王真 陳健龍

摘 要：電動汽車在冬季行駛時，由于電池容量衰減、行駛阻力變化及空調(diào)能耗增加，續(xù)航里程嚴重縮短，對用戶的使用造成極大不便。因此，對電動汽車冬季續(xù)航能力進行研究和評估對于用戶和汽車生產(chǎn)商尤為重要。文章通過理論推導(dǎo)及實際試驗驗證數(shù)據(jù)對電池充放電特性、空調(diào)加熱能耗及低溫行駛阻力三方面影響因素進行分析，并建立電動汽車低溫續(xù)航里程模型。

關(guān)鍵詞：電動汽車低溫續(xù)航性能;電池充放電特性;空調(diào)能耗

中圖分類號：U469.72 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-01-05

Abstract： When electric vehicles are driving in winter， due to the attenuation of battery capacity， the change of driving resistance and the increase of air conditioning energy consumption， the endurance mileage is seriously shortened， which causes great inconvenience to users. Therefore， it is very important for users and automobile manufacturers to study and evaluate the winter endurance capability of electric vehicles. Based on the theoretical derivation and the actual test data， this paper analyzes the battery charging and discharging characteristics， air conditioning heating energy consumption and low-temperature driving resistance， and establishes the low-temperature range model of electric vehicles.

Keywords： Electric vehicle low temperature endurance performance; Battery charging and discharging characteris -tics; Air conditioning energy consumption

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-01-05

前言

續(xù)駛里程是整車性能指標(biāo)中最重要的一項指標(biāo)，也是目前決定純電動汽車能否被市場所接受和被廣泛應(yīng)用的最主要因素。受制于電池技術(shù)的瓶頸，電動汽車的續(xù)航里程仍然不能使人滿意，這一點在冬季的低溫環(huán)境下體現(xiàn)的尤為明顯。

因此，對低溫續(xù)航里程影響因素分析并對低溫續(xù)航里程精確估算，并以此指導(dǎo)電動汽車的設(shè)計、為消費者使用提供準(zhǔn)確參考具有重要的現(xiàn)實意義。

本文分析環(huán)境溫度對電動汽車電池容量、行駛阻力、附加能耗的影響，并在此基礎(chǔ)上建立電動汽車低溫續(xù)航里程的計算模型，對電動汽車的低溫續(xù)航里程進行評估。

1 電動汽車低溫續(xù)航里程的影響因素

電動汽車低溫續(xù)航里程是指電動汽車在低溫環(huán)境下，對動力蓄電池完全充電后，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離。

電動汽車低溫車續(xù)航里程取決于電池電量和車輛能耗兩方面因素。其中，電池電量主要受電池充放電特性、電池標(biāo)稱電量影響，而車輛能耗主要受行駛阻力變化、附件能耗變化影響。本文分別對電池充放電特性、附件能耗和行駛阻力變化等方面進行分析，進而確定電動汽車冬季續(xù)航里程衰減的原因。

1.1 動力電池的低溫充放電特性

作為電動汽車的唯一能量源，動力電池性能對電動汽車的續(xù)航性能有著決定性影響。但是在低溫環(huán)境下，動力電池的充放電性能都有顯著衰減：由于在低溫環(huán)境中，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流的速度比室溫條件下慢很多，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，這種化學(xué)反應(yīng)變得極為緩慢，電池就沒電了。

為了研究動力電池在不同溫度下的充放電特性，按照QC/T 743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》的規(guī)定，對某一鋰離子電池分別在室溫、0℃、-10℃和-20℃四種環(huán)境條件下進行充放電容量測試，充放電電流均為1/3C倍率。

隨著環(huán)境溫度的下降，電池的恒流充電容量逐漸降低，尤其當(dāng)溫度低于-20℃時，電池的恒流充電容量下降較快，主要原因是隨著溫度降低，電池的整體內(nèi)阻增大造成歐姆極化增大，電化學(xué)極化增大和濃差極化提前，使充電電壓很快達到充電上限電壓，充電方式很快由恒流充電轉(zhuǎn)化為恒壓充電。

