王志鵬

（深圳市沃特瑪電池有限公司，廣東 深圳 518118）

前言

純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的高低是評(píng)價(jià)一臺(tái)車性能的重要條件，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)一臺(tái)高續(xù)航里程的汽車，其市場(chǎng)接納度、產(chǎn)品檔次、產(chǎn)品售價(jià)等均會(huì)有一定程度的提高。某些企業(yè)為了提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，簡(jiǎn)單粗暴的采取“堆電池”的方式，這樣不僅提高了整車的生產(chǎn)成本，又降低了有效載質(zhì)量。增加續(xù)航可從多個(gè)方面出發(fā)，本文則淺談如何提高純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

1 增加帶電量

增加續(xù)航最直接的方式就是增加帶電量。下圖為 2018年第三批目錄中車長(zhǎng)為4650-4740mm純電動(dòng)車裸車重（扣除電池后整車重量）與百公里耗電關(guān)系。可見在統(tǒng)計(jì)車輛中，A級(jí)車裸車重在 1200kg左右波動(dòng)時(shí)，整車百公里耗電量約14kwh，當(dāng)車重為1500kg時(shí)，百公里耗電量約為16kwh。

圖1 A級(jí)純電動(dòng)車車重與百公里耗電關(guān)系

當(dāng)整車帶電量增加時(shí)，無(wú)疑會(huì)增加整車?yán)m(xù)航里程。如目標(biāo)開發(fā)車型為續(xù)航350km，裸車重預(yù)計(jì)1200kg，需帶電量為49kwh（3.5*14），但客戶在使用過(guò)程中，不可能將電池電量全部用于做功，實(shí)際使用中還需考慮放電深度問(wèn)題，考慮到75%的放電深度，則需要帶電量約65.3kwh。

但電池電量的增加，無(wú)疑增加了整車生產(chǎn)成本。如考慮一款車終端售價(jià)為20萬(wàn)，裸車核算成本為13萬(wàn)，每kwh電量?jī)r(jià)格為1200元，則可最多安裝7萬(wàn)元電池，即電池電量為58.3kwh，當(dāng)攜帶電量過(guò)大時(shí)，增加了成本，降低了整車的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖2 不同溫度下電池放電曲線

當(dāng)整車增加電量時(shí)，還需考慮電池放電問(wèn)題。以上為不同溫度下鋰電池放電特性，為保證電池在不同溫度下的放電特性，需要在低溫時(shí)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱處理，以保證電池在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。

2 增加傳動(dòng)系統(tǒng)效率

圖3 簡(jiǎn)易整車動(dòng)力系統(tǒng)輸入及控制圖

圖3為簡(jiǎn)易動(dòng)力輸出及控制圖，目前電機(jī)控制器效率為97%左右，驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率從 80～95%不等（圖 4）。目前乘用車普遍使用高轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率普遍為85%左右。

圖4 理想狀態(tài)的永磁同步電機(jī)map圖

如上圖，永磁同步電機(jī)map圖，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)效率較高，其他轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)效率為85%（理想狀態(tài)）。

圖5 電機(jī)效率曲線4

實(shí)際測(cè)試的電機(jī)效率曲線。由上圖可看到在低速時(shí)，電機(jī)效率僅70%左右。與內(nèi)燃機(jī)相同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)只有在額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)時(shí)才會(huì)有較高效率。當(dāng)整車低速行駛時(shí)，整車行駛系疼效率僅65%。

3 使用低滾阻輪胎

車輛在行駛過(guò)程中的阻力如下公式：

上式中 Ff-滾動(dòng)阻力、Fw-空氣阻力、Fi-坡度阻力、Fj加速阻力

在上述阻力中，滾動(dòng)阻力及空氣阻力在任何行駛條件下均是存在的，當(dāng)車輛在水平的路面上勻速行駛時(shí)，車輛僅受到滾動(dòng)阻力與空氣阻力。

輪胎的滾動(dòng)阻力主要是由于道路及輪胎的變形，輪胎與道路表面摩擦形成。滾動(dòng)阻力影響因素主要有輪胎因素及工況因素兩方面。輪胎因素主要為輪胎結(jié)構(gòu)材料、輪胎氣壓、花紋及磨損情況。工況因素主要有汽車載重、行駛速度等方面。

例如，當(dāng)汽車行駛速度達(dá)到某個(gè)臨界速度后（不同輪胎速度不同），輪胎會(huì)產(chǎn)生“駐波”現(xiàn)象，輪胎的周緣不再是圓形而成為波浪狀，此時(shí)不但滾動(dòng)阻力增加，車輪的溫度也將迅速增加到 100℃以上，幾分鐘內(nèi)可能出現(xiàn)爆破現(xiàn)象。考慮到車輛在高速行駛時(shí)不會(huì)達(dá)到使輪胎達(dá)到產(chǎn)生駐波現(xiàn)象的速度，那么車輛的滾動(dòng)阻力系數(shù)主要影響方式為輪胎方面。

