解 難,胡月昆,楊 帆,李 春
(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心, 天津 300300)
近年來(lái),我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量逐漸提高。從2009年起,我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量超過(guò)美國(guó)成為世界第一。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給生活帶來(lái)了便利,但是占大多數(shù)的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。近年來(lái)全國(guó)的部分城市深受霧霾的影響,造成霧霾的元兇PM2.5與汽車(chē)的顆粒物排放有著很大的聯(lián)系。為減少汽車(chē)對(duì)能源的消耗和環(huán)境的影響,各國(guó)相繼推出專(zhuān)項(xiàng)研究計(jì)劃,大力扶持電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率較高,電動(dòng)汽車(chē)的行駛經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比有較大優(yōu)勢(shì)[1-3]。目前,電動(dòng)汽車(chē)在全球范圍內(nèi)得到快速的發(fā)展。全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)表現(xiàn)亮眼,離不開(kāi)中國(guó)市場(chǎng)強(qiáng)勁需求的推動(dòng)。2017年以來(lái),中國(guó)政府加大了環(huán)境保護(hù)的力度,大力推廣新能源汽車(chē),不僅出臺(tái)了“雙積分”政策,也在考慮制定禁售燃油車(chē)的時(shí)間表。這一系列舉措助推中國(guó)這個(gè)全球最大的電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)更快地發(fā)展[4]。
電動(dòng)車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量持續(xù)火爆,消費(fèi)者也對(duì)電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越關(guān)注,尤其是電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)一次加油可行駛600 km以上,有些燃油效率較高的汽車(chē)甚至可以達(dá)到1 400 km(如大眾Polo BlueMotion)[1]。由于動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度較低,電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程很難達(dá)到傳統(tǒng)燃油車(chē)的程度。目前市售電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程基本上在150~250 km,部分車(chē)型達(dá)到300 km以上。但是這些續(xù)駛里程是基于試驗(yàn)室數(shù)據(jù)獲得,與用戶(hù)在使用過(guò)程中實(shí)際的續(xù)駛里程會(huì)有較大差異。使用過(guò)程中影響電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程的因素很多。不同的行駛工況對(duì)電動(dòng)車(chē)的續(xù)航有較大影響。同時(shí)電池可提供的能量與功率需求和環(huán)境條件等因素關(guān)系較大。Sato等[5]的研究表明,當(dāng)電池溫度高于50 ℃時(shí),放電效率和使用壽命都會(huì)有較大的衰減。Pesaran等[6]提出電池的最佳工作溫度范圍是25~40 ℃,而當(dāng)電池溫度低于0 ℃時(shí),放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)困難。對(duì)于電動(dòng)車(chē)而言,由于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī),其附件運(yùn)行消耗的能量,特別是電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的能量來(lái)自于電池,電動(dòng)車(chē)在怠速工況下,空調(diào)系統(tǒng)的功耗占整個(gè)電池功耗的77.08%[7],對(duì)續(xù)駛里程有較大影響。
