唐保龍，趙廣成，馬 超

電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程及影響因素分析

唐保龍1，趙廣成2，馬 超1

（1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司 中央研究院，浙江 寧波 315336；2.極氪汽車（寧波杭州灣新區(qū)）有限公司 新能源開發(fā)中心，浙江 寧波 315336）

續(xù)駛里程是客戶購(gòu)買電動(dòng)車的重點(diǎn)考慮因素之一，增加續(xù)駛里程也是各廠商的重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)對(duì)象。論文通過(guò)講解電動(dòng)車的構(gòu)成及原理，并基于基礎(chǔ)理論，從三電與整車維度分析和總結(jié)了影響續(xù)駛里程的因素。結(jié)合常用測(cè)試工況，分析了各因素對(duì)續(xù)駛里程及能量消耗率的影響程度。最后通過(guò)實(shí)例，展示了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程開發(fā)在數(shù)據(jù)仿真階段和實(shí)車驗(yàn)證階段的重點(diǎn)工作內(nèi)容，為以后的電動(dòng)汽車的開發(fā)提供參考。

電動(dòng)汽車；續(xù)駛里程；能量消耗率；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；電機(jī)效率；動(dòng)力電池；影響因素

隨著石油能源的減少及環(huán)境污染的日益加劇，電動(dòng)汽車（Electric Vehicles, EV）由于具有低能耗、零排放等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受歡迎。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油車的最大區(qū)別是其動(dòng)力源來(lái)自于動(dòng)力電池，動(dòng)力電池提供的電能作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能源，可以做到汽車尾氣零排放，緩解汽車尾氣帶來(lái)的大氣污染。但由于充電設(shè)施少、距離遠(yuǎn)、充電時(shí)間長(zhǎng)等，續(xù)駛里程成為評(píng)價(jià)純電動(dòng)車汽車性能的最重要指標(biāo)，也是客戶選購(gòu)純電動(dòng)汽車的重要參考因素。

1 電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程

在本節(jié)中說(shuō)明純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程概念以及純電動(dòng)汽車的構(gòu)成、原理及特點(diǎn)。

1.1 續(xù)駛里程概念

續(xù)駛里程是指電動(dòng)汽車在動(dòng)力蓄電池完全充電狀態(tài)下，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離。在這里引入能量消耗率的概念，能量消耗率是指電動(dòng)汽車經(jīng)過(guò)規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)后對(duì)動(dòng)力蓄電池重新充電至試驗(yàn)前的容量，從電網(wǎng)上得到的電能除以行駛里程所得到的值，稱為能量消耗率（網(wǎng)端）。本文把續(xù)駛里程稱為續(xù)航，能量消耗率稱為電耗。

1.2 電動(dòng)汽車的構(gòu)成

電動(dòng)汽車是指驅(qū)動(dòng)能量完全由電能提供的、由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電能來(lái)源于車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)。與燃油車相比，三電系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心特征。三電系統(tǒng)指電驅(qū)系統(tǒng)、電驅(qū)控制系統(tǒng)、電池系統(tǒng)。電動(dòng)汽車的主要特征如圖1所示。除了三電系統(tǒng)以外，還有為之配套的充放電系統(tǒng)，DC/DC變換器等。

圖1 電動(dòng)車構(gòu)造解析

1.3 電動(dòng)汽車基本原理

通過(guò)外接直流或者交流電對(duì)電池進(jìn)行充電，電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存，是車輛獲得前行的能源。駕駛過(guò)程中，電池通過(guò)電源轉(zhuǎn)換器向電機(jī)供電，來(lái)自加速踏板的信號(hào)輸入到電子控制器中，進(jìn)而控制電機(jī)輸出的扭矩來(lái)調(diào)整車輛以達(dá)到需求速度。當(dāng)車輛滑行或者制動(dòng)時(shí)[1]，通過(guò)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)轉(zhuǎn)化動(dòng)能給電池進(jìn)行充電，增加續(xù)駛里程。

1.4 電動(dòng)汽車特點(diǎn)

