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比亞迪 | 電動汽車低溫續(xù)航里程研究
2020-08-03 22:53:46· 來源：電動學(xué)堂
作者單位：比亞迪汽車工業(yè)有限公司前言本文分析環(huán)境溫度對電動汽車電池容量、行駛阻力、附加能耗的影響，并在此基礎(chǔ)上建立電動汽車低溫續(xù)航里程的計算模型，對電
作者單位：比亞迪汽車工業(yè)有限公司
前言
本文分析環(huán)境溫度對電動汽車電池容量、行駛阻力、附加能耗的影響，并在此基礎(chǔ)上建立電動汽車低溫續(xù)航里程的計算模型，對電動汽車的低溫續(xù)航里程進(jìn)行評估。
1電動汽車低溫續(xù)航里程的影響因素
電動汽車低溫車?yán)m(xù)航里程取決于電池電量和車輛能耗兩方面因素。其中，電池電量主要受電池充放電特性、電池標(biāo)稱電量影響，而車輛能耗主要受行駛阻力變化、附件能耗變化影響。
本文分別對電池充放電特性、附件能耗和行駛阻力變化等方面進(jìn)行分析，進(jìn)而確定電動汽車冬季續(xù)航里程衰減的原因。
1.1動力電池的低溫充放電特性
在低溫環(huán)境下，動力電池的充放電性能都有顯著衰減：由于在低溫環(huán)境中，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流的速度比室溫條件下慢很多，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，這種化學(xué)反應(yīng)變得極為緩慢，電池就沒電了。
為了研究動力電池在不同溫度下的充放電特性，按照QC/T743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》的規(guī)定，對某一鋰離子電池分別在室溫、0℃、-10℃和-20℃四種環(huán)境條件下進(jìn)行充放電容量測試，充放電電流均為1/3C倍率。
隨著環(huán)境溫度的下降，電池的恒流充電容量逐漸降低，尤其當(dāng)溫度低于-20℃時，電池的恒流充電容量下降較快，主要原因是隨著溫度降低，電池的整體內(nèi)阻增大造成歐姆極化增大，電化學(xué)極化增大和濃差極化提前，使充電電壓很快達(dá)到充電上限電壓，充電方式很快由恒流充電轉(zhuǎn)化為恒壓充電。
隨著溫度的降低，鋰離子電池的放電容量和放電平臺電壓都有所下降，尤其當(dāng)溫度低于-20℃時，電池的放電容量下降較快。這是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(xué)極化均增大。在電池的放電曲線上表現(xiàn)為放電容量隨著溫度降低而降低。
1.2附件能耗
電動汽車附件能耗是指電動汽車在行駛過程中，除去動力能耗（即電動機(jī)能耗）外的其他輔助設(shè)備能耗，主要包括:車艙空調(diào)能耗、電池保溫系統(tǒng)能耗、車燈能耗、移動設(shè)備充電能耗等。其中，車艙空調(diào)能耗為汽車中能耗最大的輔助設(shè)備，受使用環(huán)境的影響比較大。
汽車空調(diào)的負(fù)荷主要由以下部分構(gòu)成：新風(fēng)負(fù)荷、太陽輻射熱負(fù)荷、車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱負(fù)荷、發(fā)動機(jī)艙傳熱及由人體散熱、車內(nèi)電子器件散熱等構(gòu)成的其他負(fù)荷。
1.2.1車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱部分
