王春生 王學(xué)超 孫浩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司）

隨著國家對新能源汽車的大力推進，新能源汽車近年來取得了飛速發(fā)展，各企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)均在新能源汽車技術(shù)上重點投入。然而，當前在電池能量密度與電池快充技術(shù)未取得突破性進展，及充電基礎(chǔ)設(shè)施布局尚未完善的情況下，新能源汽車尤其是純電動汽車的續(xù)航里程成為發(fā)展的瓶頸。為了更好的提升新能源汽車的續(xù)航里程，文章通過仿真計算和臺架試驗，對影響新能源汽車續(xù)航里程的因素進行了分析，定性的給出各因素對汽車續(xù)航里程變化的影響，并在電池、電機、整車行駛阻力及控制策略等方面提出了改進措施，達到了提高新能源汽車續(xù)航里程的目的。

1 新能源汽車續(xù)航里程

1.1 續(xù)航里程定義

文章所述新能源汽車包括純電動汽車和混合動力汽車，純電動汽車的續(xù)航里程是指汽車在動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；混合動力汽車續(xù)航里程是指在電池完全充電、油箱加滿油的狀態(tài)下，一定工況下能夠連續(xù)行駛的最大距離，所以油箱容積和整車控制策略對混合動力汽車續(xù)航里程有一定影響。

新能源汽車開發(fā)時，一般根據(jù)車型定位、市場銷售及同級別車型的情況確定汽車的續(xù)航里程，從而進一步確定汽車電池或油箱容積。文獻[1]規(guī)定了不同里程對應(yīng)的利用系數(shù)的計算方法，利用系數(shù)是根據(jù)美國居民日均出行里程的統(tǒng)計得來的，從其利用系數(shù)曲線來看，美國居民日均出行里程小于100 km的人約占75%[1]，而對中國來說，由于人口密度相對更高，這一比例預(yù)估可到90%～95%。

1.2 理論計算

根據(jù)理論計算，新能源汽車在純電動模式，以速度u行駛時，計算電機輸出的功率，如式（1）所示。

式中：P——電機輸出功率，W；

m——整備質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——迎風面積，m2；

r——滾動半徑，m；

u——車速，m/s；

ηT——傳動系效率；

i——傳動系速比；

f——滾動阻力系數(shù)。

汽車續(xù)航里程的計算，如式（2）所示。

式中：S——續(xù)航里程，m；

η——電機效率；

W——電池電量，W·h。

此外，汽車輔助裝置的能量消耗和汽車行駛環(huán)境都會對電動汽車的續(xù)航里程有影響；同時整車控制策略和油箱容積也會對混合動力汽車的續(xù)航里程有影響。

2 續(xù)航里程影響因素的分析

由電動汽車的設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗可知，對新能源汽車續(xù)航里程影響較大的主要是電池和電機等關(guān)鍵零部件、整車設(shè)計及控制策略。文章將重點對幾項關(guān)鍵影響因素進行定性分析。

2.1 電池

新能源汽車電池的總電量、比能量、放電效率及放電深度等參數(shù)會影響汽車續(xù)航里程。電池總電量與汽車續(xù)航里程成正比，而放電效率和放電深度則影響整車可用電池電量。電池放電效率、放電深度越高，電池可用電量越多，汽車續(xù)航里程也越大。

在整車尺寸和整車設(shè)計整備質(zhì)量目標大致確定的情況下，其電池質(zhì)量目標有限，電池的比能量尤為重要。比能量是單位質(zhì)量電池所提供的電量，即電池可用電量與質(zhì)量的比值（W·h/kg），電池的比能量越大，單位質(zhì)量的電池可利用的能量越多[2]24-43。

目前，新能源汽車所用動力電池基本為鋰離子電池或鋰聚合物電池；鋰離子電池具有高比能量、高比功率、高能量效率及高溫工作性能好的特點，其零部件可循環(huán)利用，所以適用于新能源汽車；鋰聚合物電池的比能量和比功率是所有動力電池中最高的，并且循環(huán)使用壽命長。新能源汽車動力電池性能參數(shù)對比，如表1所示。

表1 新能源汽車動力電池性能參數(shù)對比表

對于新能源汽車特別是純電動汽車，理論上電池電量越大越好，但是電池電量增加的同時，整車質(zhì)量也增加，汽車能耗變大，續(xù)航里程不一定能同比例增長。另外，受到布置空間的限制，新能源汽車的電池電量基本保持在某一范圍內(nèi)。

2.2 電機效率

由式（2）可知，電池參數(shù)確定后，電動汽車續(xù)航里程由電機輸出功率和電機效率決定；而電機輸出功率主要由整車行駛阻力確定，影響新能源汽車續(xù)航里程的主要因素是電機效率。電機效率越高，續(xù)航里程越大；不同工況下的電機效率對電動汽車的續(xù)航里程影響不同。因而，對電動車用驅(qū)動電機而言，不僅要求電機在額定狀態(tài)下具有較高的輸出效率，而且要求電機具有很寬的高效率區(qū)域，即在較寬的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)均能保證高效率的輸出，這樣才能在各種行駛工況下充分利用有限的能量，增加續(xù)航里程。