本文研究在高低溫使用條件下,運(yùn)行汽車(chē)空調(diào)時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響,同時(shí)考察電動(dòng)汽車(chē)的空調(diào)性能。
試驗(yàn)在帶有環(huán)境倉(cāng)、陽(yáng)光模擬系統(tǒng)和四驅(qū)底盤(pán)測(cè)功機(jī)的整車(chē)試驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。環(huán)境倉(cāng)試驗(yàn)室如圖1所示。
表1 試驗(yàn)設(shè)備
圖1 環(huán)境倉(cāng)試驗(yàn)室
試驗(yàn)方法的制定主要依據(jù)GB/T 18386—2005《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程》、美標(biāo)SC03關(guān)于高溫空調(diào)試驗(yàn)的要求。
電動(dòng)汽車(chē)放電結(jié)束之后,在環(huán)境溫度為(25±5)℃下充電到滿(mǎn)電狀態(tài),試驗(yàn)前在該溫度下放置12 h以上[8]。然后持續(xù)運(yùn)行NEDC循環(huán),直到車(chē)輛不能跟隨NEDC曲線,記錄車(chē)輛的續(xù)駛里程。期間不使用空調(diào)及其他用電設(shè)備,得到常溫續(xù)駛里程。試驗(yàn)完成之后在常溫條件下充電,記錄電量,作為車(chē)輛的能耗指標(biāo)。
常溫條件下充滿(mǎn)電的車(chē)輛在(35±3)℃的溫度條件下進(jìn)行高溫試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為(850±45) W/m2。高溫試驗(yàn)前,車(chē)輛在該高溫環(huán)境中浸車(chē)至少0.5 h,期間光照強(qiáng)度保持為(850±45) W/m2。以車(chē)頂最高點(diǎn)平面位置為基準(zhǔn)設(shè)定,試驗(yàn)中開(kāi)啟空調(diào)制冷,運(yùn)行NEDC循環(huán)??照{(diào)運(yùn)行穩(wěn)定后保持23~25 ℃的轎廂舒適條件。當(dāng)車(chē)輛不能跟隨NEDC曲線時(shí),記錄車(chē)輛的續(xù)駛里程為車(chē)輛高溫續(xù)駛里程。同時(shí)記錄車(chē)輛轎廂溫度首次到達(dá)25 ℃的時(shí)間,作為空調(diào)性能的體現(xiàn)。
常溫條件下充滿(mǎn)電的車(chē)輛在(-7±3)℃的溫度條件下進(jìn)行低溫試驗(yàn),低溫試驗(yàn)前在該溫度下浸車(chē)12 h以上。試驗(yàn)中開(kāi)啟空調(diào)制暖。運(yùn)行NEDC循環(huán)。空調(diào)運(yùn)行穩(wěn)定后保持20~22 ℃的轎廂舒適條件,直到車(chē)輛不能跟隨NEDC曲線,記錄車(chē)輛的續(xù)駛里程為車(chē)輛低溫續(xù)駛里程。同時(shí)記錄車(chē)輛轎廂溫度首次到達(dá)20 ℃的時(shí)間,作為空調(diào)性能的體現(xiàn)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。
表2 電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)
試驗(yàn)選取了9輛在市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē),其中微型車(chē)4輛,常規(guī)車(chē)5輛。依據(jù)本文1.2節(jié)所示的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試,得出試驗(yàn)結(jié)果。
4輛微型車(chē)整備質(zhì)量為775~1 175 kg,最高車(chē)速限制在100 km/h以?xún)?nèi)。5輛常規(guī)電動(dòng)汽車(chē)的整備質(zhì)量為1 580~2 160 kg,最高車(chē)速為120~152 km/h。
這9輛電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池電量與整備質(zhì)量的關(guān)系如圖2所示。
圖2 動(dòng)力電池電量與整備質(zhì)量的關(guān)系
從圖2中可以看出:微型車(chē)的動(dòng)力電池電量較低,在20 kW·h左右,配合100 km/h的最高車(chē)速,一般適用于城市上下班;常規(guī)電動(dòng)車(chē)的電池容量為40~50 kW·h,最高車(chē)速超過(guò)120 km/h,適用于較遠(yuǎn)距離的駕駛和高速駕駛。
