韓友國(guó)　楊玉梅　付超

摘 要：由于純電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時(shí)間加長(zhǎng)、動(dòng)力性下降等問題，導(dǎo)致其在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用較少。本文主要介紹了純電動(dòng)汽車在高寒環(huán)境下的適應(yīng)性研究方案，并結(jié)合具體車型的研究成果展開分析。所述的低溫環(huán)境適應(yīng)性研究包含低溫冷啟動(dòng)、除霜、采暖、直流/交流充電、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、能量回收、以及制動(dòng)操穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;高寒;適應(yīng)性

1 新能源汽車低溫適應(yīng)性研究背景

作為全球第一大汽車消費(fèi)國(guó)，我國(guó)汽車全球市場(chǎng)占有率多年來一直穩(wěn)居第一，其中傳統(tǒng)燃油汽車占據(jù)主導(dǎo)地位。但隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，各地霧霾頻現(xiàn)，基于能源結(jié)構(gòu)安全和環(huán)境保護(hù)壓力，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新能源汽車已成為主流。

2010年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，將新能源汽車列入國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。兩年后，國(guó)務(wù)院出臺(tái)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012―2020年）》，將新能源汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)具體化。隨后，國(guó)家接連出臺(tái)了一系列關(guān)于新能源汽車推廣應(yīng)用的配套補(bǔ)貼優(yōu)惠政策，如：新能源汽車車輛購(gòu)置補(bǔ)貼政策、免征新能源汽車車輛購(gòu)置稅、支持充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。

在國(guó)家及地方政府一系列利好政策的支持下，經(jīng)過 10 多年的研究開發(fā)和示范運(yùn)行，我國(guó)新能源汽車實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；娘w躍式發(fā)展。據(jù)中國(guó)新能源汽車大數(shù)據(jù)研究報(bào)告指出，截至2018年6月3日，我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)保有量已經(jīng)突破200萬量;截至2018年7月15日，新能源汽車國(guó)家監(jiān)測(cè)與管理平臺(tái)已接入超過100萬輛各類新能源汽車，主要分布于京津冀、江浙滬、珠江三角洲等東中部地區(qū)。而西北與東北等高寒地區(qū)新能源汽車推廣應(yīng)用卻寥寥可數(shù)。究其原因主要在于我國(guó)西北和東北地區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng)且高寒，溫度低至-30℃甚至-40℃，而新能源汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時(shí)間加長(zhǎng)、動(dòng)力性下降等問題，導(dǎo)致其在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用較少?；谝陨?，研究可應(yīng)用于高寒環(huán)境的純電動(dòng)汽車已刻不容緩，亟待研發(fā)與推廣。

2 純電動(dòng)汽車低溫適應(yīng)性研究

研究純電動(dòng)汽車低溫環(huán)境適應(yīng)性，通常在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)通過分析整車使用環(huán)境，將目標(biāo)分解至系統(tǒng)乃至零部件，然后在產(chǎn)品驗(yàn)證階段依次進(jìn)行由零部件到系統(tǒng)再到整車的低溫環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證。其中，整車低溫環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證分為臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證。本文所講述的整車低溫環(huán)境適應(yīng)性研究主要是指實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證，各主大機(jī)廠通常會(huì)選擇在黑河、呼倫貝爾等高寒試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行上述研究。

本文所述的純電動(dòng)汽車低溫環(huán)境適應(yīng)性研究主要包含：低溫冷啟動(dòng)、除霜、采暖、直流/交流充電、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、能量回收、以及制動(dòng)操穩(wěn)性，所述的高寒環(huán)境溫度通常在-20℃以下。

2.1 低溫冷啟動(dòng)

低溫冷啟動(dòng)，主要研究純電動(dòng)汽車在高寒環(huán)境中冰凍24h以上后，車輛是否能全部一次性啟動(dòng)成功，是否能夠保持正常行駛、行駛過程中三電系統(tǒng)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)、不出現(xiàn)拋錨、各項(xiàng)指標(biāo)均正常。其中，電池一般低溫報(bào)警、限功率行駛視為整車保護(hù)策略，予以接受。