隨著溫度的降低，鋰離子電池的放電容量和放電平臺電壓都有所下降，尤其當(dāng)溫度低于-20℃時，電池的放電容量下降較快。這是因為隨著溫度的降低，電解液的離子電導(dǎo)率隨之降低，電極材料活性降低，導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化均增大。在電池的放電曲線上表現(xiàn)為放電容量隨著溫度降低而降低。

1.2 附件能耗

電動汽車附件能耗是指電動汽車在行駛過程中，除去動力能耗（即電動機能耗）外的其他輔助設(shè)備能耗，主要包括：車艙空調(diào)能耗、電池保溫系統(tǒng)能耗、車燈能耗、移動設(shè)備充電能耗等。其中，車艙空調(diào)能耗為汽車中能耗最大的輔助設(shè)備，受使用環(huán)境的影響比較大。

汽車空調(diào)的負荷主要由以下部分構(gòu)成：新風(fēng)負荷、太陽輻射熱負荷、車體圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱負荷、發(fā)動機艙傳熱及由人體散熱、車內(nèi)電子器件散熱等構(gòu)成的其他負荷。

1.2.1 車體圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱部分

在汽車空調(diào)運行時，車內(nèi)外會維持一定的溫差。由此，熱量會在車內(nèi)外通過圍護結(jié)構(gòu)傳遞，從而給空調(diào)造成一部分的負荷。汽車圍護結(jié)構(gòu)通常由多層構(gòu)成，每層性質(zhì)各不相同，且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使得計算車體導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的難度非常大。然而，對于熱負荷計算而言，關(guān)注更多的是維持車內(nèi)外一定溫差時所需的熱量，因此可測定整個車體圍護結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)，以便計算維持一定溫差時所需的熱量。根據(jù)傳熱學(xué)已知：

由圖1可知，隨著環(huán)境溫度降低，滾阻溫度修正系數(shù)逐步增大，即滾動阻力隨著環(huán)境溫度的降低而逐步增大;在-20℃的環(huán)境溫度下，車輛的滾動阻力將增大為25℃下滾動阻力的1.56倍。

1.3.3 傳動系阻力

變速箱的機油溫度與周圍環(huán)境的溫度成線性關(guān)系：當(dāng)外部溫度降低10℃時，變速箱中機油溫度降低8～10℃。而機油溫度的變化會對潤滑條件產(chǎn)生影響，進而對傳動系阻力產(chǎn)生影響。為了明確環(huán)境溫度對變速箱阻力的影響，對某電動車型的變速箱的拖滯阻力進行臺架測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2中3條曲線分別為在60、80、90℃條件下測得的變速箱阻力隨變速箱轉(zhuǎn)速變化曲線：隨著變速箱溫度的降低，變速箱的拖滯阻力逐步增大，而且該增大值在變速箱不同轉(zhuǎn)速下近似為一定值;在60℃～100℃溫度范圍內(nèi)，變速箱溫度每降低20℃時，該變速箱拖滯阻力增大1～2Nm。

2 低溫續(xù)航里程模型構(gòu)建

對于純電動汽車，車輛行駛時需克服行駛阻力做功，并提供附件需要的功率，即動力電池的輸出功率必須滿足汽車行駛過程中的需求功率。因此，為了評估電動汽車在給定條件下的低溫續(xù)航里程，需要對動力電池的充放電特性、空調(diào)能耗、低溫行駛阻力及續(xù)航里程計算進行建模。

2.1 電池模型構(gòu)建

由1.1部分可知，動力電池的充放電特性容易受到環(huán)境溫度的影響，在不同溫度條件下其充放電容量和充放電平臺電壓都有明顯變化，在忽略單體電池之間一致性的前提下，認為單體電池經(jīng)過各種組合方式組合成動力電池包之后，其充放電特性基本不發(fā)生變化，因此，可以得到動力電池的充放電等效模型：

