摘要：從純電動汽車的續(xù)航里程理論計算公式著手，得出續(xù)駛里程與電池特性、電機(jī)、電控系統(tǒng)效率、整車設(shè)計參數(shù)，以及附件能量消耗有直接關(guān)系；然后結(jié)合AMESim仿真軟件理論計算和臺架數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對微型純電動汽車各關(guān)鍵因素如電池、電驅(qū)系統(tǒng)效率、整車設(shè)計數(shù)等參數(shù)進(jìn)行續(xù)航敏感度分析，得出各項(xiàng)因素對續(xù)航的具體影響值；最終基于當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的技術(shù)普及水平，提出了具有高性價比的微型純電動汽車提升續(xù)航的技術(shù)路徑，用于指導(dǎo)現(xiàn)階段微型純電動汽車?yán)m(xù)航里程性能的快速開發(fā)，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。
關(guān)鍵詞：續(xù)航里程；動力電池；電驅(qū)系統(tǒng)；控制策略
近年來，由于能源緊缺危機(jī)加劇，且面臨比較嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，我國相繼推出了一系列鼓勵發(fā)展新能源汽車的政策，新能源汽車尤其是純電動汽車飛速發(fā)展。但是隨著純電動汽車的增多，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、快充技術(shù)等問題日益顯現(xiàn)，純電動汽車?yán)m(xù)航里程的高低直接影響客戶的主觀體驗(yàn)和購買需求。對企業(yè)來說，若采用增加電池電量的方式可提高續(xù)航里程，單車成本也會水漲船高，對于價格敏感的微型純電動汽車而言反而降低了產(chǎn)品核心競爭力。本文從整車、電池、電機(jī)、控制策略四個方面，應(yīng)用仿真軟件對影響續(xù)航里程的各項(xiàng)因素進(jìn)行定量分析，分析在相同續(xù)航里程下的低成本關(guān)鍵技術(shù)，解決成本和性能這一主要矛盾。
1、 續(xù)航里程
1.1 續(xù)航里程概念
續(xù)航里程是指汽車在動力蓄電池完全充電的狀態(tài)下，以一定的行駛工況連續(xù)行駛的最大距離[1]。為了評價電動汽車的續(xù)駛里程，我國已制定了電動汽車評價國家標(biāo)準(zhǔn)《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》（GB/T 18386）。
1.2 續(xù)航里程理論計算
根據(jù)汽車?yán)碚摚?dāng)純電動汽車以速度v0等速行駛時，假設(shè)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)都為穩(wěn)態(tài)，純電動汽車的續(xù)駛里程可按式（1）計算。此外，在一定工況內(nèi)或者用戶駕駛時，汽車還會存在加速、減速和等速工況，從而導(dǎo)致式（1）分母項(xiàng)需要額外增加加速阻力和坡道阻力。
（1）
式中，S為續(xù)駛里程，m；CZ為電池組容量，Ah；UZ為電池組電壓，V；ξsoc為蓄電池放電深度，%；ηd為蓄電池放電效率，%；ηe為電機(jī)及控制器整體效率，%；ηt為傳動系統(tǒng)效率，%；ηa為汽車附件能量消耗比例系數(shù)；v0為車速，km/h；m為整備質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；f為滾阻系數(shù)；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2。
2、 續(xù)航里程影響因素
從式（1）可以得出，續(xù)駛里程與電池特性、電機(jī)電控系統(tǒng)效率、整車設(shè)計參數(shù)，以及附件能量消耗有直接關(guān)系，下文將對各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。
2.1 提高動力電池電量
影響續(xù)航里程最主要的因素是動力電池，包括電池組容量和電壓、放電深度和放電效率。電池總電量與汽車?yán)m(xù)航里程成正比，電池放電效率、放電深度越高，電池可用電量越多，汽車?yán)m(xù)航里程也越大。另一方面，增加電池電量會直接導(dǎo)致整備質(zhì)量也增大，所以行業(yè)內(nèi)也把比能量（Wh/kg）作為衡量動力電池的重要指標(biāo)，電池的比能量越大，單位質(zhì)量的電池可利用的能量越多。
提高動力電池電量，雖然會增加續(xù)航里程，但是會直接導(dǎo)致整車成本上升。以某目標(biāo)車型為例，整備質(zhì)量約1 000 kg，續(xù)航目標(biāo)為300 km，整車參數(shù)見表1。
表1 某純電車基本參數(shù)
當(dāng)前動力電池電量28.4 kWh，為達(dá)成續(xù)航目標(biāo)，需要增加4 kWh，按當(dāng)前行業(yè)動力電池成本 1 250元/kWh，則整車成本需要增加約5 000元，對于競爭激烈的微型純電動車型市場，產(chǎn)品競爭力將會大打折扣，顯然單獨(dú)靠提高動力電池電量性價比較低。
