新能源汽車?yán)m(xù)航里程影響因素分析

王春生 王學(xué)超 孫浩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司）

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車的大力推進(jìn)，新能源汽車近年來(lái)取得了飛速發(fā)展，各企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)均在新能源汽車技術(shù)上重點(diǎn)投入。然而，當(dāng)前在電池能量密度與電池快充技術(shù)未取得突破性進(jìn)展，及充電基礎(chǔ)設(shè)施布局尚未完善的情況下，新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程成為發(fā)展的瓶頸。為了更好的提升新能源汽車的續(xù)航里程，文章通過(guò)仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)影響新能源汽車?yán)m(xù)航里程的因素進(jìn)行了分析，定性的給出各因素對(duì)汽車?yán)m(xù)航里程變化的影響，并在電池、電機(jī)、整車行駛阻力及控制策略等方面提出了改進(jìn)措施，達(dá)到了提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程的目的。

1 新能源汽車?yán)m(xù)航里程

1.1 續(xù)航里程定義

文章所述新能源汽車包括純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程是指汽車在動(dòng)力蓄電池完全充電的狀態(tài)下，以一定的行駛工況，連續(xù)行駛的最大距離；混合動(dòng)力汽車?yán)m(xù)航里程是指在電池完全充電、油箱加滿油的狀態(tài)下，一定工況下能夠連續(xù)行駛的最大距離，所以油箱容積和整車控制策略對(duì)混合動(dòng)力汽車?yán)m(xù)航里程有一定影響。

新能源汽車開發(fā)時(shí)，一般根據(jù)車型定位、市場(chǎng)銷售及同級(jí)別車型的情況確定汽車的續(xù)航里程，從而進(jìn)一步確定汽車電池或油箱容積。文獻(xiàn)[1]規(guī)定了不同里程對(duì)應(yīng)的利用系數(shù)的計(jì)算方法，利用系數(shù)是根據(jù)美國(guó)居民日均出行里程的統(tǒng)計(jì)得來(lái)的，從其利用系數(shù)曲線來(lái)看，美國(guó)居民日均出行里程小于100 km的人約占75%[1]，而對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，由于人口密度相對(duì)更高，這一比例預(yù)估可到90%～95%。

1.2 理論計(jì)算

根據(jù)理論計(jì)算，新能源汽車在純電動(dòng)模式，以速度u行駛時(shí)，計(jì)算電機(jī)輸出的功率，如式（1）所示。

式中：P——電機(jī)輸出功率，W；

m——整備質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2；

r——滾動(dòng)半徑，m；

u——車速，m/s；

ηT——傳動(dòng)系效率；

i——傳動(dòng)系速比；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)。

汽車?yán)m(xù)航里程的計(jì)算，如式（2）所示。

式中：S——續(xù)航里程，m；

η——電機(jī)效率；

W——電池電量，W·h。

此外，汽車輔助裝置的能量消耗和汽車行駛環(huán)境都會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程有影響；同時(shí)整車控制策略和油箱容積也會(huì)對(duì)混合動(dòng)力汽車的續(xù)航里程有影響。

2 續(xù)航里程影響因素的分析

由電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可知，對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程影響較大的主要是電池和電機(jī)等關(guān)鍵零部件、整車設(shè)計(jì)及控制策略。文章將重點(diǎn)對(duì)幾項(xiàng)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行定性分析。

2.1 電池

新能源汽車電池的總電量、比能量、放電效率及放電深度等參數(shù)會(huì)影響汽車?yán)m(xù)航里程。電池總電量與汽車?yán)m(xù)航里程成正比，而放電效率和放電深度則影響整車可用電池電量。電池放電效率、放電深度越高，電池可用電量越多，汽車?yán)m(xù)航里程也越大。

在整車尺寸和整車設(shè)計(jì)整備質(zhì)量目標(biāo)大致確定的情況下，其電池質(zhì)量目標(biāo)有限，電池的比能量尤為重要。比能量是單位質(zhì)量電池所提供的電量，即電池可用電量與質(zhì)量的比值（W·h/kg），電池的比能量越大，單位質(zhì)量的電池可利用的能量越多[2]24-43。

目前，新能源汽車所用動(dòng)力電池基本為鋰離子電池或鋰聚合物電池；鋰離子電池具有高比能量、高比功率、高能量效率及高溫工作性能好的特點(diǎn)，其零部件可循環(huán)利用，所以適用于新能源汽車；鋰聚合物電池的比能量和比功率是所有動(dòng)力電池中最高的，并且循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。新能源汽車動(dòng)力電池性能參數(shù)對(duì)比，如表1所示。

表1 新能源汽車動(dòng)力電池性能參數(shù)對(duì)比表

對(duì)于新能源汽車特別是純電動(dòng)汽車，理論上電池電量越大越好，但是電池電量增加的同時(shí)，整車質(zhì)量也增加，汽車能耗變大，續(xù)航里程不一定能同比例增長(zhǎng)。另外，受到布置空間的限制，新能源汽車的電池電量基本保持在某一范圍內(nèi)。