2.2.1 車體圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱負荷

由式（3）可知，對于確定的車型，若在試驗中給定車體內(nèi)部的熱源發(fā)熱量，并測定車內(nèi)外的平均溫差，即可計算出車體綜合傳熱系數(shù)K，由此可反推不同工況下維持車內(nèi)外固定溫差所需要的熱量Q。

為了確定車體綜合傳熱系數(shù)K，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所根據(jù)上述思路進行了試驗：將所有車窗、車門關(guān)閉并將空調(diào)模式調(diào)整至內(nèi)循環(huán);電加熱置于前后排座位上，開啟空調(diào)鼓風(fēng)機，并將HVAC模式調(diào)整為吹面模式，使得車內(nèi)溫度的不均勻度盡可能降低;待各溫度測點的測量值穩(wěn)定后，記錄電加熱功率，并根據(jù)式（3）對車體綜合傳熱系數(shù)進行計算。車體圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的測試工況如表1所示。

車體圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱試驗結(jié)果如表2所示。由表2中的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：隨著車速的上升，車體綜合傳熱系數(shù)成上升趨勢。

2.2.2 新風(fēng)負荷

由式（4）可知，測定不同車內(nèi)外風(fēng)速及空調(diào)工作狀態(tài)下的車內(nèi)外壓差，再使用風(fēng)量測量裝置測定不同壓差下的風(fēng)量，即可測得不同工況下車體的新風(fēng)量。

按照該思路，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所進行了試驗，試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

3 總結(jié)與建議

本文針對電動汽車冬季續(xù)航里程衰減問題，分析了電動汽車低溫續(xù)航里程衰減的主要因素，進而通過理論推導(dǎo)及實際試驗驗證數(shù)據(jù)對電池充放電特性、空調(diào)加熱能耗及低溫行駛阻力三方面影響因素進行分析，并建立電動汽車低溫續(xù)航里程模型，明確了阻力、電池衰減及空調(diào)使用等不同因素對電動汽車低溫續(xù)航衰減的影響占比。

由上述分析可知在低溫環(huán)境下空調(diào)的使用、電池容量衰減及行駛阻力的增大使電動汽車續(xù)航產(chǎn)生衰減。因此本文分別從車輛設(shè)計和車輛使用兩個方面提出電動汽車在低溫條件下續(xù)航性能改善的建議，主要有以下措施：

（1）設(shè)計電池加熱裝置：動力電池在低溫條件下的充電及放電容量衰減較大，建議為動力電池設(shè)計電池加熱裝置，自動為電池加熱并保溫，使動力電池在最佳溫度狀態(tài)下工作，減少電池衰減電量。

（2）開發(fā)新的續(xù)航里程儀表提醒策略：用戶在出行前通常會參考電動汽車儀表上顯示的車輛可用續(xù)航里程，避免出現(xiàn)車輛中途拋錨、不能達到目的地等不便問題。但是大多數(shù)電動汽車的儀表續(xù)航里程都只是常溫工況下的理想續(xù)航里程，沒有考慮氣溫及空調(diào)使用對電動汽車性能的影響，給用戶帶來極大的困擾和不便，因此建議開發(fā)新的續(xù)航里程儀表提醒策略，為用戶提供更精準(zhǔn)的續(xù)航性能參考，改善用戶的使用體驗。

（3）采用效率更高的熱泵系統(tǒng)取暖：當(dāng)前電動汽車多采用給電阻加壓產(chǎn)生焦耳熱的方式進行車艙供暖，這種制熱方式效率較高，故在低溫時極大地增加了車輛的能耗。因此建議公司采用效率更高的熱泵系統(tǒng)代替PTC電加熱器。

（4）車輛停放位置：在冬季氣溫較低的天氣下，建議用戶在車輛不運行時盡量將汽車停放在溫暖的室內(nèi)停車庫里面。

（5）使用內(nèi)循環(huán)：電動汽車在低溫條件下空調(diào)耗電量占比較大，其中很大一部分由新風(fēng)負荷負荷造成。因此建議用戶在低溫環(huán)境下盡量使用內(nèi)循環(huán)模式取暖，以減小新風(fēng)負荷。

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