與燃油車相比，電動(dòng)汽車有如下主要特點(diǎn)：（1）驅(qū)動(dòng)能源來(lái)自于電能，效率高、節(jié)能、清潔、零排放；（2）電驅(qū)特性，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，起步加速快，控制線性；（3）不需要變速器即可實(shí)現(xiàn)變速；（4）無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)，噪音低；（5）電機(jī)體積小、重量輕，容易布置。

2 續(xù)駛里程與能量消耗率計(jì)算

2.1 理論計(jì)算公式[2]

電動(dòng)汽車的能量消耗率一般指電網(wǎng)端能量消耗率，在本節(jié)中，為便于理解和計(jì)算，忽略了電網(wǎng)與充電設(shè)備效率的影響，特指電池端能量消耗率。

單位里程能量消耗率是所消耗能量與行駛里程的比值，其式為

式中，為單位里程能量消耗率，kW·h/km；ei為行駛中的功率需求，kW；i為行駛距離，km；i為行駛時(shí)間，h。

為了便于分析，把行駛工況分解為怠速工況、勻速工況、加速工況、減速工況四個(gè)工況。

（1）怠速工況。電動(dòng)汽車在怠速工況時(shí)，由于電驅(qū)無(wú)動(dòng)力輸出，行駛能量消耗可視為零。

（2）勻速工況。由汽車行駛方程式可以得出勻速行駛時(shí)功率需求，其式為

式中，d為功率需求，d為勻速車速，km/h；d為風(fēng)阻系數(shù)；為迎風(fēng)面積，m2；為坡度，°；為滾動(dòng)阻力系數(shù)，N/kN；t為電驅(qū)效率。

把式（2）代入式（1），即可得到勻速工況的單位里程能量消耗量，其式為

式中符號(hào)含義同式（2）說(shuō)明。

（3）加速工況。加速行駛時(shí)的功率需求為

式中，j為功率需求；()為車速，km/h；為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；j為加速度；其他符號(hào)含義同式（2）說(shuō)明。把式（4）代入式（1）即可得到加速行駛工況的能量消耗率：

式中，0為加速起始車速，km/h；j為加速終了速度，km/h；其他符號(hào)含義同式（2）說(shuō)明。

（4）減速工況。在滑行減速或者制動(dòng)減速時(shí)，電機(jī)無(wú)動(dòng)力輸出，此時(shí)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)對(duì)動(dòng)力電池充電，進(jìn)行能量回收，將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中。

通過(guò)以上公式可以得出在組合工況(以上四個(gè)工況的組合)下的能量消耗量為

式中，t為組合工況下的能量消耗量，kW.h。

假設(shè)電池的額定總能量為

m=m·m（7）

由此可得到續(xù)駛里程

式中，t為續(xù)駛里程，km。

值得說(shuō)明的是，式（8）忽略了充電效率、放電深度、放電效率、車載電器損耗等因素。實(shí)際開發(fā)中需要考慮這些因素，采用復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2 行駛工況[3]

在討論續(xù)駛里程與能量消耗率時(shí)，需明確行駛工況。行駛工況不同，同一臺(tái)汽車的測(cè)試結(jié)果也會(huì)不同。在國(guó)內(nèi)，純電動(dòng)乘用車的測(cè)試行駛工況為中國(guó)乘用車行駛工況（China Light-duty Vehicle Test Cycle Passenger Car, CLTC-P），包括低速、中速、高速共3個(gè)速度區(qū)間，每個(gè)循環(huán)時(shí)長(zhǎng)1 800 s，里程14.48 km。CLTC-P工況曲線如圖2所示。

圖2 CLTC-P工況曲線

CLTC-P工況對(duì)中國(guó)汽車行駛工況開發(fā)技術(shù)路線的總結(jié)凝練，綜合考慮了人口、汽車保有量、GDP等多項(xiàng)指標(biāo)以及我國(guó)各典型城市、地區(qū)地理、氣候特點(diǎn)等來(lái)確定，符合中國(guó)國(guó)情與實(shí)際情況。