2.2 提高驅(qū)動系統(tǒng)效率
如圖1所示，驅(qū)動系統(tǒng)主要是指動力電池到車輪端的電能轉(zhuǎn)換成動能的過程，由式（1）可知，續(xù)航里程與電機(jī)電控整體效率、傳動系統(tǒng)效率成正比，通過AMESim仿真軟件對某1 000 kg純電動車型計算可知，當(dāng)系統(tǒng)效率每提升1%，續(xù)航里程可增加3 km。
圖1 驅(qū)動系統(tǒng)輸入及控制圖
2.2.1提高電機(jī)電控整體效率
目前行業(yè)內(nèi)電機(jī)控制器效率一般為97%左右，驅(qū)動電機(jī)效率參差不齊，范圍從80%到98%不等，對電動車用驅(qū)動電機(jī)而言，大部分運(yùn)行點(diǎn)集中在轉(zhuǎn)速4 000 r/min以內(nèi)，如圖2所示，這就要求電機(jī)不僅要在額定狀態(tài)下具有較高的輸出效率，而且要求具有很寬的高效率區(qū)[2]。
圖2 CLTC工況中驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)分布
驅(qū)動電機(jī)的類型可分為直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，由于永磁同步電機(jī)功率因素和峰值效率較高，被各大主機(jī)廠普遍采用。近年來扁線電機(jī)技術(shù)成為行業(yè)內(nèi)爭相競逐的熱點(diǎn)，在全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（World Light Vehicle Test Cycle, WLTC）工況，扁線電機(jī)比傳統(tǒng)圓線電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率高1.12%；在全域平均下，兩者效率值相差2%，在市區(qū)工況（低速大扭矩），兩者效率值相差10%。因此，扁線電機(jī)中低速效率高，更適合于中國城市路況，然而在具備諸多優(yōu)勢的同時，也同樣存在劣勢，比如設(shè)計難度、工藝制造難度、更易損耗等，這也是其尚未大規(guī)模應(yīng)用的原因[3]。
另一方面，傳動系速比設(shè)計也可以影響電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的位置，在電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)不同位置具有不同的電機(jī)效率進(jìn)而可以影響到整車?yán)m(xù)航里程，如圖3所示，所以在滿足電動車爬坡和最高車速的前提下，可以通過調(diào)整不同速比提高續(xù)航里程。
圖3 某車型速比與續(xù)航的關(guān)系
2.2.2提高傳動系效率
傳動系統(tǒng)效率損失的表現(xiàn)為存在機(jī)械內(nèi)阻，一般通過摩擦損失轉(zhuǎn)化為熱量散失，因此，提高傳動系效率也可有效提升續(xù)航里程。以某車型為例，優(yōu)化后的續(xù)航里程貢獻(xiàn)見表2。
表2 傳動系對續(xù)航里程的影響
2.3 優(yōu)化整車設(shè)計參數(shù)
整車參數(shù)主要影響車輛的行駛阻力，其中整備質(zhì)量與滾動阻力、加速阻力、坡道阻力都成正比例關(guān)系，迎風(fēng)面積和風(fēng)阻系數(shù)主要影響空氣阻力。
2.3.1整車輕量化技術(shù)
為比較某車型整備質(zhì)量對續(xù)航里程的影響，將整備質(zhì)量按25 kg步長，應(yīng)用AMESim仿真軟件逐個計算某車型在不同質(zhì)量下的續(xù)航里程變化，如圖4所示。結(jié)果表明質(zhì)量每減少25 kg，續(xù)航里程可增加3～4 km。
圖4 質(zhì)量對續(xù)航的影響
行業(yè)內(nèi)的車身輕量化技術(shù)主要包括應(yīng)用新材料、新結(jié)構(gòu)設(shè)計和先進(jìn)制造工藝。新材料采用鋁鎂合金、工程塑料和碳纖維等，如特斯拉前期Modle 3為全鋁合金車身結(jié)構(gòu)，奧迪汽車也很早就開發(fā)了全鋁合金車身技術(shù)[4]。
新結(jié)構(gòu)設(shè)計就是在保障車身整體強(qiáng)度的前提下，利用鋼塑一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，在傳統(tǒng)鈑金技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入高強(qiáng)度的工程塑料，達(dá)到車身減重的目的。
先進(jìn)制造工藝的典型代表是以特斯拉、比亞迪為首的CTC（Cell To Chassis）或CTB（Cell To Body）的車身一體化技術(shù)，該工藝把電池包做成底盤，目的是提升電池的能量密度增加車內(nèi)的乘坐空間從而減少零部件數(shù)量，節(jié)省成本的同時也給整車減輕重量。
2.3.2減小風(fēng)阻系數(shù)
