米世生

摘 要：本文針對純電動汽車在使用過程中的續(xù)駛里程偏差問題進行深入的分析，從設(shè)計計算、SOC估算偏差、生產(chǎn)制造一致性等方面進行闡述，將續(xù)駛里程偏差問題描述清楚，并結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)和實際使用等方面去探討續(xù)駛里程偏差的應(yīng)對方法和措施。

關(guān)鍵詞：續(xù)駛里程 問題分析 應(yīng)對措施

純電動汽車是指只用動力電池作為動力源的汽車。它利用動力電池儲存的電能向電動機提供動力，驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，從而推動汽車前進[1]。

純電動汽車并不是一種新汽車種類，它誕生有100多年了。1839年，蘇格蘭人羅伯特·安德森造出了世界上第一臺“純電動車”，不過它并十分成功。主要原因是，電池壽命過短，電力過小，只能挪動一個非常輕的底盤。到19世紀后期，長效電池誕生，促進了純電動車的進一步發(fā)展，人們才在倫敦的大街上見到電力驅(qū)動的出租車。不過它行駛距離非常短，還必須不停地在充電站里充電。

目前，得益于技術(shù)發(fā)展進步和經(jīng)過多年的技術(shù)經(jīng)驗積累，電池的功率密度已經(jīng)大幅提升，壽命也大大提高，為純電動汽車發(fā)展提供了有力的支持，也為節(jié)能和減排做出了重要的貢獻。但是，由于整車上機械傳動部件以及電器控制部件在工作過程中客觀存在<100%的實際工作效率，使得實際續(xù)駛里程與標(biāo)稱的續(xù)駛里程仍存在較大的差異，需要分析清楚，并尋找解決辦法。

圖1是純電動汽車的簡單結(jié)構(gòu)框圖，動力電池的輸出分兩路，一路是高壓用電，主要用于驅(qū)動車輛行駛設(shè)備，如驅(qū)動電機；另外一路是低壓用電，用于車輛的輔助設(shè)施，如燈光，音響等。

首先，從數(shù)學(xué)理論計算來看續(xù)駛里程偏差的原因。

遵照能量守恒原理可知，勻速工況下純電動汽車續(xù)航里程可用以下公式計算[2]：

（1）

其中，

EB：蓄電池總能量，KW.h；

ηT：傳動系機械效率；

ηMC：電機及控制器效率；

ηq：電池平均放電效率；

F：車輛的驅(qū)動力

公式（1）中系數(shù)0.8為動力電池總能量放出的比例，一般取值為0.75-0.85，放電比例再提高會影響動力電池正常使用，頻繁大功率大比率放電甚至影響動力電池的壽命。

從公式（1）分析，車輛的續(xù)駛里程S與車輛的蓄電池總能量EB成正比，與驅(qū)動力F成反比。其中蓄電池的總能量EB在傳輸過程中有損失，包括電池放電效率損失、機械傳動效率損失和電機及控制器效率損失。這三項效率損失跟溫度、潤滑條件、功率變化快慢、零部件老化等條件密切相關(guān)。假設(shè)傳動系機械效率ηT取值范圍為0.95～0.98，電機及電控器效率ηMC取值范圍為0.85～0.95，電池平均放電效率ηq取值范圍為0.9～0.95，則三項效率的乘積的計算值范圍為0.727～0.884。假設(shè)按勻速行駛工況來計算，如80km/h，此時驅(qū)動力F為定值，那么計算出來的續(xù)駛里程最大值與最小值之間有17.7%的差異。