通常情況下，交流電機比直流電機的工況效率高，續(xù)航里程也比較長；永磁電機是目前應(yīng)用最廣泛、最適合于純電動汽車和混合動力汽車的交流電機，因為其具有較高的功率密度和優(yōu)越的性能[2]52-126。

2.3 行駛阻力

汽車行駛阻力主要包括滾動阻力、空氣阻力、加速阻力及坡度阻力。實際行駛過程中，滾動阻力和空氣阻力是一直存在的，減小滾動阻力和空氣阻力對減小整車能耗尤為重要。

滾動阻力除與滾動阻力系數(shù)有關(guān)外，還與整車質(zhì)量關(guān)系尤為密切。為了更好地說明整車質(zhì)量對能耗和續(xù)航里程的影響，選取某新能源車型，設(shè)定其滾動阻力系數(shù)為0.01、風阻系數(shù)取0.37保持不變，通過綜合MATLAB仿真和臺架試驗驗證可以得出，不同整備質(zhì)量下該新能源車型的純電動續(xù)航里程，如表2所示。統(tǒng)計表明整車質(zhì)量每減輕100 kg，100 km電耗大約降低0.5～1kW·h，結(jié)果表明約有70%的能耗用在車身質(zhì)量上。

表2 某純電動汽車不同整備質(zhì)量對應(yīng)的續(xù)航里程表

對于空氣阻力，可通過改進車身流線來降低空氣阻力系數(shù)和減小迎風面積，進而降低整車空氣阻力。而選用低滾阻輪胎，是目前減小汽車滾動阻力的主要方法。

2.4 控制策略

對于純電動汽車，只有一種控制模式，即電量消耗模式（CD模式），即電池剩余電量不斷降低。一般通過選擇較為緩和的電機動力曲線和增大回饋力度等策略來實現(xiàn)減少100 km電耗，進而增大續(xù)航里程。

而插電式混合動力汽車（PHEV），根據(jù)電池電量的不同，其行駛模式可分為CD模式和電量保持模式（CS模式），分別對應(yīng)不同的控制策略。其CD模式下的整車控制策略又可分為純電動控制（AE控制）和混合控制[3-4]。AE控制是指行駛過程只用電機驅(qū)動，發(fā)動機不工作，電池剩余電量持續(xù)減少，直至達到控制策略規(guī)定的最低水平，其減少能耗的方法與純電動汽車基本一致。而混合控制是指行駛過程不僅用電機驅(qū)動，還可根據(jù)負荷大小和電池電量等因素決定何時啟動發(fā)動機。由于發(fā)動機和電機的高效率區(qū)域正好互補，一般起步采用電機，發(fā)動機進入高效區(qū)域后才會啟動，加之在松油門或者剎車時可以直接熄火發(fā)動機而采用電機輔助，該模式下的能耗一般低于純?nèi)加推?。CS行駛模式下的整車控制策略與普通混合動力（HEV）車型控制策略相同，即發(fā)動機和電機同時工作，電池剩余電量在很窄的范圍內(nèi)波動，基本保持在一定水平。不同新能源車型的控制策略不同，甚至同一車型的不同控制策略，都會影響到整車續(xù)航里程。

2.5 其他影響因素

汽車輔助裝置能量消耗包括照明、音響、空調(diào)、車載控制系統(tǒng)、空氣壓縮機及液壓泵等，除空調(diào)外，輔助裝置能量消耗約占總能量消耗的6%～12%，如果開空調(diào)，比例還會增加，所以汽車行駛過程中，應(yīng)盡量減少輔助裝置的能量消耗，以避免續(xù)航里程過短。

汽車行駛環(huán)境包括溫度、道路條件及交通狀況等；溫度變化影響動力電池的可用電量，從而影響續(xù)航里程；道路條件及交通狀況會影響整車能耗，進而影響續(xù)航里程。

汽車油箱大小也會影響混合動力汽車的續(xù)航里程，油箱越大，相同能量消耗條件下的續(xù)航里程越大；一般是根據(jù)汽車最大續(xù)航里程來確定油箱容積。

3 結(jié)論

文章通過理論計算，對新能源汽車續(xù)航里程影響因素進行了定性分析，明確了不同因素對續(xù)航里程的影響。在此基礎(chǔ)上，通過對比當前行業(yè)新能源汽車動力電池使用情況，說明比能量大的電池類型是未來的發(fā)展趨勢，論述了針對不同類型的新能源汽車匹配開發(fā)不同控制策略，并通過臺架試驗，定量地說明了整車質(zhì)量對新能源汽車續(xù)航里程的影響，驗證并量化了較多理論研究的結(jié)論，為新能源車的后續(xù)設(shè)計提供了依據(jù)。