CLTC-P測(cè)試流程分為常規(guī)工況法與縮短法。其中縮短法測(cè)試流程如圖3所示。

圖3 縮短法測(cè)試流程

不超過(guò)8個(gè)CLTC-P循環(huán)里程的車輛采用常規(guī)工況法，超過(guò)8個(gè)循環(huán)的車輛采用縮短法[4]。

3 續(xù)駛里程的影響因素

通過(guò)以上內(nèi)容的說(shuō)明，可以看出影響續(xù)駛里程因素主要有三電相關(guān)的電驅(qū)、電池，整車相關(guān)的重量、風(fēng)阻、機(jī)械阻力、低壓電耗、能量回收能力等。以下分析結(jié)果及影響程度均基于CLTC-P工況進(jìn)行仿真，仿真模型如圖13所示。

3.1 電驅(qū)影響

純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、控制系統(tǒng)、減速器、傳動(dòng)軸組成。電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成汽車驅(qū)動(dòng)力的裝置。電驅(qū)的外特性曲線如圖4所示。

圖4 電機(jī)外特性曲線

在同等電量下，電機(jī)效率越高，轉(zhuǎn)化為可利用的動(dòng)能越多，續(xù)駛里程越長(zhǎng)。在選型時(shí)，要選取綜合效率高、高效率區(qū)間占比大的電驅(qū)系統(tǒng)。

電驅(qū)效率對(duì)續(xù)駛里程的影響如圖5所示。

圖5 電驅(qū)效率的影響

從仿真結(jié)果看，電驅(qū)效率對(duì)續(xù)駛里程影響明顯，電驅(qū)效率每提升2%，續(xù)航增加約3.4%。

當(dāng)前主流為三合一電驅(qū)，綜合效率在89%左右。但隨著各廠商對(duì)電驅(qū)研發(fā)的投入，四合一、七合一、八合一系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。電驅(qū)系統(tǒng)高度集成后，具備體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。尤其是SiC材料的采用，大大提升了電驅(qū)效率。

3.2 動(dòng)力電池影響

動(dòng)力電池為整車行駛提供能量，影響續(xù)駛里程的主要參數(shù)有（1）影響可提供電量的電池容量[5]、放電深度、能量密度等；（2）影響制動(dòng)能量回收的峰值充電功率、持續(xù)充電功率等。其中能量密度是各主機(jī)廠關(guān)注的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，提升電池能量密度可有效降低整車重量。例如對(duì)于60 kWh電量的動(dòng)力電池能量密度大約120 Wh/kg，如果提升至150 Wh/kg，可減輕120 kg左右，收益匪淺。

電池受環(huán)境溫度的影響較大[6]，本文中的仿真與測(cè)試環(huán)境溫度為常溫。

3.3 重量影響

輕量化是節(jié)能減排的有效手段，在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的重量，從而提高汽車的經(jīng)濟(jì)性。白車身的輕量化系數(shù)、電池的能量密度等參數(shù)可用來(lái)衡量輕量化水平。

隨著技術(shù)發(fā)展，輕量化手段多種多樣，比如從材料上采用高強(qiáng)度物料以及塑料化開發(fā)，從結(jié)構(gòu)上通過(guò)靈敏度分析進(jìn)行優(yōu)化，從工藝上采用熱沖壓工藝等方面進(jìn)行。

通過(guò)仿真分析，可知重量對(duì)續(xù)駛里程和能量消耗率的影響如圖6所示。

圖6 重量的影響

從仿真結(jié)果可以看出，重量每下降100 kg，續(xù)駛里程增加3.7%左右。

3.4 風(fēng)阻影響

空氣阻力簡(jiǎn)稱為風(fēng)阻，指空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的阻礙力[7]。物體在運(yùn)行時(shí)，前面的空氣被壓縮，兩側(cè)表面與空氣的摩擦，以及尾部后面形成的部分真空，這些作用所引起的合力為空氣阻力。