在汽車空調(diào)運行時，車內(nèi)外會維持一定的溫差。由此，熱量會在車內(nèi)外通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞，從而給空調(diào)造成一部分的負(fù)荷。汽車圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常由多層構(gòu)成，每層性質(zhì)各不相同，且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使得計算車體導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的難度非常大。然而，對于熱負(fù)荷計算而言，關(guān)注更多的是維持車內(nèi)外一定溫差時所需的熱量，因此可測定整個車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)，以便計算維持一定溫差時所需的熱量。根據(jù)傳熱學(xué)已知：
式中：Q cond為車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏熱量；A為車體外表面積；△T為車內(nèi)外溫差；k為車體對流換熱系數(shù)。
當(dāng)車內(nèi)環(huán)境固定時，車體對流換熱系數(shù)的大小將隨車速v變化，即：
對于確定的車型，其表面積已經(jīng)固定。因此，式（2）可化為：
式中：K cond為車體綜合傳熱系數(shù)。
1.2.2新風(fēng)負(fù)荷部分
新風(fēng)負(fù)荷是構(gòu)成車輛冷熱負(fù)荷的主要部分之一。在車輛行駛時，在車輛和外部氣流相對速度的作用下，車體內(nèi)外會出現(xiàn)壓差。由于車體縫隙和限壓閥的存在，在壓差的作用下會導(dǎo)致車內(nèi)的空氣泄漏至車外，帶走一部分的熱量，造成一部分負(fù)荷。此外，為出于駕駛安全考慮，車內(nèi)的二氧化碳及有害氣體濃度不可高于一定值，這就要求汽車空調(diào)在運行時必須保證一定的新風(fēng)量。由傳熱學(xué)知識：
式中：Q air為新風(fēng)負(fù)荷；m為車體新風(fēng)質(zhì)量；△H為車體內(nèi)外側(cè)空氣焓差。車體的新風(fēng)量將隨車內(nèi)外壓差變化而變化，即：
式中：△p為車內(nèi)外的壓差對于冬季行駛的純電動汽車，為了簡化空調(diào)模型，本文將主要考慮車體導(dǎo)熱符合和新風(fēng)負(fù)荷。
1.3行駛阻力變化
車輛行駛過程中，需要克服行駛阻力做功，行駛阻力越大，車輛能耗越高。在動力電池電量一定時，車輛續(xù)航與行駛阻力成反比。在水平路面上行駛時，車輛行駛阻力主要包括空氣阻力、滾動阻力、傳動系阻力、制動系統(tǒng)拖滯力。
1.3.1空氣阻力
依據(jù)空氣動力學(xué)原理，在汽車行駛速度范圍內(nèi)，空氣阻力的數(shù)值通常都與氣流相對速度的平方成正比例，可以寫為：
式中，A為汽車迎風(fēng)面積，即汽車行駛方向的投影面積；CD為空氣阻力系數(shù)，與汽車形體的外形相關(guān)；ρ為空氣密度；vr為車輛與空氣的相對速度。
空氣密度與環(huán)境溫度密切相關(guān)，在-20℃的條件下，其空氣密度相較于23℃時增加了約16%。由式（6）可知在-20℃時，空氣阻力將增大16%。
1.3.2滾動阻力
由GB/T29040-2012《汽車輪胎滾動阻力試驗方法單點試驗和測量結(jié)果的相關(guān)性》可知隨溫度變化，輪胎滾動阻力變化滿足：
式中：FR為處于25℃的滾動阻力，F(xiàn)Rt為環(huán)境溫度為t時的滾動阻力；t為環(huán)境溫度；Kt為系數(shù)，對于轎車輪胎，Kt取0.008。
令滾阻溫度修正系數(shù)：
則有：
將Kt取值代入式（8），可得滾阻溫度修正系數(shù)與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，如圖1所示。
由圖1可知，隨著環(huán)境溫度降低，滾阻溫度修正系數(shù)逐步增大，即滾動阻力隨著環(huán)境溫度的降低而逐步增大；在-20℃的環(huán)境溫度下，車輛的滾動阻力將增大為25℃下滾動阻力的1.56倍。
1.3.3傳動系阻力
變速箱的機(jī)油溫度與周圍環(huán)境的溫度成線性關(guān)系：當(dāng)外部溫度降低10℃時，變速箱中機(jī)油溫度降低8～10℃。而機(jī)油溫度的變化會對潤滑條件產(chǎn)生影響，進(jìn)而對傳動系阻力產(chǎn)生影響。為了明確環(huán)境溫度對變速箱阻力的影響，對某電動車型的變速箱的拖滯阻力進(jìn)行臺架測試，測試結(jié)果如圖2所示。
