電動汽車續(xù)駛里程影響因素分析

劉建輝 王仲太 吉文博 王 磊 劉治敏 張力偉

（1-中檢西部檢測有限公司 陜西 西安 710032 2-國家摩托車質(zhì)量檢驗檢測中心）

引言

因操作便捷、噪聲低、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)勢，電動汽車已成為人們出行的首選交通工具之一。續(xù)駛里程不僅是評價電動汽車技術(shù)水平高低的重要指標，也是消費者重點關(guān)注的產(chǎn)品性能。因此，深入研究電動汽車續(xù)駛里程影響因素顯得尤為重要。本文首先對影響續(xù)駛里程的能量流向進行分析，然后從能量流向入手，對電動汽車續(xù)駛里程的影響因素展開分析，展望未來電動汽車續(xù)駛里程增加的方向。

1 影響續(xù)駛里程的能量分析

1.1 能量計算

電動汽車在行駛過程中，驅(qū)動系統(tǒng)所消耗的能量來自動力電池輸出的能量。國內(nèi)外對電動汽車續(xù)駛里程的能量計算提出了多種方法，但基本遵循動力電池輸出的能量與車輛行駛過程所消耗的能量相等的原則[1]。電動汽車在行駛過程中的功率方程為公式（1），能量轉(zhuǎn)化方程為公式（2）。

式中：Pe為電動汽車行駛的功率需求；ηm為車輛傳動效率；M 為整車總質(zhì)量；g 為重力加速度；f 為滾動阻力系數(shù)；ua為車輛行駛速度；θ 為坡度角；C 為空氣阻力系數(shù)；A 為車輛的迎風面積；δ 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt 為車輛行駛加速度。

式中：UB為動力電池工作電壓；I 為動力電池工作電流；η 為電氣系統(tǒng)效率。

1.2 能量流向分析

電動汽車在行駛過程中，動力電池向電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)輸出能量。當減速或制動時，通過制動能量回收將一部分動能轉(zhuǎn)化為電能，可增加動力電池的儲能。電動汽車的能量流向如圖1 所示，所消耗動力電池的能量主要流向車輪行駛過程中克服阻力做功，其余的能量流向電池放電損失、電機和控制器系統(tǒng)損耗、傳動系統(tǒng)損耗等，而車身附件所消耗的能量基本可以忽略不計[2]。

圖1 電動汽車能量流向示意圖

2 影響因素分析

電動汽車在行駛過程中，續(xù)駛里程的長短受到整車結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件、工作環(huán)境、駕駛習慣等諸多方面影響。

2.1 整車參數(shù)對續(xù)駛里程的影響

對于電動汽車而言，整車參數(shù)與續(xù)駛里程有直接關(guān)系。其中主要與滾動阻力系數(shù)f、空氣阻力系數(shù)C、整車總質(zhì)量M、迎風面積A、傳動系效率ηm等有關(guān)[3]。李國良等[4]在以交流電機作為驅(qū)動力的電動汽車上研究了整車參數(shù)對續(xù)駛里程的影響。圖2、圖3、圖4 分別為滾動阻力系數(shù)f、空氣阻力系數(shù)C 和整車總質(zhì)量M 對電動汽車續(xù)駛里程的影響。

圖2 滾動阻力系數(shù)f 對續(xù)駛里程S 的影響

圖3 空氣阻力系數(shù)C 對續(xù)駛里程S 的影響

圖4 整車總質(zhì)量M 對續(xù)駛里程S 的影響

由圖2 可以看出，滾動阻力系數(shù)對電動汽車的續(xù)駛里程有著重要影響。結(jié)合公式（1）可知，滾動阻力系數(shù)增大，滾動阻力隨之增大，功率消耗增大，續(xù)駛里程減少。

由圖3 可以看出，在低速行駛時，空氣阻力對電動汽車續(xù)駛里程的影響不明顯。在中高速行駛時，車速越高，與車身外觀有關(guān)的空氣動力學特性表現(xiàn)越明顯，續(xù)駛里程隨著空氣阻力系數(shù)的增大而減少。

結(jié)合公式（1），由圖4 可以看出，隨著整車總質(zhì)量的增加，行駛阻力增大，克服阻力的功率增加，續(xù)駛里程相應(yīng)減少。

電動汽車的傳動系效率影響電機輸出能量的傳遞。結(jié)合公式（1）可知，傳動效率與能量損耗大小成反比關(guān)系，隨著傳動效率提高，電動汽車在能量傳遞過程中的損耗降低，續(xù)駛里程增加。

