韓友國　楊玉梅　付超

摘 要：由于純電動汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時間加長、動力性下降等問題，導(dǎo)致其在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用較少。本文主要介紹了純電動汽車在高寒環(huán)境下的適應(yīng)性研究方案，并結(jié)合具體車型的研究成果展開分析。所述的低溫環(huán)境適應(yīng)性研究包含低溫冷啟動、除霜、采暖、直流/交流充電、動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、能量回收、以及制動操穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;高寒;適應(yīng)性

1 新能源汽車低溫適應(yīng)性研究背景

作為全球第一大汽車消費國，我國汽車全球市場占有率多年來一直穩(wěn)居第一，其中傳統(tǒng)燃油汽車占據(jù)主導(dǎo)地位。但隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，各地霧霾頻現(xiàn)，基于能源結(jié)構(gòu)安全和環(huán)境保護(hù)壓力，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新能源汽車已成為主流。

2010年，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，將新能源汽車列入國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。兩年后，國務(wù)院出臺《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012―2020年）》，將新能源汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)具體化。隨后，國家接連出臺了一系列關(guān)于新能源汽車推廣應(yīng)用的配套補貼優(yōu)惠政策，如：新能源汽車車輛購置補貼政策、免征新能源汽車車輛購置稅、支持充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。

在國家及地方政府一系列利好政策的支持下，經(jīng)過 10 多年的研究開發(fā)和示范運行，我國新能源汽車實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；娘w躍式發(fā)展。據(jù)中國新能源汽車大數(shù)據(jù)研究報告指出，截至2018年6月3日，我國新能源汽車市場保有量已經(jīng)突破200萬量;截至2018年7月15日，新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺已接入超過100萬輛各類新能源汽車，主要分布于京津冀、江浙滬、珠江三角洲等東中部地區(qū)。而西北與東北等高寒地區(qū)新能源汽車推廣應(yīng)用卻寥寥可數(shù)。究其原因主要在于我國西北和東北地區(qū)冬季時間長且高寒，溫度低至-30℃甚至-40℃，而新能源汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時間加長、動力性下降等問題，導(dǎo)致其在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用較少?；谝陨希芯靠蓱?yīng)用于高寒環(huán)境的純電動汽車已刻不容緩，亟待研發(fā)與推廣。

2 純電動汽車低溫適應(yīng)性研究

研究純電動汽車低溫環(huán)境適應(yīng)性，通常在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)通過分析整車使用環(huán)境，將目標(biāo)分解至系統(tǒng)乃至零部件，然后在產(chǎn)品驗證階段依次進(jìn)行由零部件到系統(tǒng)再到整車的低溫環(huán)境適應(yīng)性驗證。其中，整車低溫環(huán)境適應(yīng)性驗證分為臺架試驗驗證和實車道路試驗驗證。本文所講述的整車低溫環(huán)境適應(yīng)性研究主要是指實車道路試驗驗證，各主大機廠通常會選擇在黑河、呼倫貝爾等高寒試驗場地進(jìn)行上述研究。

本文所述的純電動汽車低溫環(huán)境適應(yīng)性研究主要包含：低溫冷啟動、除霜、采暖、直流/交流充電、動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、能量回收、以及制動操穩(wěn)性，所述的高寒環(huán)境溫度通常在-20℃以下。

2.1 低溫冷啟動

低溫冷啟動，主要研究純電動汽車在高寒環(huán)境中冰凍24h以上后，車輛是否能全部一次性啟動成功，是否能夠保持正常行駛、行駛過程中三電系統(tǒng)可正常運轉(zhuǎn)、不出現(xiàn)拋錨、各項指標(biāo)均正常。其中，電池一般低溫報警、限功率行駛視為整車保護(hù)策略，予以接受。

2.2 低溫除霜

由于冬季環(huán)境溫度較低時，車輛前擋風(fēng)玻璃、主副駕側(cè)車窗玻璃容易起霜，這將直接影響駕駛員的視線，從而造成一定的安全隱患。因此，作為純電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，低溫除霜能力的驗證必不可少。

低溫除霜驗證主要通過在高寒環(huán)境下，使用裝有一定水量的噴壺均勻噴淋在前擋風(fēng)玻璃及主副駕側(cè)車窗玻璃，模擬車輛起霜狀態(tài)，然后開啟空調(diào)系統(tǒng)除霜模式，觀察5min、10min、20min、25min等不同時間段的除霜能力。除霜能力通過在車窗內(nèi)表面描繪除霜面積蹤跡或拍攝照片記錄。以30min達(dá)到80%除霜面積為佳。圖1為某車型純電動汽車的除霜試驗結(jié)果，由圖可知，開啟除霜30min后，前擋風(fēng)玻璃、左/右后視鏡除霜面積均超過80%，達(dá)到除霜目標(biāo)要求，且視野良好，滿足整車正常駕駛需求。

