朱 成，劉建春，方凱正，陳 佚，劉 頔

(北京卡達克科技中心有限公司，北京 100070)

0 引言

純電動汽車的續(xù)航里程是用戶普遍關(guān)心的技術(shù)指標，尤其是冬季低溫環(huán)境下續(xù)航衰減問題更是用戶的痛點。整車續(xù)駛里程與多方面因素有關(guān)[1]，與工況、環(huán)境溫度及用戶使用習慣或出行特征等均有明顯關(guān)聯(lián)[2]。經(jīng)用戶調(diào)研及初步測試，發(fā)現(xiàn)電動汽車在實際使用中(一般為多天多次使用，而不是一次性將電耗完)的續(xù)航里程(以下簡稱“分段續(xù)航里程”)與行業(yè)內(nèi)現(xiàn)普遍宣傳的續(xù)航里程(車輛從滿電狀態(tài)運行至放電閾值為止的極限續(xù)航里程，以下簡稱“1次極限續(xù)航里程”)之間存在較大差距。基于用戶實際使用習慣所造成的續(xù)航里程差異甚至高于工況不同所造成的差異，在低溫環(huán)境下表現(xiàn)尤其明顯。如何保證用戶實際使用續(xù)航里程，提高純電動汽車產(chǎn)品的實用性，是當前行業(yè)亟待解決的共性技術(shù)問題。

針對純電動汽車在低溫下的續(xù)航里程變化研究，當前重點企業(yè)及行業(yè)機構(gòu)主要采取轉(zhuǎn)鼓臺架測試方法，在參考《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》(GB/T18386—2017)[3]進行不同環(huán)境、工況下的1次極限續(xù)航里程測試時，業(yè)內(nèi)對基于用戶實際出行習慣的分段續(xù)航里程的測試研究較少。在整車能耗方面，業(yè)內(nèi)普遍基于電網(wǎng)端的放電量計算車輛充電及行駛過程的總能耗，無法分解至動力電池的實際放電量差異及各部件的真實能耗變化情況，因而對低溫續(xù)航里程衰減的原因無法精準定位。在電池放電特性方面，陳德兵等[4]通過研究電池單體在不同溫度下的充放電特性，利用等效計算法研究車輛在不同溫度下的續(xù)航里程變化，結(jié)合實車測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法僅在室溫下具有較高精度，在低溫條件下計算結(jié)果與實測結(jié)果差異較大，該方法適用范圍有限。本研究重點探討純電動汽車在低溫環(huán)境下不同使用習慣對續(xù)航里程的影響，通過模擬純電動乘用車用戶實際使用場景進行多種環(huán)境工況下的整車能耗及續(xù)航里程測試，研究不同工況下的整車能量流分布，分析各種場景下動力電池放電量及分配到各部件的實際耗電量與能量損耗情況[5]，從系統(tǒng)集成的角度分析純電動汽車電能量的轉(zhuǎn)換和傳遞過程，并針對車輛多天多次運行和1次耗光電量運行兩種出行場景下整車及各部件的能耗差異情況進行對比分析，以期優(yōu)化動力系統(tǒng)匹配、提升各部件的工作效率，優(yōu)化熱管理策略。

1 研究內(nèi)容

導(dǎo)致純電動汽車低溫續(xù)航里程衰減的原因主要包括兩方面：一方面，低溫下電池實際放電量減少，原因在于動力電池在低溫環(huán)境下內(nèi)阻增大[6]，自身內(nèi)耗電量增加，導(dǎo)致其對外放電量減少；另一方面，低溫下傳動系統(tǒng)潤滑阻力、輪胎滾阻加大，電驅(qū)動系統(tǒng)等在低溫下的工作效率降低，導(dǎo)致驅(qū)動能耗增加，且由于低溫下空調(diào)暖風系統(tǒng)工作耗電量較高，導(dǎo)致整車能耗明顯增加。這兩種因素都將導(dǎo)致車輛在低溫下續(xù)航里程降低。本研究分別對動力電池放電量及整車能耗變化對低溫續(xù)航里程的影響進行分析(暫不研究低溫環(huán)境下充電能量的差異，為統(tǒng)一充電條件，測試期間均在統(tǒng)一的常溫環(huán)境下使用交流充電樁進行充電)。

為分析不同的用戶習慣對純電動乘用車在低溫環(huán)境下工作特性的影響，分別進行不同環(huán)境溫度下的分段續(xù)航里程和1次極限續(xù)航里程測試，對兩種使用場景下的電池放電量及整車重點部件能耗分配情況進行解析測試，定量分析不同環(huán)境溫度和運行工況下動力電池的放電特性及各電器部件的能耗特性，研究整車能耗的差異規(guī)律及關(guān)聯(lián)影響因素，從而精確定位最有效優(yōu)化整車能耗的著手點[7]。