圖2中3條曲線分別為在60、80、90℃條件下測得的變速箱阻力隨變速箱轉(zhuǎn)速變化曲線：隨著變速箱溫度的降低，變速箱的拖滯阻力逐步增大，而且該增大值在變速箱不同轉(zhuǎn)速下近似為一定值；在60℃～100℃溫度范圍內(nèi)，變速箱溫度每降低20℃時，該變速箱拖滯阻力增大1～2Nm。
2低溫續(xù)航里程模型構(gòu)建
對于純電動汽車，車輛行駛時需克服行駛阻力做功，并提供附件需要的功率，即動力電池的輸出功率必須滿足汽車行駛過程中的需求功率。因此，為了評估電動汽車在給定條件下的低溫續(xù)航里程，需要對動力電池的充放電特性、空調(diào)能耗、低溫行駛阻力及續(xù)航里程計算進(jìn)行建模。
2.1電池模型構(gòu)建
由1.1部分可知，動力電池的充放電特性容易受到環(huán)境溫度的影響，在不同溫度條件下其充放電容量和充放電平臺電壓都有明顯變化，在忽略單體電池之間一致性的前提下，認(rèn)為單體電池經(jīng)過各種組合方式組合成動力電池包之后，其充放電特性基本不發(fā)生變化，因此，可以得到動力電池的充放電等效模型：
式中，Dt為不同溫度下的電池可用電量；γv+為放電平臺電壓變化系數(shù)；γv-為充電平臺電壓變化系數(shù)；γc+為放電容量變化系數(shù)；γc-為充電容量變化系數(shù)。
2.2空調(diào)模型構(gòu)建
由1.2部分分析可知附件能耗主要由空調(diào)能耗構(gòu)成，而空調(diào)能耗主要受車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷決定，即：
2.2.1車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱負(fù)荷
由式（3）可知，對于確定的車型，若在試驗中給定車體內(nèi)部的熱源發(fā)熱量，并測定車內(nèi)外的平均溫差，即可計算出車體綜合傳熱系數(shù)Ｋ，由此可反推不同工況下維持車內(nèi)外固定溫差所需要的熱量Q。
為了確定車體綜合傳熱系數(shù)K，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所根據(jù)上述思路進(jìn)行了試驗：將所有車窗、車門關(guān)閉并將空調(diào)模式調(diào)整至內(nèi)循環(huán)；電加熱置于前后排座位上，開啟空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)，并將HVAC模式調(diào)整為吹面模式，使得車內(nèi)溫度的不均勻度盡可能降低；待各溫度測點的測量值穩(wěn)定后，記錄電加熱功率，并根據(jù)式（3）對車體綜合傳熱系數(shù)進(jìn)行計算。車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的測試工況如表1所示。
車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱試驗結(jié)果如表2所示。由表2中的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：隨著車速的上升，車體綜合傳熱系數(shù)成上升趨勢。
由于車體綜合傳熱系數(shù)變化非常小（車速從30km/h變化到90km/h時僅增加9%），該車的車體綜合傳熱系數(shù)可以取兩個車速下的平均值。因此，試驗車輛的車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱負(fù)荷可以表達(dá)為：
2.2.2新風(fēng)負(fù)荷
由式（4）可知，測定不同車內(nèi)外風(fēng)速及空調(diào)工作狀態(tài)下的車內(nèi)外壓差，再使用風(fēng)量測量裝置測定不同壓差下的風(fēng)量，即可測得不同工況下車體的新風(fēng)量。
按照該思路，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。