2.3 低溫采暖

采暖是冬季高寒地區(qū)日常出行必不可少的一項功能，與傳統(tǒng)汽車采用發(fā)動機暖風(fēng)水箱采暖的方式不同，純電動汽車多是采用電加熱管加熱的方式采暖。電加熱管的加熱性能和能耗，是影響純電動汽車采暖和續(xù)航的關(guān)鍵因素。因此，測試純電動汽車低溫采暖、保溫能力，監(jiān)控整車低溫采暖能耗，對于推廣純電動汽車應(yīng)用，推進(jìn)節(jié)能減排有重要意義。

低溫采暖主要驗證空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的工作可靠性，靜態(tài)與行車采暖時車輛的快速升溫和保溫能力，以及低溫采暖對車輛續(xù)航的影響。在進(jìn)行低溫采暖試驗時，首先要對車輛主要位置（如：頭部、腳部、外溫、各出風(fēng)口）進(jìn)行溫度傳感器布點，然后選擇高寒天氣，分別在靜態(tài)、行車時開啟PTC，研究車輛主要位置的溫度變化情況、整車采暖能耗、采暖舒適性、以及開/閉PTC時的續(xù)航差異。

需要注意的是，采暖試驗中，整車的采暖效果受多個條件影響，自動空調(diào)與非自動空調(diào)的影響因素也不同。對于自動空調(diào)，只需要開啟空調(diào)AUTO模式，測試升溫、保溫、能耗及主觀舒適性即可;對于非自動空調(diào)，則需要考慮車輛靜態(tài)/動態(tài)、內(nèi)/外循環(huán)方式、PTC檔位、鼓風(fēng)機檔位、吹風(fēng)方式等，測試不同條件下整車的采暖效果。下表為某純電動汽車的高寒環(huán)境下采暖試驗數(shù)據(jù)，試驗條件為：汽車靜置狀態(tài)、開啟內(nèi)循環(huán)模式、溫度/鼓風(fēng)機調(diào)至最大檔、吹面、吹腳模式。試驗過程中記錄空調(diào)開啟30min內(nèi)數(shù)據(jù)。

由表1可知，開啟空調(diào)5min后，吹面出風(fēng)口、副駕出風(fēng)口、主駕腳部出風(fēng)口溫度可達(dá)40℃以上，制熱效果顯著。10min后，前后排頭部、腳部溫度達(dá)25℃左右，處于人體感覺舒適溫度范圍，滿足低溫條件下的快速升溫需求。15-30min期間，頭部腳部可溫度繼續(xù)升高，此時用戶可通過空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置，自主、靈活地調(diào)節(jié)采暖效果 。

2.4 低溫充電

低溫充電試驗主要驗證車輛在高寒環(huán)境時，車輛充電功能與性能是否可靠。由于動力電池低溫充電能力明顯遜與低溫放電能力，甚至當(dāng)溫度低于一定條件時，禁止給電池充電。因此廠家在設(shè)計車輛低溫充電功能時，通常采用預(yù)加熱的方式，也就是當(dāng)環(huán)境溫度低于廠家所設(shè)定的可充電溫度，車輛進(jìn)行充電時會率先對動力電池進(jìn)行預(yù)加熱，當(dāng)動力電池溫度提升至可充電溫度后再啟動充電，以保證車輛充電效率、充電速度、充電穩(wěn)定性和安全性。

純電動汽車充電分為交流慢充和直流快充兩種充電方式。交流慢充主要通過車載充電機、隨車充電線、充電樁進(jìn)行充電，由于車載充電機功率較小，導(dǎo)致充電時間較長;直流快充主要通過快充樁進(jìn)行充電，快充樁功率較大，可快速為車輛補電。低溫充電主要考察純電動汽車低溫環(huán)境下可充電性、充電過程無故障、充電時間符合要求。

圖2為所研究的某車型在-22℃環(huán)境下快充、慢充試驗結(jié)果。該車型快/慢充電分為三種模式：加熱模式（Tmin<-20℃）、充電加熱模式（-20℃≤Tmin<15℃）、充電模式（Tmin≥15℃）。Tmin指動力電池最低單體溫度。其中，-22℃快充結(jié)果圖中a、b、c分別代表加熱模式、充電加熱模式、充電模式，3h可充電至滿電。-22℃慢充結(jié)果圖中a和c代表充電加熱模式，b和d代表充電模式。由于慢充起始Tmin為-19℃，因此直接進(jìn)入充電加熱模式，10h慢充至滿電。

2.5 低溫動力性

純電動汽車動力性主要受動力輸出源和動力輸出形式限制，即受動力電池、驅(qū)動電機、變速箱限制。低溫環(huán)境下，驅(qū)動電機與變速箱幾乎不受影響，動力電池成為影響整車動力性的關(guān)鍵因素。

