低溫環(huán)境對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響因素研究

于旭東， 徐 爽， 李科迪

（上汽大眾汽車(chē)有限公司， 上海 201805）

隨著動(dòng)力電池和電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)愈發(fā)成熟，常溫下的純電續(xù)航里程從往日的200km飛躍至600km以上。然而，面對(duì)寒冷的環(huán)境狀況、復(fù)雜多變的道路工況，電池充放電特性、行駛阻力、駕駛體驗(yàn)等都會(huì)受到不同程度的影響，使得純電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際續(xù)駛里程出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減現(xiàn)象，令駕乘人員陷入“里程焦慮”。

為了提高低溫環(huán)境下純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，國(guó)內(nèi)外對(duì)此展開(kāi)了理論仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面的研究。劉濱等人[1]針對(duì)某款純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了23℃常溫和-7℃低溫CLTC工況實(shí)驗(yàn)，結(jié)合整車(chē)能量流分析了造成里程衰減的原因。朱成等人[2]針對(duì)某純電動(dòng)乘用車(chē)進(jìn)行了整車(chē)能耗及續(xù)航里程測(cè)試分析，研究了其在低溫環(huán)境下的動(dòng)力電池放電特性、整車(chē)及各部件能耗差異，分析了用戶(hù)使用習(xí)慣對(duì)整車(chē)?yán)m(xù)航里程的影響。宮閃閃等人[3]通過(guò)理論分析和實(shí)車(chē)測(cè)試，確定了影響低溫續(xù)駛里程的3個(gè)主要因素，提出了一種冬季暖車(chē)功能策略以抵消電池容量下降對(duì)整車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響。Taggart J等人[4]分析了10000多輛特斯拉ModelS的低溫行駛特性，發(fā)現(xiàn)在-10℃的低溫環(huán)境下，用于電池和座艙的瞬態(tài)加熱的能量占比增加；Delos Reyes等人[5]在加拿大對(duì)日產(chǎn)Leaf和三菱i-MiEV進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在-26℃的環(huán)境下里程縮減到常溫里程的70%。Steinstraeter M等人[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低至-4℃以下，特斯拉Model 3喪失制動(dòng)能量回收能力，里程也會(huì)相應(yīng)縮減57.8%。

本文以4種車(chē)型作為研究對(duì)象，分別進(jìn)行23℃常溫、-7℃低溫CLTC工況試驗(yàn)，從整車(chē)及各部件角度對(duì)比分析影響低溫續(xù)駛里程的衰減因素，為改進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)匹配、提升各部件工作效率和優(yōu)化熱管理策略提供理論及數(shù)據(jù)支持，以期提高純電動(dòng)汽車(chē)低溫特性。

1 試驗(yàn)車(chē)輛與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛參數(shù)

以市場(chǎng)保有量較高的純電動(dòng)乘用車(chē)為試驗(yàn)車(chē)輛采樣范圍，選取4款車(chē)型。試驗(yàn)車(chē)輛信息見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)車(chē)輛參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

常溫與低溫條件下的續(xù)駛里程試驗(yàn)方法遵循GB/T 18386.1—2021《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車(chē)》[8]，試驗(yàn)規(guī)程如下。

1） 根據(jù)GB/T 18352.6—2016[9]要求，通過(guò)道路滑行法測(cè)量試驗(yàn)車(chē)輛道路阻力系數(shù)。

2） 按照GB/T 18386.1—2021 6.1.1確定的行駛阻力的滑行時(shí)間減少10%后得到的阻力作為設(shè)定用替代的道路行駛阻力。

3） 常溫續(xù)駛里程試驗(yàn)：按照GB/T 18386.1—2021 4.1設(shè)定環(huán)境倉(cāng)條件，按照GB/T 18386.1—2021 6.3試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)。

4） 低溫續(xù)駛里程試驗(yàn)：按照GB/T 18386.1—2021附錄A.2.2設(shè)定環(huán)境倉(cāng)條件，按照GB/T 18386.1—2021 附錄A.2.4設(shè)定暖風(fēng)裝置，按照GB/T 18386.1—2021附錄A.3 試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)。

5） 試驗(yàn)結(jié)束后，按照GB/T 18386.1—2021 7.3.2對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