2.2 低溫除霜

由于冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，車輛前擋風(fēng)玻璃、主副駕側(cè)車窗玻璃容易起霜，這將直接影響駕駛員的視線，從而造成一定的安全隱患。因此，作為純電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，低溫除霜能力的驗(yàn)證必不可少。

低溫除霜驗(yàn)證主要通過在高寒環(huán)境下，使用裝有一定水量的噴壺均勻噴淋在前擋風(fēng)玻璃及主副駕側(cè)車窗玻璃，模擬車輛起霜狀態(tài)，然后開啟空調(diào)系統(tǒng)除霜模式，觀察5min、10min、20min、25min等不同時(shí)間段的除霜能力。除霜能力通過在車窗內(nèi)表面描繪除霜面積蹤跡或拍攝照片記錄。以30min達(dá)到80%除霜面積為佳。圖1為某車型純電動(dòng)汽車的除霜試驗(yàn)結(jié)果，由圖可知，開啟除霜30min后，前擋風(fēng)玻璃、左/右后視鏡除霜面積均超過80%，達(dá)到除霜目標(biāo)要求，且視野良好，滿足整車正常駕駛需求。

2.3 低溫采暖

采暖是冬季高寒地區(qū)日常出行必不可少的一項(xiàng)功能，與傳統(tǒng)汽車采用發(fā)動(dòng)機(jī)暖風(fēng)水箱采暖的方式不同，純電動(dòng)汽車多是采用電加熱管加熱的方式采暖。電加熱管的加熱性能和能耗，是影響純電動(dòng)汽車采暖和續(xù)航的關(guān)鍵因素。因此，測(cè)試純電動(dòng)汽車低溫采暖、保溫能力，監(jiān)控整車低溫采暖能耗，對(duì)于推廣純電動(dòng)汽車應(yīng)用，推進(jìn)節(jié)能減排有重要意義。

低溫采暖主要驗(yàn)證空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的工作可靠性，靜態(tài)與行車采暖時(shí)車輛的快速升溫和保溫能力，以及低溫采暖對(duì)車輛續(xù)航的影響。在進(jìn)行低溫采暖試驗(yàn)時(shí)，首先要對(duì)車輛主要位置（如：頭部、腳部、外溫、各出風(fēng)口）進(jìn)行溫度傳感器布點(diǎn)，然后選擇高寒天氣，分別在靜態(tài)、行車時(shí)開啟PTC，研究車輛主要位置的溫度變化情況、整車采暖能耗、采暖舒適性、以及開/閉PTC時(shí)的續(xù)航差異。

需要注意的是，采暖試驗(yàn)中，整車的采暖效果受多個(gè)條件影響，自動(dòng)空調(diào)與非自動(dòng)空調(diào)的影響因素也不同。對(duì)于自動(dòng)空調(diào)，只需要開啟空調(diào)AUTO模式，測(cè)試升溫、保溫、能耗及主觀舒適性即可;對(duì)于非自動(dòng)空調(diào)，則需要考慮車輛靜態(tài)/動(dòng)態(tài)、內(nèi)/外循環(huán)方式、PTC檔位、鼓風(fēng)機(jī)檔位、吹風(fēng)方式等，測(cè)試不同條件下整車的采暖效果。下表為某純電動(dòng)汽車的高寒環(huán)境下采暖試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)條件為：汽車靜置狀態(tài)、開啟內(nèi)循環(huán)模式、溫度/鼓風(fēng)機(jī)調(diào)至最大檔、吹面、吹腳模式。試驗(yàn)過程中記錄空調(diào)開啟30min內(nèi)數(shù)據(jù)。

由表1可知，開啟空調(diào)5min后，吹面出風(fēng)口、副駕出風(fēng)口、主駕腳部出風(fēng)口溫度可達(dá)40℃以上，制熱效果顯著。10min后，前后排頭部、腳部溫度達(dá)25℃左右，處于人體感覺舒適溫度范圍，滿足低溫條件下的快速升溫需求。15-30min期間，頭部腳部可溫度繼續(xù)升高，此時(shí)用戶可通過空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置，自主、靈活地調(diào)節(jié)采暖效果 。