圖6 滾動(dòng)阻力與汽車速度、結(jié)構(gòu)關(guān)系

當(dāng)不同的車速時(shí)滾動(dòng)阻力系數(shù)不同，在高速時(shí)變大，低速時(shí)變小[6]。此外，輪胎滾動(dòng)阻力每增加或者減小 10%，汽車的能耗則也相應(yīng)增加或減小2%[7]。就燃油車而言，輪胎滾動(dòng)阻力越小，汽車油耗也相應(yīng)越少。

因此降低輪胎滾動(dòng)阻力，對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程增加明顯。

4 整車輕量化

就行駛中的車輛而言，重量越重，其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需要的能耗就越高，就內(nèi)燃機(jī)車輛而言，將原車整備質(zhì)量降低10%，則油耗可降低6～10%。純電動(dòng)汽車輕量化主要有以下幾個(gè)方面：

發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率等于汽車行駛過(guò)程中所消耗的所有功率之和，如下公式：

Pt-汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率；Pf-滾動(dòng)阻力功率；Pw-空氣阻力；Pi-坡度阻力；Pj-加速阻力

公式1：汽車功率平衡圖

當(dāng)車輛在平坦的路面上勻速行駛時(shí)，車輛Pj、Pi均等于0.因車輛的面積及風(fēng)阻系數(shù)確定，已設(shè)計(jì)成熟車型無(wú)法改動(dòng)。僅可從滾動(dòng)阻力方面更改，下式為滾動(dòng)阻力消耗功率計(jì)算公式：

G-汽車重力，單位為 N；車速-va，單位單位 km/h，f-滾動(dòng)阻力系數(shù)

公式2：滾動(dòng)阻力消耗功率

上式中，車輛在行駛過(guò)程中消耗功率與整車質(zhì)量正相關(guān)，降低整車質(zhì)量，可降低車輛行駛功率功率消耗，提高續(xù)航里程。純電動(dòng)汽車的減重主要有以下幾個(gè)方面。

4.1 電池包輕量化

目前動(dòng)力電池主要為磷酸鐵鋰及三元鋰兩種形式。商用車大多數(shù)為磷酸鐵鋰電池，乘用車主要為三元鋰結(jié)構(gòu)。目前主流乘用車電池包能量密度為 140～150，特斯拉整車電池包能量密度為250wh/kg。

圖7 A級(jí)純電動(dòng)汽車電池包占整車質(zhì)量比例

上圖為整車2018年第三批推薦目錄中A級(jí)轎車電池包質(zhì)量占整車比例。平均電池包重量約占整車重量22%左右。電池包占比較大，提高電池能量密度勢(shì)在必行。

4.2 車身輕量化

就目前行業(yè)而言，車身輕量化已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。如特斯拉前期modle 3為為全鋁合金車身結(jié)構(gòu)。奧迪汽車很早就開發(fā)了全鋁合金車身技術(shù)，其采用的鋁合金車身生產(chǎn)技術(shù)使得車輛自動(dòng)化水平程度達(dá)到80%，已基本上趕上了傳統(tǒng)鋼制車身水平。目前整車上鋁合金材料應(yīng)用已成熟，大量量產(chǎn)車上已使用鋁合金汽車。但另一方面來(lái)看，雖然鋁合金等材料減重明顯，但因成本及工藝性等問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)性較差。

目前車身材料使用高強(qiáng)度鋼為主流，其強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)性能良好，工藝成熟簡(jiǎn)便。因高強(qiáng)度鋼材不僅具有較高的拉伸強(qiáng)度及屈服點(diǎn)，其碰撞的行性能大大超過(guò)普通鋼板，改善了車輛的安全性能。

4.3 復(fù)合材料及應(yīng)用

塑料材料以其減重明顯、采購(gòu)成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在汽車中使用量近年上升明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前汽車平均塑料用量約8～12%。目前汽車內(nèi)外飾件已基本全部實(shí)現(xiàn)塑料化。

圖8 汽車中常見塑料使用比率

如上圖為目前汽車中常用塑料所用比例，從上圖可看到，目前聚烯烴材料大量應(yīng)用于整車，因其密度小、性能較好且成本低廉，已批量使用。

5 降低耗電系統(tǒng)功率

純電動(dòng)汽車不同于燃油汽車，其中耗電功率較大的電器系統(tǒng)為電動(dòng)冷暖空調(diào)，其中電氣附件附件能耗占到整車輸出能耗的10%～20%[12,13]，此外，在城市工況中，因?yàn)轭l繁啟停的原因，比例將會(huì)更大。

就目前而言，整車空調(diào)系統(tǒng)能耗占到整車電器附件能耗的 60～80%，相對(duì)于燃油汽車而言，燃油汽車的采暖、除霜等功能可使用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行，而純電動(dòng)汽車則需要單獨(dú)使用電能。因每臺(tái)車的設(shè)計(jì)工況不同，需要依設(shè)計(jì)條件匹配空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)功率太大時(shí)影響整車?yán)m(xù)航，但公里太小時(shí)則導(dǎo)致制冷效果不明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

提高純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，需要從各方面入手。單純的增加帶電量雖然可以提高整車?yán)m(xù)航，但帶電量增加導(dǎo)致車輛載質(zhì)量降低，且無(wú)可避免的增加了整車成本。本文從增加帶電量、提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率、輕量化、降低整車耗電附件等方面，提出了純電動(dòng)汽車增加續(xù)航里程方法。