上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所試驗結(jié)果表明：車內(nèi)外壓差與車速成近似線性的關(guān)系。對試驗結(jié)果擬合，有：鼓風(fēng)機(jī)最小檔時：
鼓風(fēng)機(jī)最大檔時：
車內(nèi)外新風(fēng)量和壓差的對應(yīng)關(guān)系式為：
因此，新風(fēng)負(fù)荷可以轉(zhuǎn)化為：
2.3低溫行駛阻力模型的構(gòu)建
影響車輛行駛阻力的隨機(jī)因素有很多，如不同的試驗路段、不同的車況、不同的風(fēng)速、不同的環(huán)境溫度等因素。為了保證低溫行駛阻力的建模精確性，盡量將試驗路段、車況、風(fēng)速控制在誤差較小的試驗范圍內(nèi)。
在不同車速條件下，車輛的行駛總阻力隨著環(huán)境溫度線性變化，當(dāng)周圍環(huán)境的溫度降低10℃時，總行駛阻力大約增大8%～10%。
因此，低溫行駛阻力隨環(huán)境溫度變化的模型可以表達(dá)為：
式中，t為環(huán)境溫度；Fz為25℃時車輛行駛阻力；F ZL為環(huán)境溫度為t℃時車輛行駛阻力；KZ為車輛行駛阻力變化系數(shù)。
2.4低溫續(xù)航里程模型的構(gòu)建
對于電動汽車，車輛行駛時需要克服行駛阻力做功，并提供附件消耗功率。因此電動汽車低溫續(xù)航里程S可以表示為：
式中，Dt為電池可用電量；Dcyc為車輛行駛一個工況循環(huán)需要的電池電量；Scyc為一個工況循環(huán)內(nèi)車輛行駛的里程。
式中，車速u由車輛行駛工況循環(huán)決定；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；μ為電機(jī)輸出至驅(qū)動輪的機(jī)械傳動裝置的總效率。
3總結(jié)與建議
本文針對電動汽車冬季續(xù)航里程衰減問題，分析了電動汽車低溫續(xù)航里程衰減的主要因素，進(jìn)而通過理論推導(dǎo)及實際試驗驗證數(shù)據(jù)對電池充放電特性、空調(diào)加熱能耗及低溫行駛阻力三方面影響因素進(jìn)行分析，并建立電動汽車低溫續(xù)航里程模型，明確了阻力、電池衰減及空調(diào)使用等不同因素對電動汽車低溫續(xù)航衰減的影響占比。
由上述分析可知在低溫環(huán)境下空調(diào)的使用、電池容量衰減及行駛阻力的增大使電動汽車?yán)m(xù)航產(chǎn)生衰減。因此本文分別從車輛設(shè)計和車輛使用兩個方面提出電動汽車在低溫條件下續(xù)航性能改善的建議，主要有以下措施：
（1）設(shè)計電池加熱裝置：動力電池在低溫條件下的充電及放電容量衰減較大，建議為動力電池設(shè)計電池加熱裝置，自動為電池加熱并保溫，使動力電池在最佳溫度狀態(tài)下工作，減少電池衰減電量。
（2）開發(fā)新的續(xù)航里程儀表提醒策略：用戶在出行前通常會參考電動汽車儀表上顯示的車輛可用續(xù)航里程，避免出現(xiàn)車輛中途拋錨、不能達(dá)到目的地等不便問題。但是大多數(shù)電動汽車的儀表續(xù)航里程都只是常溫工況下的理想續(xù)航里程，沒有考慮氣溫及空調(diào)使用對電動汽車性能的影響，給用戶帶來極大的困擾和不便，因此建議開發(fā)新的續(xù)航里程儀表提醒策略，為用戶提供更精準(zhǔn)的續(xù)航性能參考，改善用戶的使用體驗。
（3）采用效率更高的熱泵系統(tǒng)取暖：當(dāng)前電動汽車多采用給電阻加壓產(chǎn)生焦耳熱的方式進(jìn)行車艙供暖，這種制熱方式效率較高，故在低溫時極大地增加了車輛的能耗。因此建議公司采用效率更高的熱泵系統(tǒng)代替PTC電加熱器。
（4）車輛停放位置：在冬季氣溫較低的天氣下，建議用戶在車輛不運行時盡量將汽車停放在溫暖的室內(nèi)停車庫里面。
（5）使用內(nèi)循環(huán)：電動汽車在低溫條件下空調(diào)耗電量占比較大，其中很大一部分由新風(fēng)負(fù)荷負(fù)荷造成。因此建議用戶在低溫環(huán)境下盡量使用內(nèi)循環(huán)模式取暖，以減小新風(fēng)負(fù)荷。
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