2.4 低溫充電

低溫充電試驗(yàn)主要驗(yàn)證車輛在高寒環(huán)境時(shí)，車輛充電功能與性能是否可靠。由于動(dòng)力電池低溫充電能力明顯遜與低溫放電能力，甚至當(dāng)溫度低于一定條件時(shí)，禁止給電池充電。因此廠家在設(shè)計(jì)車輛低溫充電功能時(shí)，通常采用預(yù)加熱的方式，也就是當(dāng)環(huán)境溫度低于廠家所設(shè)定的可充電溫度，車輛進(jìn)行充電時(shí)會(huì)率先對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)加熱，當(dāng)動(dòng)力電池溫度提升至可充電溫度后再啟動(dòng)充電，以保證車輛充電效率、充電速度、充電穩(wěn)定性和安全性。

純電動(dòng)汽車充電分為交流慢充和直流快充兩種充電方式。交流慢充主要通過車載充電機(jī)、隨車充電線、充電樁進(jìn)行充電，由于車載充電機(jī)功率較小，導(dǎo)致充電時(shí)間較長(zhǎng);直流快充主要通過快充樁進(jìn)行充電，快充樁功率較大，可快速為車輛補(bǔ)電。低溫充電主要考察純電動(dòng)汽車低溫環(huán)境下可充電性、充電過程無故障、充電時(shí)間符合要求。

圖2為所研究的某車型在-22℃環(huán)境下快充、慢充試驗(yàn)結(jié)果。該車型快/慢充電分為三種模式：加熱模式（Tmin<-20℃）、充電加熱模式（-20℃≤Tmin<15℃）、充電模式（Tmin≥15℃）。Tmin指動(dòng)力電池最低單體溫度。其中，-22℃快充結(jié)果圖中a、b、c分別代表加熱模式、充電加熱模式、充電模式，3h可充電至滿電。-22℃慢充結(jié)果圖中a和c代表充電加熱模式，b和d代表充電模式。由于慢充起始Tmin為-19℃，因此直接進(jìn)入充電加熱模式，10h慢充至滿電。

2.5 低溫動(dòng)力性

純電動(dòng)汽車動(dòng)力性主要受動(dòng)力輸出源和動(dòng)力輸出形式限制，即受動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱限制。低溫環(huán)境下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變速箱幾乎不受影響，動(dòng)力電池成為影響整車動(dòng)力性的關(guān)鍵因素。

動(dòng)力電池的低溫放電性能和BMS控制策略是直接影響整車動(dòng)力性的決定因素。在高寒環(huán)境下，電池的低溫放電性能大幅下降，BMS控制的電池允許最大放電電流也大幅減小，電池功率輸出減小，電驅(qū)系統(tǒng)功率供給受限，導(dǎo)致整車的動(dòng)力性嚴(yán)重削弱。更有甚者，在極寒環(huán)境下，禁止動(dòng)力電池輸出，從而導(dǎo)致整車完全失去動(dòng)力。因此，純電動(dòng)汽車低溫動(dòng)力性研究勢(shì)在必行。

純電動(dòng)汽車低溫動(dòng)力性測(cè)試內(nèi)容包含車輛最高車速、加速性能、最大爬坡度以及坡道起步能力。在具體試驗(yàn)過程中，還要測(cè)試在不同電池溫度、不同SOC、不同駕駛模式下的低溫動(dòng)力性。建立健全低溫動(dòng)力性數(shù)據(jù)庫(kù)，可為純電動(dòng)汽車低溫性能指標(biāo)的建立提供數(shù)據(jù)支持。

表2為某車型在-23℃環(huán)境下、50%-60%SOC時(shí)所測(cè)車輛最高車速、加速性能數(shù)據(jù)。由表可知，在低溫條件下，受電池溫度和SOC影響，電池放電能量下降，從而影響加速性能。同時(shí)，由于低溫環(huán)境下對(duì)空調(diào)采暖的需求，在開啟空調(diào)時(shí)，整車加速功率分配減小，整車動(dòng)力性進(jìn)一步削弱。