2.2 動力電池對續(xù)駛里程的影響

動力電池是驅(qū)動車輛行駛的能量來源，可重復(fù)實現(xiàn)電化學能量的相互轉(zhuǎn)換，是制約電動汽車續(xù)駛里程的關(guān)鍵因素。動力電池性能的好壞主要體現(xiàn)在充放電容量的大小。放電容量越大，續(xù)駛里程越長。動力電池容量受到電池材料和結(jié)構(gòu)、電池組均勻性、工作環(huán)境溫度等因素的影響。

2.2.1 動力電池性能對續(xù)駛里程的影響

不同材料的動力電池具有不同的性能，主要體現(xiàn)在額定容量、比能量、內(nèi)阻等方面的差異。因此，動力電池性能對續(xù)駛里程有著至關(guān)重要的影響。對于電動汽車而言，由于受到車輛自身空間限制，動力電池的比能量、功率密度需盡可能高，以便車輛擁有更好的動力性和更長的續(xù)駛里程。鉛酸電池、金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池、超級電容等[5]均可作為車載動力電池。鉛酸電池具有成本低廉、性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟等特點。鉛酸電池的比能量一般為50～70（W·h）/kg，能量密度一般為100（W·h）/L。由于存在自身質(zhì)量較大、正極的活性物質(zhì)利用率低、大電流充放電效率不高、技術(shù)進步緩慢等問題，鉛酸電池嚴重制約著電動汽車續(xù)駛里程的提高。

鋰離子電池綜合性能遠優(yōu)于鉛酸電池。目前主要是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩類。鋰離子單體電池的工作電壓較高，比能量、能量密度接近鉛酸電池的2 倍，且自放電率不足9%。目前，電動汽車已進入“鋰電化”時代。

2.2.2 電池組均勻性對續(xù)駛里程的影響

車載動力電池通常是由多塊單體電池組成的電池組，由于受到工藝、材料、生產(chǎn)批次等因素的影響，電池組中同規(guī)格的電池性能常存在不均勻性。這種不均勻性不僅造成電池組內(nèi)局部電流密度不均勻，而且會影響單體電池電壓、容量等性能[6-7]。

在電動汽車行駛過程中，電池組不均勻性主要表現(xiàn)在電池組中個別單體電池出現(xiàn)過充電或者過放電，以致單體電池的原有性能下降，電池的輸出能量減少，續(xù)駛里程隨之縮短。圖5 為電動汽車行駛過程車載電池組中2 個單體鉛酸電池的電壓隨時間的變化。

圖5 電池組中2 個單體電池放電電壓變化情況

在行駛的初始階段，2 個單體電池的電壓呈現(xiàn)較平穩(wěn)的下降，且兩者壓降差異較小；隨著行駛時間和放電時間的增加，2 個單體電池的電壓逐漸出現(xiàn)較大差異，壓降差明顯，嚴重影響續(xù)駛里程[8]。

2.2.3 工作環(huán)境溫度對續(xù)駛里程的影響

動力電池的工作環(huán)境溫度是影響電動汽車續(xù)駛里程的又一重要因素，雖然工作環(huán)境溫度不能改變動力電池的固有容量，但可改變動力電池的最大可用容量[9]。溫度直接影響動力電池材料的活性和放電性能，具體表現(xiàn)為影響放電容量[10]。高溫時，電池的電解質(zhì)濃度降低，粘性降低，離子擴散速度隨之加快，活性物質(zhì)能得到深度反應(yīng)，電池的放電容量隨之增大，輸出能量增多，電動汽車的續(xù)駛里程增加；低溫時，離子的擴散受電解液的高粘性影響而降低，活性物質(zhì)的利用率下降，動力電池提前達到截止條件，放電容量減少，輸出能量減少，電動汽車的續(xù)駛里程隨之減少。

陳德兵等[11]開展不同工作環(huán)境溫度對應(yīng)鋰離子電池放電容量的研究，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同工作環(huán)境溫度所對應(yīng)的放電容量曲線

從圖6 可知，隨著工作環(huán)境溫度的降低，鋰離子電池的放電容量有所減少，尤其是當溫度為-20 ℃時，電池的放電容量減少較快。主要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、濃差極化和電化學極化均增大，最大可用容量減少。