動力電池的低溫放電性能和BMS控制策略是直接影響整車動力性的決定因素。在高寒環(huán)境下，電池的低溫放電性能大幅下降，BMS控制的電池允許最大放電電流也大幅減小，電池功率輸出減小，電驅(qū)系統(tǒng)功率供給受限，導(dǎo)致整車的動力性嚴(yán)重削弱。更有甚者，在極寒環(huán)境下，禁止動力電池輸出，從而導(dǎo)致整車完全失去動力。因此，純電動汽車低溫動力性研究勢在必行。

純電動汽車低溫動力性測試內(nèi)容包含車輛最高車速、加速性能、最大爬坡度以及坡道起步能力。在具體試驗過程中，還要測試在不同電池溫度、不同SOC、不同駕駛模式下的低溫動力性。建立健全低溫動力性數(shù)據(jù)庫，可為純電動汽車低溫性能指標(biāo)的建立提供數(shù)據(jù)支持。

表2為某車型在-23℃環(huán)境下、50%-60%SOC時所測車輛最高車速、加速性能數(shù)據(jù)。由表可知，在低溫條件下，受電池溫度和SOC影響，電池放電能量下降，從而影響加速性能。同時，由于低溫環(huán)境下對空調(diào)采暖的需求，在開啟空調(diào)時，整車加速功率分配減小，整車動力性進(jìn)一步削弱。

2.6 低溫經(jīng)濟(jì)性

純電動汽車低溫經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)通常指車輛低溫環(huán)境時能量消耗率。該試驗主要包含充電試驗、續(xù)駛里程試驗兩部分。在進(jìn)行低溫能量消耗率試驗時，首先將車輛在室內(nèi)以慢充或快充方式充滿電，試驗過程中記錄充電過程中來自電網(wǎng)的能量E;然后將車輛置于高寒環(huán)境24h后，選擇城市道路或城郊道路進(jìn)行續(xù)駛里程試驗，直至車輛切斷動力電池，記錄本次試驗的續(xù)駛里程D?？筛鶕?jù)車輛在常溫下續(xù)駛里程，計算車輛低溫續(xù)駛里程衰減情況。

能量消耗率C計算公式如下：

C=

低溫續(xù)駛里程衰減率計算公式如下：

ω=1-

其中，E為充電期間來自電網(wǎng)的能量，單位kwh，D為低溫續(xù)駛里程，單位km。D0為車輛公告續(xù)駛里程，單位km。

2.7 低溫可靠性

低溫可靠性主要通過車輛在高寒環(huán)境中進(jìn)行10000公里加速耐久道路試驗，以驗證車輛的可靠性。10000km可靠性路試包含試驗場內(nèi)3500km和場外6500km試驗。其中場內(nèi)試驗路線包含強化壞路，ABS路面、壞路面等，場外試驗路線則由試驗場周邊周邊一般公路、市區(qū)道路以及高速道路組成。

2.8 低溫能量回收

通常將新能源汽車能量回收機制分為啟停系統(tǒng)、液壓儲能、飛輪儲能和制動能量回收4種，其中，在純電動汽車中較為常見的為制動能量回收。它主要通過回收車輛在慣性或制動中釋放出的多余能量，然后通過發(fā)電機將回收的能量轉(zhuǎn)化為電能，再存儲至動力蓄電池中。然而，由于低溫環(huán)境下路面易結(jié)冰，路面摩擦力明顯降低，若制動能量回收不合理，將導(dǎo)致車輛無法達(dá)到制動效果而失去平衡。低溫能量回收主要驗證車輛在能量回收過程中，能既滿足高效地回收能量用于電能儲備，又要不能因為回收強度較高，導(dǎo)致車輛失控。

該試驗首先將整車置于高寒環(huán)境下24h，然后分別在城市工況和城郊工況下進(jìn)行道路試驗，記錄試驗過程中電流、電壓、溫度、SOC、行駛里程等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析計算出車輛能量回收效率;記錄車輛行使過程中制動時的主觀感受，如：是否拖拽感太強、是否出現(xiàn)車輛失控、制動時駕駛員是否有明顯的不適感。同時，驗證低溫環(huán)境不同SOC下緊急制動時回充電流是否符合設(shè)計要求，一般SOC大于95%時不允許能量回收。

2.9 制動、操穩(wěn)

除了上述試驗項目外，還需關(guān)注車輛在冰雪復(fù)雜路面上的行駛性能?？赏ㄟ^定圓操控、雪地繞樁、冰雪路面制動、冰雪路面過渡水泥路面的對接測試、以及車輪一側(cè)在冰面一側(cè)在水泥路面的對開測試等，以驗證車輛的制動、操穩(wěn)性能。

3 結(jié)論

本文主要介紹了純電動汽車在高寒環(huán)境下的9項適應(yīng)性研究，包含車輛冷啟動、除霜、采暖、直流/交流充電、動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、能量回收、以及制動操穩(wěn)性。通過上述研究，可為純電動汽車在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

*奇瑞全鋁車身A0級純電動SUV研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化（編號：16030901035）資助。

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