不同車(chē)輛的常溫續(xù)駛里程比較結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出:電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程與電池電量呈現(xiàn)正相關(guān),而電池電量的加大會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛整備質(zhì)量的增加,影響車(chē)輛續(xù)駛里程。
在電動(dòng)車(chē)的實(shí)際運(yùn)行條件下,環(huán)境溫度及與其相關(guān)的空調(diào)的使用是對(duì)續(xù)駛里程影響最大的因素。
在高低溫條件下空調(diào)的運(yùn)行會(huì)造成一定的能耗,另外高低溫環(huán)境也會(huì)造成電池放電性能的降低,使車(chē)輛的續(xù)駛里程進(jìn)一步降低。
各電動(dòng)汽車(chē)在高低溫條件下的續(xù)航里程相對(duì)常溫條件下的續(xù)駛里程下降率如圖4所示。
圖3 不同車(chē)輛的常溫續(xù)駛里程分析
圖4 環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)車(chē)輛續(xù)駛里程的影響
從圖4可以看出:所有車(chē)輛的低溫續(xù)駛里程下降要遠(yuǎn)大于高溫續(xù)駛里程下降,原因在于低溫浸車(chē)對(duì)于電池放電性能的影響較大,且低溫狀態(tài)下,車(chē)廂溫度與環(huán)境溫度的溫差為27~29 ℃,遠(yuǎn)大于高溫狀態(tài)下10~12 ℃的溫差。
微型車(chē)的高溫續(xù)駛里程下降率為16%~31%;低溫續(xù)駛里程下降率為31%~53%;常規(guī)車(chē)的高低溫續(xù)駛里程下降率在整體上低于微型車(chē),高溫續(xù)駛里程下降率為8%~19%,低溫下降率為20%~45%。這一方面在于隨著車(chē)輛價(jià)值的升高,車(chē)輛的空調(diào)性能和車(chē)輛的密封性能的提升帶來(lái)了能耗的降低;另一方面,普通電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程一般高于微型車(chē),在計(jì)算上也會(huì)導(dǎo)致續(xù)駛里程下降率的降低。
電動(dòng)汽車(chē)能耗與整備質(zhì)量的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出:電動(dòng)車(chē)在常溫條件下的電耗與其整備質(zhì)量有很強(qiáng)的相關(guān)性,應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行相關(guān)性分析,相關(guān)性系數(shù)為0.83,表明兩者高度相關(guān)。電動(dòng)車(chē)輛的能耗還取決于車(chē)輛的電池性能、整車(chē)的匹配以及能量回收策略等因素,但是整備質(zhì)量是主要的影響因素之一。
圖5 電動(dòng)汽車(chē)能耗與整備質(zhì)量
空調(diào)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為高低溫條件下車(chē)廂內(nèi)降溫和升溫時(shí)間。升溫時(shí)間為低溫條件下艙內(nèi)平均溫度升到20 ℃的時(shí)間;降溫時(shí)間為高溫條件下艙內(nèi)平均溫度降到25 ℃的時(shí)間。以上參數(shù)用以評(píng)價(jià)空調(diào)的響應(yīng)能力和制冷加熱效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
圖6 空調(diào)性能比較(升降溫時(shí)間)
從數(shù)據(jù)分析上看,常規(guī)車(chē)在高溫條件下的降溫時(shí)間要顯著低于微型車(chē),顯示出較好的空調(diào)性能和車(chē)輛密封性能;但是在低溫條件下的升溫時(shí)間上沒(méi)有明顯的趨勢(shì),因?yàn)樯郎匾话銥镻TC加熱,主要體現(xiàn)為車(chē)輛控制策略和PTC加熱器功率的差異。
1) 加大電池容量一定程度上可加大續(xù)駛里程,但是受整備質(zhì)量加大的不利因素,續(xù)駛里程并不隨電池容量線性增加。在加大電池電量提升車(chē)輛續(xù)駛里程能力的同時(shí),應(yīng)特別注重車(chē)身和電池的輕量化設(shè)計(jì)。
2) 低溫續(xù)駛里程下降率大,用戶(hù)體驗(yàn)差,電動(dòng)車(chē)輛應(yīng)特別注意動(dòng)力電池的熱管理和低溫放電性能的提升,并提高空調(diào)系統(tǒng)的熱效率以降低能耗。同時(shí),應(yīng)當(dāng)提升車(chē)輛的密封性并降低車(chē)輛的導(dǎo)熱性能,以降低制冷電量的需求。
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