影響風(fēng)阻的因素有造型、迎風(fēng)面積、前格柵開口面積、前艙氣流管理、輪輞及輪腔、車底平滑度、尾流形態(tài)等。

圖7 阻力因子的影響

整車的風(fēng)阻可以通過(guò)兩個(gè)途徑獲得。一是通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真獲得，二是風(fēng)洞試驗(yàn)得到。在開發(fā)前期，由于造型方案多且變化頻繁，一般通過(guò)CFD進(jìn)行仿真分析及快速迭代，增加效率與降低開發(fā)成本。造型方案基本鎖定后，通過(guò)制作油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證或驗(yàn)收。風(fēng)阻對(duì)續(xù)駛里程的影響如圖7所示。其中風(fēng)阻的大小用阻力因子來(lái)表征。

從仿真結(jié)果可以看出，風(fēng)阻每下降10%，續(xù)航增加6%左右。

3.5 制動(dòng)阻力矩影響

制動(dòng)阻力矩由卡鉗拖滯力矩和軸承動(dòng)態(tài)力矩兩部分組成。制動(dòng)阻力矩對(duì)續(xù)駛里程的影響如圖8所示。

當(dāng)前的卡鉗拖滯力矩的水平在1.5 Nm左右，現(xiàn)在已提出“零拖滯扭矩”卡鉗概念，可以控制在1.0 Nm以內(nèi)。

圖8 制動(dòng)阻力矩的影響

從仿真結(jié)果可以看出，制動(dòng)阻力矩每降低10%，續(xù)駛里程增加10%左右。

3.6 輪胎滾阻影響

輪胎由橡膠制成，具有彈性，在與地面接觸的過(guò)程中產(chǎn)生形變，進(jìn)而產(chǎn)生阻力。滾動(dòng)阻力系數(shù)是車輪在一定條件下滾動(dòng)時(shí)所需之推力與車輪負(fù)荷之比，是表征輪胎滾阻的一個(gè)重要參數(shù)。

滾阻系數(shù)對(duì)續(xù)航的影響如圖9所示。

圖9 滾阻系數(shù)影響

從仿真結(jié)果可以看出，滾阻系數(shù)每降低10%，續(xù)駛里程增加2%左右。

輪胎的滾阻系數(shù)與續(xù)航、操控、NVH（Noise, Vibration and Harshness）、制動(dòng)等有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，較低的滾阻系數(shù)雖然有利于提升續(xù)駛里程，但對(duì)操控、制動(dòng)等有不良影響。所以在開發(fā)中不可追求過(guò)低的滾阻系數(shù)。

3.7 輔助（低壓電耗）影響

車輛行駛過(guò)程中，除了必須的動(dòng)力輸出外，駕駛輔助系統(tǒng)也消耗能量。例如車機(jī)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、除霜除霧等。通常把這些統(tǒng)稱為輔助或者低壓電耗。

圖10 低壓電耗影響

如圖10所示，從仿真結(jié)果可以看出，低壓電耗每降低10%，續(xù)駛里程增加1%左右。

3.8 制動(dòng)能量回收影響

制動(dòng)能量回收指汽車滑行、減速或者下坡時(shí)，將車輛行駛過(guò)程中動(dòng)能及勢(shì)能轉(zhuǎn)化為或者部分轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中。在車輛開發(fā)中，能量回收一般設(shè)定輕度、中度、高度三個(gè)等級(jí)。高度等級(jí)回收比例最大，對(duì)續(xù)駛里程增加貢獻(xiàn)最大。

（1）滑行工況，在不踩制動(dòng)情況下，車輛滑行減速直至所需速度?；泄r能量回收示意圖如圖11所示。

圖11 滑行工況的能量回收示意圖

（2）制動(dòng)工況，在踩制動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，由電驅(qū)提供制動(dòng)力。制動(dòng)工況能量回收如圖12所示。

圖12 滑行工況的能量回收示意圖

使用環(huán)境對(duì)能量回收影響較大，例如電機(jī)特性、蓄電池特性、車輛行駛工況、制動(dòng)安全性等。由于篇幅問(wèn)題，本文不再贅述。

4 案例分析

本文結(jié)合某款電動(dòng)車的開發(fā)，介紹了續(xù)航里程開發(fā)流程中仿真階段與實(shí)車驗(yàn)證階段的重要內(nèi)容。

4.1 參數(shù)選定

根據(jù)車輛的開發(fā)需求以及選型結(jié)果，車輛的主要參數(shù)如表1所示。

表1 車輛參數(shù)

