電動汽車的續(xù)駛里程及影響因素分析

唐保龍，趙廣成，馬 超

電動汽車的續(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)駛里程是客戶購買電動車的重點考慮因素之一，增加續(xù)駛里程也是各廠商的重點技術(shù)攻關(guān)對象。論文通過講解電動車的構(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)合常用測試工況，分析了各因素對續(xù)駛里程及能量消耗率的影響程度。最后通過實例，展示了電動汽車的續(xù)駛里程開發(fā)在數(shù)據(jù)仿真階段和實車驗證階段的重點工作內(nèi)容，為以后的電動汽車的開發(fā)提供參考。

電動汽車；續(xù)駛里程；能量消耗率；驅(qū)動電機；電機效率；動力電池；影響因素

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

1 電動汽車的續(xù)駛里程

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

1.1 續(xù)駛里程概念

續(xù)駛里程是指電動汽車在動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汽車經(jīng)過規(guī)定的試驗循環(huán)后對動力蓄電池重新充電至試驗前的容量，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 電動汽車的構(gòu)成

電動汽車是指驅(qū)動能量完全由電能提供的、由電機驅(qū)動的汽車。電機的驅(qū)動電能來源于車載可充電儲能系統(tǒng)。與燃油車相比，三電系統(tǒng)是電動汽車的核心特征。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 電動車構(gòu)造解析

1.3 電動汽車基本原理

通過外接直流或者交流電對電池進行充電，電池通過化學反應對電能進行儲存，是車輛獲得前行的能源。駕駛過程中，電池通過電源轉(zhuǎn)換器向電機供電，來自加速踏板的信號輸入到電子控制器中，進而控制電機輸出的扭矩來調(diào)整車輛以達到需求速度。當車輛滑行或者制動時[1]，通過制動能量回收系統(tǒng)轉(zhuǎn)化動能給電池進行充電，增加續(xù)駛里程。

1.4 電動汽車特點

與燃油車相比，電動汽車有如下主要特點：（1）驅(qū)動能源來自于電能，效率高、節(jié)能、清潔、零排放；（2）電驅(qū)特性，低速時轉(zhuǎn)矩大，起步加速快，控制線性；（3）不需要變速器即可實現(xiàn)變速；（4）無發(fā)動機，噪音低；（5）電機體積小、重量輕，容易布置。

2 續(xù)駛里程與能量消耗率計算

2.1 理論計算公式[2]

電動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、減速工況四個工況。

（1）怠速工況。電動汽車在怠速工況時，由于電驅(qū)無動力輸出，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為風阻系數(shù)；為迎風面積，m2；為坡度，°；為滾動阻力系數(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

式中符號含義同式（2）說明。

（3）加速工況。加速行駛時的功率需求為

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；其他符號含義同式（2）說明。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；其他符號含義同式（2）說明。

（4）減速工況。在滑行減速或者制動減速時，電機無動力輸出，此時電機作為發(fā)電機對動力電池充電，進行能量回收，將一部分動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中。

通過以上公式可以得出在組合工況(以上四個工況的組合)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。實際開發(fā)中需要考慮這些因素，采用復雜的系統(tǒng)進行仿真計算。

2.2 行駛工況[3]

在討論續(xù)駛里程與能量消耗率時，需明確行駛工況。行駛工況不同，同一臺汽車的測試結(jié)果也會不同。在國內(nèi)，純電動乘用車的測試行駛工況為中國乘用車行駛工況（China Light-duty Vehicle Test Cycle Passenger Car, CLTC-P），包括低速、中速、高速共3個速度區(qū)間，每個循環(huán)時長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工況對中國汽車行駛工況開發(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等多項指標以及我國各典型城市、地區(qū)地理、氣候特點等來確定，符合中國國情與實際情況。

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

圖3 縮短法測試流程

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

3 續(xù)駛里程的影響因素

通過以上內(nèi)容的說明，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、風阻、機械阻力、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工況進行仿真，仿真模型如圖13所示。

3.1 電驅(qū)影響

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

圖4 電機外特性曲線

在同等電量下，電機效率越高，轉(zhuǎn)化為可利用的動能越多，續(xù)駛里程越長。在選型時，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。尤其是SiC材料的采用，大大提升了電驅(qū)效率。