2 實車測試方案

搭建本測試系統(tǒng)的目的是模擬純電動乘用車用戶實際使用場景，進行多種環(huán)境工況下的整車續(xù)駛里程、能耗及電池充、放電測試，研究整車能量流向分配情況，測試規(guī)則如表1所示。

表1 純電動乘用車低溫續(xù)航里程測試規(guī)則Tab.1 Low temperature endurance mileage test rules for electric passenger vehicles

本研究以某自主品牌純電動乘用車為測試對象，樣車主要相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 樣車主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of prototype vehicle

整車能耗測試系統(tǒng)[8-12]主要由高壓測試模塊、低壓測試模塊組成，系統(tǒng)采用霍爾電壓、電流傳感器檢測方案，可實時監(jiān)測從充電樁到整車所有高壓用電設(shè)備的功耗，后端采用標準高速數(shù)采模塊進行數(shù)據(jù)采集。在整車上布置7組電流/電壓傳感器，其中：測量點1采集的是充入動力電池的電量，測量點2采集的是動力電池放電量，二者之差定義為電池的內(nèi)耗電量，測量點3～7分別采集各電器部件的耗電量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。測試完成后，利用整車能耗解析系統(tǒng)內(nèi)置程序分別計算各部件耗電量、平均能耗、電機系統(tǒng)效率、動力電池充放電效率等。

1—動力電池總輸入；2—動力電池總輸出；3—電機系統(tǒng)總輸入；4—低壓電器總輸入；5—電空調(diào)系統(tǒng)輸入；6—熱泵系統(tǒng)輸入；7—驅(qū)動電機輸入。圖1 整車能耗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vehicle energy consumption test system

該測試方法與文獻[3]等行業(yè)主流整車能耗測試方法的區(qū)別在于：傳統(tǒng)測試方法根據(jù)車輛從電樁的充電量數(shù)據(jù)及整車續(xù)航里程計算整車能量消耗率，將充電機的效率、電池充放電效率及各部件的實際耗電量等多項參數(shù)合并計算；本測試方法基于對充電機充入電池的電量、電池實際放出的電量及各部件的耗電量等相關(guān)參數(shù)的獨立測量，可單獨分析各部件的能耗差異情況，從而精準定位整車能耗流向及各環(huán)節(jié)能耗損失情況。

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 整車續(xù)駛里程分析

整車續(xù)航測試結(jié)果如圖2所示。該樣車在-15 ℃ 環(huán)境下1次極限續(xù)航里程為192 km(其中車速與CLTC-P工況曲線略有偏差的行駛里程為32 km)，分段續(xù)航里程為163 km(其中車速與CLTC-P工況曲線略有偏差的行駛里程為21 km)。

圖2 各測試條件下的續(xù)航里程Fig.2 Endurance mileage under each test condition

在-15 ℃環(huán)境溫度下，分段續(xù)航里程比1次極限續(xù)航里程低15.1%，差異的根源在于：分段續(xù)航測試中電池放電量降低了10%，而整車運行能耗高出6.1%。而在-25 ℃環(huán)境下車輛1次極限續(xù)航里程為161 km，相比-15 ℃環(huán)境下1次極限續(xù)航里程降低了16.1%,其中，電池放電量降低了5.5%，整車運行能耗增加了12.7%，如圖3、圖4所示。

圖3 各測試條件下的電池放電量Fig.3 Battery discharge under each test condition

圖4 各測試條件下的整車平均能耗Fig.4 Average energy consumption of vehicle under each test condition

3.2 整車能耗差異分析

整車運行能耗變化與出行特征、環(huán)境溫度的變化存在明顯關(guān)聯(lián)。在低溫環(huán)境下，增加了暖風空調(diào)、熱泵等系統(tǒng)的能耗。環(huán)境溫度降低，驅(qū)動系統(tǒng)能耗加大，導(dǎo)致整車能耗明顯增加。具體測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各工況下整車及部件能耗對比(單位：kW·h/100 km)Tab.3 Comparison of energy consumption of vehicle and components under different working conditions(unit：kW·h/100 km)

3.2.1環(huán)境溫度對整車能耗的影響

低溫環(huán)境與常溫環(huán)境相比，增加了暖風空調(diào)、熱泵、風機等部件的能耗。從表3可以看出，低溫環(huán)境下整車能耗的增加，除了源于空調(diào)系統(tǒng)的能耗之外，整車驅(qū)動能耗及電器附件能耗也存在一定差異。在1次極限續(xù)航測試中，-25 ℃環(huán)境條件下整車能耗相比-15 ℃環(huán)境下增加了12.7%，其中，暖風空調(diào)系統(tǒng)能耗增加了21.5%，電機系統(tǒng)能耗僅增加了10.4%，而低壓電器能耗差異較小。由此可見，環(huán)境溫度對暖風空調(diào)及電驅(qū)動系統(tǒng)能耗的影響較為明顯。