另外，電池的SOC估算不準(zhǔn)，是造成續(xù)駛里程偏差的原因之一。SOC，全稱是State of Charge，荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，用來反映電池的剩余容量，其數(shù)值上含義為剩余容量占電池容量的比值。SOC是用戶在使用中最關(guān)心的也是最不容易準(zhǔn)確獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)計開發(fā)人員試圖通過測量內(nèi)阻、電壓、電流等參數(shù)變化來推算荷電量。目前，國內(nèi)外研究的電池SOC估算方法已經(jīng)部分實現(xiàn)并運用到工程上，如電流積分法、開路電壓法等。這些算法共同特點是易于實現(xiàn)，但是對實際工況中的內(nèi)外界影響因素缺乏考慮而導(dǎo)致適應(yīng)性差，難以滿足BMS對估算精度不斷提高的要求。因此在考慮SOC受到多種因素影響后，一些較為復(fù)雜的算法被提出，例如：卡爾曼濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊估計算法等新型算法，相比于之前的傳統(tǒng)算法其計算量大，精度更高，其中卡爾曼濾波在計算精度和適應(yīng)性上都有很好的表現(xiàn)，但是仍然存在很大的偏差，需要持續(xù)改進。當(dāng)然，這種偏差可能帶有主觀心理成分，比如同樣是SOC從80%降到40%，今天開始200公里，明天可能是220公里或者180公里，是正常的，還有其他因素在影響。

而電池電極材料在充放電過程中的損耗或者變化對電池壽命的影響，間接的對SOC的估算造成影響。目前普遍使用的動力電池均為鋰離子動力電池，而鋰離子動力電池對溫度的敏感性強。溫度溫度高低對鋰離子動力電池的整體性能，包括電池的容量、功率、充放電效率、安全性和壽命等都有著非常顯著的影響。鋰離子動力電池對溫度的敏感性主要源于其材料物化性質(zhì)的溫度敏感性。溫度會直接影響電極材料的活性和導(dǎo)電率、鋰離子在電極上的嵌入和脫嵌、隔離膜的鋰離子透過性等，進而影響到電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，其外部表現(xiàn)為動力電池溫度敏感性[3]。

所以直到目前，任何公式和算法都不能得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)的有效支持，因為指示的荷電程度是非線性變化的。實際應(yīng)用中，受到溫度、充放電、自放電、一致性、以及電池老化現(xiàn)象發(fā)生等自身內(nèi)部工作環(huán)境和外界多方面因素的影響，破壞了動力電池自身能量的保持能力，造成容量衰減，很難精準(zhǔn)地獲取SOC值。因此我們在開車時，如果剩余電量低或出現(xiàn)跳變變化大時，會感覺很不確定。

其次，溫度對動力電池充放電功率的影響，也會造成續(xù)駛里程偏差。

以目前應(yīng)用比較普遍的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池為例，用兩款正在開發(fā)的為增程式混合動力汽車使用的動力電池測試數(shù)據(jù)來分析溫度對電池充放電功率的影響。

圖1圖2為某款正在開發(fā)的容量為10.5度電的三元鋰電池的放電和充電時測試數(shù)據(jù)結(jié)果：

三元鋰電池在不同溫度條件下放電功率，見表1。

三元鋰電池在不同溫度下充電功率，見表2。

表3表4為某款正在開發(fā)的容量為13.3度電的磷酸鐵鋰電池的放電和充電時測試數(shù)據(jù)結(jié)果。

磷酸鐵鋰電池在不同溫度條件下放電功率，見表3。

磷酸鐵鋰電池在不同溫度條件下充電功率，見表4。

從結(jié)果上看，不管是放電還是充電，動力電池比較理想的工作溫度為25℃-40℃之間，其余的溫度點，充放電的功率就會快速下降。當(dāng)溫度不在電池理想工作范圍而需要充電的時候，SOC增加的很慢，電量不能快速的補充；而放電的時候，不能滿足大功率輸出的要求，車輛會很難達到功率需求進行合理的加速。這就能很好的解析為什么冬天車輛續(xù)駛里程大幅度降低的原因，也能解析清楚為什么夏天車輛在滿足開空調(diào)這種大功率輸出情況下的續(xù)駛里程短的原因。因為夏天氣溫在30℃甚至更高時，地面的溫度普遍超過45℃，這時動力電池的充放電功率顯著降低，無法滿足車輛的需求。