依據(jù)GB/T 19638.1-2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池第1 部分：技術(shù)條件》[12]，鉛酸電池放電時，如果工作環(huán)境不是25 ℃，則按照下面的公式換算成25 ℃基準溫度時的實際容量。

式中：Ct為鉛酸電池在t ℃時的實際容量；Ca為基準溫度為25℃時容量；λ 為溫度系數(shù)，一般取0.008；t一般為工作環(huán)境溫度。

結(jié)合公式（3）可知，隨著鉛酸電池工作環(huán)境溫度的升高，其容量在部分范圍內(nèi)呈增大趨勢。其中，溫度每升高1 ℃，容量增加約0.8%[13]。

2.3 電機及其控制系統(tǒng)對續(xù)駛里程的影響

電動汽車的電氣系統(tǒng)效率對續(xù)駛里程有著直接影響，主要與電機及電機控制系統(tǒng)效率有關(guān)[14]。結(jié)合公式（2）可知，額定工況下電機及電機控制系統(tǒng)效率越高，能量的轉(zhuǎn)換及傳遞效率就越高，續(xù)駛里程就越長。因此，電動汽車在實際行駛過程中，其電機不僅要具有較高的額定效率，而且要有較寬的高效率區(qū)域，以實現(xiàn)多工況下能量的有效利用。

2.4 制動能量回收對續(xù)駛里程的影響

制動能量回收是指在電動汽車減速或制動時實現(xiàn)制動能量回收，是提高電動汽車能量利用率的重要措施，一般可降低約15%的能量消耗，增加10%以上的續(xù)駛里程[15]。尤其當電動汽車在城市中行駛時，受交通狀況影響而頻繁起動和制動，采用制動能量回收方式可助力增加續(xù)駛里程。

2.5 行駛工況對續(xù)駛里程的影響

行駛工況不同，所需要的驅(qū)動能量不同，電動汽車的續(xù)駛里程有所差異。等速行駛過程中，車速保持不變，電動汽車的續(xù)駛里程主要受到滾動阻力、空氣阻力、整車總質(zhì)量等因素影響。而在多工況行駛中，道路條件、交通狀況會影響電動汽車的能耗。道路情況復(fù)雜、路況較差，以及交通擁堵等都會使駕駛員頻繁進行急加速、急減速，以致電動汽車大倍率放電，增加了能耗，縮短了續(xù)駛里程。

2.6 駕駛行為對續(xù)駛里程的影響

駕駛行為不同，車輛呈現(xiàn)不同的行駛狀態(tài)，即使在相同線路下車輛的能耗也會表現(xiàn)出差異性[16]，影響續(xù)駛里程。Chaudhari A.R.等[17]研究發(fā)現(xiàn)，即使平均車速一樣，駕駛員操作的差異也會導(dǎo)致調(diào)速變化頻率不同，從而影響最終能耗。如果駕駛行為偏向急加速、急減速，尤其在急加速階段，調(diào)速單元短時間處在最大，造成放電電流突然升高，電池的放電倍率隨之大幅度變化，極化內(nèi)阻增大，電池的放電效率降低，放出的容量相對減少[18]，續(xù)駛里程隨之縮短。如果駕駛行為規(guī)范，加速和制動過程中的幅度適中，續(xù)駛里程隨之相對增加[2]。

3 結(jié)束語

電動汽車作為操作便捷、噪聲小、節(jié)能環(huán)保的交通工具，國內(nèi)使用人數(shù)在不斷增加。續(xù)駛里程不僅是評價電動汽車技術(shù)水平高低的重要指標，也是消費者重點關(guān)注的產(chǎn)品性能。從影響續(xù)駛里程的因素入手，多措并舉，不斷提高產(chǎn)品技術(shù)，能有效增加電動汽車的續(xù)駛里程。

1）優(yōu)化整車參數(shù)。雖然整車參數(shù)較多，但車輛質(zhì)量、傳動效率對續(xù)駛里程有著重要的影響。因此，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用高強度輕量化材料，降低車身質(zhì)量，并提高車輛整體傳動效率，以增加續(xù)駛里程。

2）采用高功率密度電池。隨著電池技術(shù)的革新，具有相對較高功率密度的鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于電動汽車，并在電池管理單元的精準管理和控制下能有效增加續(xù)駛里程。

3）部件性能提高。隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，電動汽車關(guān)鍵部件的技術(shù)在迭代更新，電機及控制系統(tǒng)的整體性能升級、制動能量回收技術(shù)提高，都將有助于增加續(xù)駛里程。