3.2.2出行特征對整車能耗的影響

純電動汽車使用場景范圍較廣，單次出行時長、出行里程、出行頻率等因素對整車能耗存在影響。從-15 ℃ 1次極限續(xù)航與分段續(xù)航測試數(shù)據(jù)對比可看出，在低溫短途出行場景下，整車能耗略高于長距離行駛模式，且差異主要源于暖風空調(diào)系統(tǒng)，原因在于車輛在長距離行駛模式下持續(xù)運行時間較長，電池、電機等部件溫升效應(yīng)不斷積累，降低了電池內(nèi)阻及傳動系統(tǒng)阻力，電器部件工作效率提高。但限于中國工況下放電倍率較低，各部件通過自發(fā)熱帶來的溫升效果有限，導(dǎo)致2種場景下電機、電器系統(tǒng)能耗差異不明顯；而持續(xù)行駛模式下由于乘員艙溫度的積累效應(yīng)，相比短途出行模式，暖風空調(diào)系統(tǒng)能耗明顯降低。

3.3 電池充放電特性分析

動力電池作為純電動汽車的唯一能量來源，其特征參數(shù)直接決定整車的續(xù)航性能[13]。通過對實車動力電池運行數(shù)據(jù)(包括電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)等)的分析，可以得出實際使用環(huán)節(jié)中電池組的內(nèi)阻特性、溫度場分布及放電容量隨溫度的變化情況[14]，對電池組的優(yōu)化控制及能量管理具有指導(dǎo)意義[15]。從測試數(shù)據(jù)可以看出，在充電量基本接近的前提下，各種工況下電池總放電量相差較大，主要原因在于工作溫度越低，電池內(nèi)耗電越大；分段次數(shù)越多，電池內(nèi)耗電也越大，從而都導(dǎo)致動力電池對外放出電量減小。

3.3.1環(huán)境溫度對電池內(nèi)耗電的影響

環(huán)境溫度越低，動力電池內(nèi)耗電占整車電能消耗的比例越大。在-15 ℃環(huán)境溫度下1次極限續(xù)航測試中，動力電池內(nèi)耗電占整車電耗的比例為8%，而在-25 ℃環(huán)境溫度下則達到14%，原因在于動力電池在低溫環(huán)境下內(nèi)阻增大，放電過程中電池自身內(nèi)耗電量增加，從而導(dǎo)致其實際對外放電量減少，這是低溫環(huán)境下整車續(xù)航衰減的重要原因之一。

3.3.2出行特征對電池內(nèi)耗電的影響

除了環(huán)境溫度的影響，用戶出行特征對電池內(nèi)耗電量的影響同樣明顯：同樣在-15 ℃條件下，1次極限續(xù)航測試中電池內(nèi)耗電占比為8%，分段續(xù)航測試中內(nèi)耗電占比則達到16%。原因主要是在分段行駛模式下，電池自發(fā)熱帶來的溫升積累效應(yīng)較差，導(dǎo)致自身內(nèi)耗電量較連續(xù)行駛模式增加3.31 kW·h，增加比例為96%。在用戶實際出行場景中，低溫環(huán)境下單次出行里程越短、分段次數(shù)越多，電池內(nèi)耗電量將進一步增加。

針對內(nèi)耗電量對續(xù)航的影響，根據(jù)動力電池內(nèi)耗電量折算續(xù)航里程：-15 ℃環(huán)境下1次極限續(xù)航里程為192 km，耗電量為40 kW·h,如果將電池內(nèi)耗電量3.51 kW·h按比例折算，對應(yīng)的可行駛里程為16.5 km,而-15 ℃分段續(xù)航里程測試中電池內(nèi)耗電對應(yīng)的可行駛里程則達30.1 km。如果通過合理匹配電池熱管理等技術(shù)路徑減小車輛運行過程中動力電池內(nèi)耗電量，將有效增加車輛的續(xù)航里程。