整備質(zhì)量/kg滾阻系數(shù)/‰最高車速/(km/h)風(fēng)阻系數(shù) 1 2906.51020.313 EDS效率/%電量/kW.h電池類型電驅(qū)效率/% 8739.4磷酸鐵鋰89

4.2 仿真分析

根據(jù)整車參數(shù)，使用AVL Cruise軟件[6]搭建電動(dòng)車的仿真模型，如圖13所示。

圖13 整車仿真模型

通過(guò)圖13的仿真模型，利用縮短法進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖14所示。

圖14 仿真結(jié)果示意圖（1個(gè)循環(huán)）

從仿真分析結(jié)果可以看出電池狀態(tài)、電驅(qū)輸出及回收功率、瞬時(shí)能量消耗率等信息，通過(guò)分析曲線可以優(yōu)化標(biāo)定策略，進(jìn)而提升續(xù)航。

4.3 實(shí)車測(cè)試

在實(shí)車階段，需要對(duì)續(xù)駛里程目標(biāo)是否達(dá)成進(jìn)行檢驗(yàn)與驗(yàn)收。在轉(zhuǎn)轂測(cè)試前，需要對(duì)驗(yàn)收車輛磨合后，在特定試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行滑行測(cè)試，獲取滑行阻力曲線，如圖15所示。

圖15 滑行阻力曲線

在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行滑行阻力曲線擬合后，采用縮短法對(duì)續(xù)駛里程進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)收。

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車的續(xù)航里程提升既是客戶的需求也是各汽車廠的重點(diǎn)關(guān)注和提升的性能。本文從電動(dòng)汽車的構(gòu)造以及基礎(chǔ)理論公式，結(jié)合測(cè)試工況的特點(diǎn)，分析了影響續(xù)駛里程的關(guān)鍵因素及影響程度，對(duì)以后的電動(dòng)車的開發(fā)都有參考與借鑒意義。

[1] 孫逢春.電動(dòng)汽車工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2019.

[2] 崔勝民.新能源汽車技術(shù)解析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2021.

[3] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息部.中國(guó)汽車行駛工況第1部分:輕型汽車:GB/T 38146.1[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)社,2019.

[4] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息部.電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分:輕型汽車:GB/T 18386.1[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)社,2021.

[5] 黃振富,鐘日敏,黃祖朋.電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響因素分析[J].時(shí)代汽車,2021(16):114-115.

[6] 郭成勝,雷利剛,高劍.環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響分析[J].汽車與駕駛維修,2020(1):70-73.

[7] 饒洪宇,許雪瑩.汽車性能集成開發(fā)實(shí)戰(zhàn)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021.

Range of Battery Electric Vehicle and Analysis of Influencing Factors

TANG Baolong1, ZHAO Guangcheng2, MA Chao1

( 1.Central Research Institute, Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Company Limited,Ningbo 315336, China; 2.New Energy Development Center, ZEEKR Automobile (Hangzhou Bay New Area)Company Limited, Ningbo 315336, China )

Range is one of the key considerations for customers to purchase battery electric vehicles, and increasing range is also a key technical target for manufacturers. By understanding the composition and principle of battery electric vehicles, based on the basic theory, the factors affecting the range from system of motor and control system and battery to the whole vehicle were analyzed and summarized. Combined with the commonly used test conditions, the level of influence of various factors on the range and energy consumption rate was analyzed. Finally, the key work contents of the range development of battery electric vehicles in the simulation stage and the real vehicle verification stage were shown by examples, which could provide an important reference for the development of battery electric vehicles in the future.

Battery electric vehicle; Range; Energy consumption rate; Drive motor; Motor efficiency; Traction battery; Influencing factors

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.005

U461.8

A

1671-7988(2022)21-25-07

U461.8

A

1671-7988(2022)21-25-07

唐保龍（1982—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎噷傩蚤_發(fā)，E-mail:tangbaolong@hotmail.com。