本研究所用試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照1.2節(jié)的試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行常溫、低溫續(xù)駛里程試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2所示。續(xù)駛里程變化率、百公里能耗變化率計(jì)算公式分別如式（1）、式（2）所示。

圖1 續(xù)駛里程試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，4輛試驗(yàn)車(chē)輛的低溫續(xù)駛里程較常溫續(xù)駛里程均有所衰減，且變化率在30%～55%以?xún)?nèi)，平均續(xù)駛里程變化率為43.2%。由圖2可知，低溫環(huán)境下的百公里能耗均增大，平均百公里能耗變化率為68.8%。不論處于常溫環(huán)境還是低溫環(huán)境，B車(chē)百公里能耗均為最高，但D車(chē)的低溫百公里能耗變化率最大，能耗增率接近100%，因此其低溫續(xù)駛里程也衰減最多，續(xù)駛里程變化率為52.2%。相較而言，C車(chē)低溫表現(xiàn)最好，即節(jié)能效果最好、低溫續(xù)駛里程最長(zhǎng)，其百公里能耗變化率為45.7%，續(xù)駛里程變化率僅為33.9%。

圖2 百公里能耗（kWh/100km）

為進(jìn)一步分析影響低溫續(xù)駛里程的因素，本研究按能量流將整車(chē)劃分為若干能耗系統(tǒng)，分別測(cè)量了CLTC工況下不同系統(tǒng)部件的低溫能耗，系統(tǒng)部件百公里能耗、變化量及變化率計(jì)算公式如式（3）～式（5）所示。如圖3所示，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力、整車(chē)熱管理（暖風(fēng)空調(diào)及電池PTC、低壓部件）、電池可用能量等方面為低溫環(huán)境下主要能量損耗來(lái)源。4輛試驗(yàn)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力方面能耗增率在16%～32%以?xún)?nèi)；用于暖風(fēng)空調(diào)及電池PTC加熱的能耗增量所占比重最大，百公里能耗變化率在30%～60%范圍內(nèi)，而低壓部件的百公里能耗變化率一般在3%～7%以?xún)?nèi)，本研究將這兩個(gè)因素歸為整車(chē)熱管理的影響。此外，低溫下電池可用能也存在一定比例的衰減。

圖3 -7℃低溫下各系統(tǒng)部件的能耗增量

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力的影響

低溫環(huán)境下的輪胎胎壓通常比常溫的低，這會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛行駛時(shí)輪胎形變量增大，使得滾動(dòng)阻力變大。潤(rùn)滑油粘度對(duì)溫度變化較為敏感，低溫下粘度增大，從而造成輪轂拖滯阻力增加。此外，低溫下的空氣阻力也有一定程度提高。又因?yàn)檐?chē)輛在低速段的行駛阻力中滾動(dòng)阻力和機(jī)械阻力為主導(dǎo)部分，在高速段的阻力主要受空氣阻力影響[10～11]。因此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的阻力大大增加。

低溫環(huán)境下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的百公里能耗變化量及變化率如圖4所示。低溫對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力能耗變化率的影響在30%左右，變化量在4.8kWh/100km以?xún)?nèi)。其中，C車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力受低溫影響最小，百公里能耗變化率只有16%，能耗變化量也是最少的，為2kWh/100km。A車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力受低溫影響最大，百公里能耗變化率達(dá)到32%。

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的百公里能耗變化量及變化率

2.2 整車(chē)熱管理（暖風(fēng)空調(diào)及電池PTC、低壓部件）的影響

低溫續(xù)航里程試驗(yàn)是在開(kāi)啟暖風(fēng)裝置制熱狀態(tài)下進(jìn)行的，故而用于座艙加熱的能耗增大。而低溫下電池管理系統(tǒng)也會(huì)起動(dòng)自動(dòng)加熱模式，以使電芯在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，因此電池的自熱效應(yīng)也增加了一部分能耗[5]。此外，除了來(lái)自暖風(fēng)空調(diào)、電池PTC的加熱能耗外，其他低壓部件低溫下也存在一定的能耗增量。