再有，產(chǎn)品一致性問題，造成動力電池總成性能偏差。

電芯的一致性對動力電池系統(tǒng)的選型和配組具有至關(guān)重要的影響。動力電池系統(tǒng)內(nèi)部的單體數(shù)目越多，則電池出廠一致性好壞對電池系統(tǒng)性能、壽命和安全性的影響也就越明顯。電池出廠一致性主要是依靠制造過程材料、工藝、子系統(tǒng)性能的一致性。電芯的各種參數(shù)中，質(zhì)量、OCV、內(nèi)阻、容量、能量等是評斷電池出廠一致性好壞的主要依據(jù)。

動力電池樣品的質(zhì)量是其重要的基本參數(shù)，出廠質(zhì)量一致性的優(yōu)劣在一定程度上反映了電芯制作工藝的好壞。電芯的質(zhì)量通常呈正態(tài)分布，如圖2所示。基于統(tǒng)計結(jié)果，采用相對極差或評分表就可以利用雷達圖對不同樣品進行比較，從而為樣品選型提供參考。

還有，車輛標(biāo)稱的續(xù)駛里程是在特定條件下測試出來的結(jié)果，跟車輛實際使用條件存在差異甚至差異很大。這些特定條件有溫度，運行工況，載荷，駕駛習(xí)慣，道路情況等等，可以簡單的理解為理論和實際的差別。比如溫度，在進行低溫環(huán)境開啟暖風(fēng)裝置制熱狀態(tài)下續(xù)駛里程試驗時，要求試驗室的溫度為-7±3℃，也就是-10℃至-4℃之間，實際很難達到。再比如道路情況，試驗室測試是在測功機上進行的，實際道路各種各樣，很難有跟試驗環(huán)境一樣的道路情況。另外，為了能將續(xù)駛里程做到最大，試驗室測試時會盡量少的開啟用電電器，減少不必要的用電量，最大限度的把電量用在續(xù)駛里程上。因此，試驗室測量出來的續(xù)駛里程跟實際用戶駕駛得到的續(xù)駛里程差異很大，跟用戶的心里預(yù)期有差距。

綜上所述，影響車輛續(xù)駛里程的因素有5個：整車各傳動部件在不同條件下的效率差異、BMS對電池SOC估算不準(zhǔn)、不同溫度條件下電池充放電功率差異、生產(chǎn)一致性偏差、測試條件與實際使用條件差異。因此，車輛續(xù)駛里程在不同的車輛、不同的駕駛習(xí)慣、不同的使用環(huán)境下有偏差是正常的，需要用戶在使用的過程中關(guān)注里程的變化，找到合適自己的讓車輛及時補電的經(jīng)驗。

既然續(xù)駛里程偏差是不可避免的，但是從技術(shù)角度分析，我們還是可以找到一些應(yīng)對措施的，包括研發(fā)工作和用戶使用認知和方法。我們把問題和應(yīng)對措施做成下表，共同探討和應(yīng)對續(xù)駛里程偏差問題，見表5。

總之，在整車開發(fā)的過程中，從設(shè)計、制造、測試試驗到檢測各個環(huán)節(jié)都不可避免的存在偏差和誤差。因此，同一車型不同的單體車輛整體性能會有差異，但是這種差異是經(jīng)過鑒定滿足設(shè)計要求的，是合格的，這點不容質(zhì)疑。同時，用戶個人差異、用車習(xí)慣和駕駛習(xí)慣、車輛的使用環(huán)境等差異同樣能造成車輛續(xù)駛里程的差異，需要客觀的認知和理解。

參考文獻：

[1]鄒政耀，王若平，主編?！缎履茉雌嚰夹g(shù)基礎(chǔ)》，北京：清華大學(xué)出版社，2020.5.

[2]余志生，《汽車理論》第5版，北京：機械工業(yè)出版社，2009.3.

[3]王芳，夏軍等，《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計與制造技術(shù)》，北京：科學(xué)出版社，2017.8.