3.2 動力電池影響

動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廠關(guān)注的一個關(guān)鍵參數(shù)，提升電池能量密度可有效降低整車重量。例如對于60 kWh電量的動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度物料以及塑料化開發(fā)，從結(jié)構(gòu)上通過靈敏度分析進行優(yōu)化，從工藝上采用熱沖壓工藝等方面進行。

通過仿真分析，可知重量對續(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 風阻影響

空氣阻力簡稱為風阻，指空氣對運動物體的阻礙力[7]。物體在運行時，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。

影響風阻的因素有造型、迎風面積、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

整車的風阻可以通過兩個途徑獲得。一是通過計算流體力學（CFD）仿真獲得，二是風洞試驗得到。在開發(fā)前期，由于造型方案多且變化頻繁，一般通過CFD進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，通過制作油泥模型進行風洞試驗驗證或驗收。風阻對續(xù)駛里程的影響如圖7所示。其中風阻的大小用阻力因子來表征。

從仿真結(jié)果可以看出，風阻每下降10%，續(xù)航增加6%左右。

3.5 制動阻力矩影響

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

當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 制動阻力矩的影響

從仿真結(jié)果可以看出，制動阻力矩每降低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，在與地面接觸的過程中產(chǎn)生形變，進而產(chǎn)生阻力。滾動阻力系數(shù)是車輪在一定條件下滾動時所需之推力與車輪負荷之比，是表征輪胎滾阻的一個重要參數(shù)。

滾阻系數(shù)對續(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）、制動等有強相關(guān)關(guān)系，較低的滾阻系數(shù)雖然有利于提升續(xù)駛里程，但對操控、制動等有不良影響。所以在開發(fā)中不可追求過低的滾阻系數(shù)。

3.7 輔助（低壓電耗）影響

車輛行駛過程中，除了必須的動力輸出外，駕駛輔助系統(tǒng)也消耗能量。例如車機系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導航系統(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 制動能量回收影響

制動能量回收指汽車滑行、減速或者下坡時，將車輛行駛過程中動能及勢能轉(zhuǎn)化為或者部分轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池中。在車輛開發(fā)中，能量回收一般設(shè)定輕度、中度、高度三個等級。高度等級回收比例最大，對續(xù)駛里程增加貢獻最大。

（1）滑行工況，在不踩制動情況下，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）制動工況，在踩制動進行制動時，由電驅(qū)提供制動力。制動工況能量回收如圖12所示。

圖12 滑行工況的能量回收示意圖

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

4 案例分析

本文結(jié)合某款電動車的開發(fā)，介紹了續(xù)航里程開發(fā)流程中仿真階段與實車驗證階段的重要內(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]搭建電動車的仿真模型，如圖13所示。

圖13 整車仿真模型

通過圖13的仿真模型，利用縮短法進行仿真，結(jié)果如圖14所示。

圖14 仿真結(jié)果示意圖（1個循環(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、瞬時能量消耗率等信息，通過分析曲線可以優(yōu)化標定策略，進而提升續(xù)航。

4.3 實車測試

在實車階段，需要對續(xù)駛里程目標是否達成進行檢驗與驗收。在轉(zhuǎn)轂測試前，需要對驗收車輛磨合后，在特定試驗場地進行滑行測試，獲取滑行阻力曲線，如圖15所示。

圖15 滑行阻力曲線

在轉(zhuǎn)轂上進行滑行阻力曲線擬合后，采用縮短法對續(xù)駛里程進行測試與驗收。

5 結(jié)論

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

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

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

[3] 中華人民共和國工業(yè)和信息部.中國汽車行駛工況第1部分:輕型汽車:GB/T 38146.1[S].北京:中國標準社,2019.

[4] 中華人民共和國工業(yè)和信息部.電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法第1部分:輕型汽車:GB/T 18386.1[S].北京:中國標準社,2021.

[5] 黃振富,鐘日敏,黃祖朋.電動汽車續(xù)駛里程的影響因素分析[J].時代汽車,2021(16):114-115.

[6] 郭成勝,雷利剛,高劍.環(huán)境溫度對電動汽車續(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)實戰(zhàn)手冊[M].北京:機械工業(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，高級工程師，研究方向為整車屬性開發(fā)，E-mail:tangbaolong@hotmail.com。