3.4 電池溫升特性分析

電池在不同放電工況下的溫度規(guī)律存在明顯差異：在-15 ℃的環(huán)境倉靜置12 h后，電池單體最高溫度為-3.8 ℃，最低溫度為-9 ℃(圖5)，與-15 ℃的環(huán)境溫度還有差距，說明電池保溫效果不錯，需要更長的靜置時間電池溫度才能與環(huán)境溫度接近。而在分段續(xù)航測試中，經(jīng)過多天的持續(xù)靜置，電池溫度基本接近環(huán)境溫度。在-15 ℃1次極限續(xù)航測試時，車輛連續(xù)行駛了7 h，電池發(fā)熱也不斷積累，溫度緩緩上升，但限于中國工況下放電倍率，靠電池自身發(fā)熱溫升有限，全程下來平均溫度僅升高了約4 ℃；在-15 ℃分段續(xù)航測試時，車輛靜置12 h后單體最低溫度為-10.5 ℃，之后每行駛1個循環(huán)后平均溫度升高1～1.5 ℃，之后由于停車靜置8 h,電池溫度重新降低到-12 ℃，如此不斷重復(fù)，電池平均溫度處于-10～-7 ℃之間，如圖6所示。

圖5 -15 ℃1次極限續(xù)航里程測試電池單體溫度變化Fig.5 Temperature change of battery cell in one-time limit endurance mileage test at -15 ℃

圖6 -15 ℃分段續(xù)航里程測試電池單體溫度變化Fig.6 Temperature change of battery cell in segmented endurance mileage test at -15 ℃

在冬季低溫環(huán)境下，若實際出行時單次出行里程較短，電池溫升更小，因而動力電池長期處于接近環(huán)境溫度狀態(tài)。若通過啟動熱管理配置對動力電池加熱，則需評估電池溫升速率是否與出行時長相匹配，否則啟動熱管理的實用價值較低，在熱管理控制策略匹配標定時應(yīng)精確計算，減小車輛實際運行中無效的電池熱管理措施。

圖7 -15 ℃、-25 ℃ 1次極限續(xù)航里程測試電池單體溫度變化Fig.7 Temperature changes of battery cell in one-time limit endurance mileage test at -15 ℃ and -25 ℃

初始環(huán)境溫度越低，電池溫升速率越大。如圖7所示，將-15 ℃和-25 ℃ 2個溫度點下的1次極限續(xù)航測試數(shù)據(jù)對比可看出，在-15 ℃環(huán)境下電池單體平均溫度升高了約4 ℃，而在-25 ℃環(huán)境下單體平均溫度升高了約11 ℃。原因在于-25 ℃ 初始環(huán)境溫度較低，電池內(nèi)阻較大，電池放電過程中溫升速率相對較大。因此，在電池處于較低溫度時，額外輔以適當?shù)臒峁芾泶胧捎行嵘姵胤烹娦?，減小電池自身內(nèi)耗電量，從而提高整車續(xù)航能力。

4 結(jié)論

針對某典型純電動車型進行了整車能耗及續(xù)航里程測試分析，針對不同運行場景下整車及各部件的能耗差異、動力電池放電量情況進行了解析。結(jié)果表明，低溫環(huán)境下整車續(xù)航里程與出行特征、環(huán)境溫度均相關(guān)；整車能耗及電池內(nèi)耗電量與車輛出行特征、環(huán)境溫度的變化存在明顯關(guān)聯(lián)。-15 ℃環(huán)境下分段續(xù)航里程比1次極限續(xù)航里程低15.1%，在-25 ℃環(huán)境下車輛1次極限續(xù)航里程相比-15 ℃環(huán)境下1次極限續(xù)航里程降低了16.1%。環(huán)境溫度降低和分段次數(shù)增加都將導(dǎo)致整車能耗增大。在電池放電量方面，由于不同環(huán)境、工況下電池內(nèi)耗電量的差異，在-15 ℃環(huán)境溫度下，1次極限續(xù)航測試中電池內(nèi)耗電占整車電耗的比例為8%，-25 ℃環(huán)境溫度下則達到14%，在-15 ℃環(huán)境分段續(xù)航測試中內(nèi)耗電占比則達到16%，最終導(dǎo)致動力電池對外放出電量存在一定差異。研究表明，針對動力電池，若通過各種技術(shù)手段(優(yōu)化電池材料、熱管理策略等)降低車輛運行過程中電池內(nèi)耗電比例，可有效提升整車實際續(xù)航能力。在電池熱管理方面[16]，熱管理策略需要根據(jù)車輛運行特征(出行里程、出行時長等)進行精確匹配，要精確評估電池熱管理系統(tǒng)為電池升溫所消耗的能量與電池升溫后增加的放電能量是否對等，尤其針對車輛經(jīng)常處于短距離行駛模式的出行場景，需要結(jié)合具體車型開展進一步測試分析，建立動力電池熱模型[17]、放電容量模型，分析各工況下電池的放電特性差異[18]。從整車的角度，可以進一步研究節(jié)能空調(diào)、高效熱泵的節(jié)能效果，以及低溫下車輛傳動匹配優(yōu)化、系統(tǒng)效率提升等能耗優(yōu)化路徑，對降低動力電池內(nèi)耗電及整車能耗的各項技術(shù)方案進行量化評估。