純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的提升是有利的。

減小風(fēng)阻系數(shù)就要掌握空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識。一般情況下，兩廂車風(fēng)阻系數(shù)大于三箱車，車尾形狀變化劇烈的風(fēng)阻系數(shù)大于流線外形的，車的長高比大的風(fēng)阻系數(shù)大于長高比小的風(fēng)阻系數(shù)?？諝鈩?dòng)力學(xué)涉及的車身減阻降噪及高速氣動(dòng)穩(wěn)定性等方面的內(nèi)容對純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的提升有很大幫助，從汽車領(lǐng)域的空氣動(dòng)力學(xué)研究手段來看，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD (流體計(jì)算仿真技術(shù))都是目前的主流方法。目前CFD已發(fā)展成一門較為成熟的技術(shù)學(xué)科，其研究方向主要集中在湍流方程、網(wǎng)格劃分等環(huán)節(jié)。因此加強(qiáng)氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)與工業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)合，改進(jìn)氣動(dòng)造型優(yōu)化方法，提高CFD仿真優(yōu)化的精度和效率，都將提高車身造型的氣動(dòng)設(shè)計(jì)水平，而氣動(dòng)性能與動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、高速行駛穩(wěn)定性等性能是密切相關(guān)的，高水平的氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)將會(huì)使純電動(dòng)汽車風(fēng)阻系數(shù)下降到一個(gè)較為可觀的水準(zhǔn)。

4、結(jié)語

以上三種方案詳細(xì)論述了純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量不足及整車質(zhì)量過大等問題，并提出了一些具體的解決方案，理論上在延長純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程上是可行的。隨著科技的進(jìn)步和國家對純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)扶持力度的增大，將會(huì)有更多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于純電動(dòng)汽車，限制純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的續(xù)航問題必將完美解決。

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測試試驗(yàn)

Analysis on The Measures of Improving The Mileage of Pure Eelectric Vehicle

Zhang Shangsheng, Liu Min, Yuan Zhongguo
( Automotive Engineering Institute, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023 )

Abstract:The important factors influencing pure electric vehicle range include unremarkable energy recovery, fast power battery capacity attenuation and heavy vehicle mass. Aiming at these problems, we put forward three solution methods to further improve the range of pure electric vehicles: thermal storage technology, intelligent power battery management system and overall vehicle optimization.

Keywords:pure electric vehicle; vehicle rang; storage technology; intelligent power battery management system

中圖分類號：U469.72+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-7988 （2016）05-144-03

作者簡介：張尚生，就讀于德州學(xué)院汽車工程學(xué)院。