2.2 電機(jī)效率

由式（2）可知，電池參數(shù)確定后，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程由電機(jī)輸出功率和電機(jī)效率決定；而電機(jī)輸出功率主要由整車行駛阻力確定，影響新能源汽車?yán)m(xù)航里程的主要因素是電機(jī)效率。電機(jī)效率越高，續(xù)航里程越大；不同工況下的電機(jī)效率對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程影響不同。因而，對(duì)電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，不僅要求電機(jī)在額定狀態(tài)下具有較高的輸出效率，而且要求電機(jī)具有很寬的高效率區(qū)域，即在較寬的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)均能保證高效率的輸出，這樣才能在各種行駛工況下充分利用有限的能量，增加續(xù)航里程。

通常情況下，交流電機(jī)比直流電機(jī)的工況效率高，續(xù)航里程也比較長(zhǎng)；永磁電機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛、最適合于純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的交流電機(jī)，因?yàn)槠渚哂休^高的功率密度和優(yōu)越的性能[2]52-126。

2.3 行駛阻力

汽車行駛阻力主要包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力及坡度阻力。實(shí)際行駛過(guò)程中，滾動(dòng)阻力和空氣阻力是一直存在的，減小滾動(dòng)阻力和空氣阻力對(duì)減小整車能耗尤為重要。

滾動(dòng)阻力除與滾動(dòng)阻力系數(shù)有關(guān)外，還與整車質(zhì)量關(guān)系尤為密切。為了更好地說(shuō)明整車質(zhì)量對(duì)能耗和續(xù)航里程的影響，選取某新能源車型，設(shè)定其滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.01、風(fēng)阻系數(shù)取0.37保持不變，通過(guò)綜合MATLAB仿真和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出，不同整備質(zhì)量下該新能源車型的純電動(dòng)續(xù)航里程，如表2所示。統(tǒng)計(jì)表明整車質(zhì)量每減輕100 kg，100 km電耗大約降低0.5～1kW·h，結(jié)果表明約有70%的能耗用在車身質(zhì)量上。

表2 某純電動(dòng)汽車不同整備質(zhì)量對(duì)應(yīng)的續(xù)航里程表

對(duì)于空氣阻力，可通過(guò)改進(jìn)車身流線來(lái)降低空氣阻力系數(shù)和減小迎風(fēng)面積，進(jìn)而降低整車空氣阻力。而選用低滾阻輪胎，是目前減小汽車滾動(dòng)阻力的主要方法。

2.4 控制策略

對(duì)于純電動(dòng)汽車，只有一種控制模式，即電量消耗模式（CD模式），即電池剩余電量不斷降低。一般通過(guò)選擇較為緩和的電機(jī)動(dòng)力曲線和增大回饋力度等策略來(lái)實(shí)現(xiàn)減少100 km電耗，進(jìn)而增大續(xù)航里程。

而插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV），根據(jù)電池電量的不同，其行駛模式可分為CD模式和電量保持模式（CS模式），分別對(duì)應(yīng)不同的控制策略。其CD模式下的整車控制策略又可分為純電動(dòng)控制（AE控制）和混合控制[3-4]。AE控制是指行駛過(guò)程只用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，電池剩余電量持續(xù)減少，直至達(dá)到控制策略規(guī)定的最低水平，其減少能耗的方法與純電動(dòng)汽車基本一致。而混合控制是指行駛過(guò)程不僅用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還可根據(jù)負(fù)荷大小和電池電量等因素決定何時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的高效率區(qū)域正好互補(bǔ)，一般起步采用電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入高效區(qū)域后才會(huì)啟動(dòng)，加之在松油門或者剎車時(shí)可以直接熄火發(fā)動(dòng)機(jī)而采用電機(jī)輔助，該模式下的能耗一般低于純?nèi)加推?。CS行駛模式下的整車控制策略與普通混合動(dòng)力（HEV）車型控制策略相同，即發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)工作，電池剩余電量在很窄的范圍內(nèi)波動(dòng)，基本保持在一定水平。不同新能源車型的控制策略不同，甚至同一車型的不同控制策略，都會(huì)影響到整車?yán)m(xù)航里程。

2.5 其他影響因素

汽車輔助裝置能量消耗包括照明、音響、空調(diào)、車載控制系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)及液壓泵等，除空調(diào)外，輔助裝置能量消耗約占總能量消耗的6%～12%，如果開空調(diào)，比例還會(huì)增加，所以汽車行駛過(guò)程中，應(yīng)盡量減少輔助裝置的能量消耗，以避免續(xù)航里程過(guò)短。

汽車行駛環(huán)境包括溫度、道路條件及交通狀況等；溫度變化影響動(dòng)力電池的可用電量，從而影響續(xù)航里程；道路條件及交通狀況會(huì)影響整車能耗，進(jìn)而影響續(xù)航里程。

汽車油箱大小也會(huì)影響混合動(dòng)力汽車的續(xù)航里程，油箱越大，相同能量消耗條件下的續(xù)航里程越大；一般是根據(jù)汽車最大續(xù)航里程來(lái)確定油箱容積。

3 結(jié)論

文章通過(guò)理論計(jì)算，對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程影響因素進(jìn)行了定性分析，明確了不同因素對(duì)續(xù)航里程的影響。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比當(dāng)前行業(yè)新能源汽車動(dòng)力電池使用情況，說(shuō)明比能量大的電池類型是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，論述了針對(duì)不同類型的新能源汽車匹配開發(fā)不同控制策略，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，定量地說(shuō)明了整車質(zhì)量對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程的影響，驗(yàn)證并量化了較多理論研究的結(jié)論，為新能源車的后續(xù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。