2.6 低溫經(jīng)濟(jì)性

純電動(dòng)汽車低溫經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)通常指車輛低溫環(huán)境時(shí)能量消耗率。該試驗(yàn)主要包含充電試驗(yàn)、續(xù)駛里程試驗(yàn)兩部分。在進(jìn)行低溫能量消耗率試驗(yàn)時(shí)，首先將車輛在室內(nèi)以慢充或快充方式充滿電，試驗(yàn)過程中記錄充電過程中來自電網(wǎng)的能量E;然后將車輛置于高寒環(huán)境24h后，選擇城市道路或城郊道路進(jìn)行續(xù)駛里程試驗(yàn)，直至車輛切斷動(dòng)力電池，記錄本次試驗(yàn)的續(xù)駛里程D?？筛鶕?jù)車輛在常溫下續(xù)駛里程，計(jì)算車輛低溫續(xù)駛里程衰減情況。

能量消耗率C計(jì)算公式如下：

C=

低溫續(xù)駛里程衰減率計(jì)算公式如下：

ω=1-

其中，E為充電期間來自電網(wǎng)的能量，單位kwh，D為低溫續(xù)駛里程，單位km。D0為車輛公告續(xù)駛里程，單位km。

2.7 低溫可靠性

低溫可靠性主要通過車輛在高寒環(huán)境中進(jìn)行10000公里加速耐久道路試驗(yàn)，以驗(yàn)證車輛的可靠性。10000km可靠性路試包含試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)3500km和場(chǎng)外6500km試驗(yàn)。其中場(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)路線包含強(qiáng)化壞路，ABS路面、壞路面等，場(chǎng)外試驗(yàn)路線則由試驗(yàn)場(chǎng)周邊周邊一般公路、市區(qū)道路以及高速道路組成。

2.8 低溫能量回收

通常將新能源汽車能量回收機(jī)制分為啟停系統(tǒng)、液壓儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和制動(dòng)能量回收4種，其中，在純電動(dòng)汽車中較為常見的為制動(dòng)能量回收。它主要通過回收車輛在慣性或制動(dòng)中釋放出的多余能量，然后通過發(fā)電機(jī)將回收的能量轉(zhuǎn)化為電能，再存儲(chǔ)至動(dòng)力蓄電池中。然而，由于低溫環(huán)境下路面易結(jié)冰，路面摩擦力明顯降低，若制動(dòng)能量回收不合理，將導(dǎo)致車輛無法達(dá)到制動(dòng)效果而失去平衡。低溫能量回收主要驗(yàn)證車輛在能量回收過程中，能既滿足高效地回收能量用于電能儲(chǔ)備，又要不能因?yàn)榛厥諒?qiáng)度較高，導(dǎo)致車輛失控。

該試驗(yàn)首先將整車置于高寒環(huán)境下24h，然后分別在城市工況和城郊工況下進(jìn)行道路試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過程中電流、電壓、溫度、SOC、行駛里程等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算出車輛能量回收效率;記錄車輛行使過程中制動(dòng)時(shí)的主觀感受，如：是否拖拽感太強(qiáng)、是否出現(xiàn)車輛失控、制動(dòng)時(shí)駕駛員是否有明顯的不適感。同時(shí)，驗(yàn)證低溫環(huán)境不同SOC下緊急制動(dòng)時(shí)回充電流是否符合設(shè)計(jì)要求，一般SOC大于95%時(shí)不允許能量回收。

2.9 制動(dòng)、操穩(wěn)

除了上述試驗(yàn)項(xiàng)目外，還需關(guān)注車輛在冰雪復(fù)雜路面上的行駛性能?？赏ㄟ^定圓操控、雪地繞樁、冰雪路面制動(dòng)、冰雪路面過渡水泥路面的對(duì)接測(cè)試、以及車輪一側(cè)在冰面一側(cè)在水泥路面的對(duì)開測(cè)試等，以驗(yàn)證車輛的制動(dòng)、操穩(wěn)性能。

3 結(jié)論

本文主要介紹了純電動(dòng)汽車在高寒環(huán)境下的9項(xiàng)適應(yīng)性研究，包含車輛冷啟動(dòng)、除霜、采暖、直流/交流充電、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、能量回收、以及制動(dòng)操穩(wěn)性。通過上述研究，可為純電動(dòng)汽車在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

*奇瑞全鋁車身A0級(jí)純電動(dòng)SUV研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化（編號(hào)：16030901035）資助。

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