低溫環(huán)境下，整車(chē)熱管理的百公里能耗變化量及變化率如圖5所示。低溫環(huán)境下，4款車(chē)型的暖風(fēng)空調(diào)及電池PTC、低壓部件加熱能耗變化率在30%～66%范圍內(nèi)。其中，D車(chē)用于加熱的能耗最多，為8.4kWh/100km，百公里能耗變化率為66%。這是因?yàn)镈車(chē)以犧牲經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)提高駕駛舒適性。在試驗(yàn)過(guò)程中，D車(chē)座艙溫度能從0℃以下上升到20℃只需5min，短時(shí)間高功率的加熱方式增加了D車(chē)的能耗。

圖5 整車(chē)熱管理的百公里能耗變化量及變化率

2.3 電池可用能量的影響

在寒冷條件下，鋰離子電池的反應(yīng)性下降，鋰離子電導(dǎo)率降低，使得電池可用容量縮減。低溫還會(huì)加速電池負(fù)極析鋰，導(dǎo)致電池阻抗變大，充放電過(guò)程中內(nèi)耗電量增加，削弱了電池正常充放電能力，導(dǎo)致續(xù)駛里程降低[7，12～13]。電池的功率特性下降還會(huì)導(dǎo)致SOC提前截止，對(duì)電池可用能量產(chǎn)生不利影響。由式（6）、式（7）可獲得低溫下電池可用能占比與變化率。

低溫環(huán)境下，電池可用能占比與衰減率如圖6所示。A車(chē)電池可用能衰減率為10%，是4輛車(chē)中電池可用能衰減最大的車(chē)輛。而B(niǎo)車(chē)和C車(chē)的電池可用能衰減率只有3%，電池的低溫特性良好。在試驗(yàn)過(guò)程中，A車(chē)的電池溫度在0～5℃范圍內(nèi)波動(dòng)，較低的工作溫度限制了電池的充放電能力。隨著試驗(yàn)時(shí)間遞增，C車(chē)的電池溫度由0℃以下逐漸上升至10℃以上，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電池溫度達(dá)到15℃，接近常溫下電池的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮了電池特性。

圖6 -7℃低溫下電池可用能占比與衰減率

3 結(jié)論

本文通過(guò)底盤(pán)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架試驗(yàn)，以23℃常溫續(xù)駛里程及能耗為對(duì)照組，對(duì)比分析了-7℃低溫對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力、整車(chē)熱管理（暖風(fēng)空調(diào)及電池PTC、低壓部件）、電池可用能量等方面影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，4輛試驗(yàn)車(chē)輛的整車(chē)熱管理方面能量消耗占比最多，其中的暖風(fēng)空調(diào)及電池PTC所占能耗增量所占比重最大，百公里能耗變化率在30%～60%范圍內(nèi)，其次是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力的影響，能耗增率在16%～32%以?xún)?nèi)，而低壓部件的百公里能耗變化率一般在3%～7%以?xún)?nèi)。此外，低溫下電池可用能衰減率在3%～10%之間。因此，為了延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車(chē)的低溫續(xù)駛里程、降低能耗，有如下改進(jìn)措施。

1） 關(guān)于降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力方面：建議采用新技術(shù)，盡可能減少溫度變化對(duì)輪胎材料的影響，使其低溫下也能維持較好的材料特性，以降低滾動(dòng)阻力，提升低溫續(xù)駛里程；同樣地，潤(rùn)滑油特性也應(yīng)盡量穩(wěn)定，避免粘度隨溫度變化而變大。

2） 關(guān)于改善整車(chē)熱管理方面：建議進(jìn)一步研究節(jié)能空調(diào)、高效熱泵，改善車(chē)內(nèi)密封性，優(yōu)化電池PTC加熱策略，使電池既處于最佳工作溫度，加熱能耗又不至于消耗過(guò)多能量。將未使用的再生制動(dòng)功率直接轉(zhuǎn)換為熱能，用于加熱系統(tǒng)部件，確保動(dòng)力電池能夠在最佳溫度工作。電池溫度的適當(dāng)提升也有利于制動(dòng)能量回收。

3） 關(guān)于提高電池可用能方面：結(jié)合電池充放電特性，改進(jìn)電池組低溫預(yù)熱策略，平衡電池單體之間的溫度，優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)，提高電池單體一致性，盡可能滿(mǎn)足車(chē)輛低溫行駛需求。