據(jù)國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，對于一般轎車，空氣阻力消耗的能量平均占總能耗的17%，對于皮卡車，由于尾部氣動分離嚴(yán)重，其空氣阻力消耗的能量又比普通轎車大6%。由于市面上車型的長、寬、高參數(shù)并不會發(fā)生太大變化，所以減小風(fēng)阻系數(shù)成為降低整車空氣阻力的主要措施。
同樣，為比較某車型風(fēng)阻系數(shù)對續(xù)航里程的影響，將風(fēng)阻系數(shù)按每0.005步長，應(yīng)用AMESim仿真軟件逐個計算某車型在不同風(fēng)阻系數(shù)下的續(xù)航里程變化，如圖5所示。結(jié)果表明風(fēng)阻系數(shù)每減少0.005，通過仿真計算得出目標(biāo)車型每個測試循環(huán)能耗降低0.01～0.03 kWh/100 km，即續(xù)航里程可增加1.5～1.6 km。
圖5 風(fēng)阻系數(shù)對續(xù)航的影響
國內(nèi)應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)或計算流體動力學(xué)（Com- putational Fluid Dynamics, CFD）技術(shù)已經(jīng)比較成熟，通過優(yōu)化擋風(fēng)玻璃角度、優(yōu)化前保造型、安裝底盤封板、低風(fēng)阻后視鏡、低風(fēng)阻輪轂、隱藏門把手都能有效減小風(fēng)阻系數(shù)。
2.3.3應(yīng)用低滾阻輪胎
由式（1）可知，輪胎滾阻系數(shù)f也直接影響了續(xù)航里程，低滾阻輪胎可以有效降低整車滾動阻力，以某車型臺架試驗(yàn)為例，原輪胎采用8.3‰，改用6‰輪胎后，續(xù)航里程可提升10 km。
2.4 降低附件能量消耗
根據(jù)國標(biāo)GB/T 18386測試純電動汽車?yán)m(xù)駛里程時，會保持空調(diào)、音響娛樂、雨刮、電動助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering, EPS）系統(tǒng)等用電器關(guān)閉，只維持工況基本用電需求，但是此時，冷卻風(fēng)扇、儀表以及各控制模塊仍會供電，部分主動安全功能及相關(guān)硬件（攝像頭等）默認(rèn)開啟，由此會增加低壓功耗，最大會導(dǎo)致行駛里程下降約4.4%，即能耗有4.4%優(yōu)化潛力。
2.5 優(yōu)化整車控制策略
整車控制策略優(yōu)化一種方式是通過控制油門踏板與負(fù)荷的關(guān)系曲線使電池、電機(jī)工作在高效區(qū)間，需要根據(jù)電池的放電特點(diǎn)和電機(jī)Map圖得到其高效工作區(qū)域，然后不斷調(diào)整油門踏板與負(fù)荷的關(guān)系，使其達(dá)到續(xù)航里程最優(yōu)的狀態(tài)[5]。另一種方式是增大能量回收強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，強(qiáng)回收模式表示在續(xù)航測試中減速時基本不需要制動踏板制動，而利用滑行能量回收達(dá)到制動，而弱回收在減速過程中需要踩制動踏板，通過制動能量回收。
圖6 滑行回收Map
同時，在制動能量回收階段設(shè)置充電功率時，在高電池剩余電量（State Of Charge, SOC）下，電池在90%左右的充電能力能適當(dāng)放開；在低SOC下，制動能量回收能盡可能包含多一些回收點(diǎn)，從而提高整個循環(huán)過程中的回收能力，電池端回收率從23%提升到了28%，續(xù)航里程增加了12 km。
3、 各關(guān)鍵技術(shù)成本分析
由于整車控制策略可通過軟件標(biāo)定迭代優(yōu)化，基本不需要增加成本，所以首先推薦增大能量回收強(qiáng)度、優(yōu)化油門踏板與負(fù)荷的關(guān)系（會犧牲駕駛性）；減小風(fēng)阻系數(shù)可通過前期造型設(shè)計優(yōu)化，雖然有一定技術(shù)門檻，但基本不增加成本；降低附件能耗可以通過控制某些電器在測試過程中主動休眠來實(shí)現(xiàn)，此時不會增加成本，但是隨著車輛電氣化、智能化趨勢，面臨一定挑戰(zhàn)；應(yīng)用低滾阻輪胎對續(xù)航提升比較明顯，而提高電機(jī)傳動效率、整車輕量化、提高電機(jī)電控整體效率，由于上文提到的行業(yè)成熟度的原因，成本也逐步增加，可作為后備選項(xiàng)；最后直接提高電池電量，成本最高，同時還會直接導(dǎo)致整備質(zhì)量也增大，對于微型純電動車性價比較低。
表3 各關(guān)鍵技術(shù)成本分析
根據(jù)技術(shù)成熟度、行業(yè)發(fā)展情況，以及綜上所述續(xù)航里程貢獻(xiàn)，若從微型純電動汽車產(chǎn)品性價比角度出發(fā)，當(dāng)前階段推薦按表3所示技術(shù)路徑提升續(xù)航里程。
4、 結(jié)論
本文基于純電動汽車?yán)碚摴酵茖?dǎo)，對影響續(xù)航里程的各項(xiàng)因素進(jìn)行逐一分析，并利用AMESim仿真軟件和臺架數(shù)據(jù)，分析各參數(shù)對續(xù)航里程的敏感度，節(jié)約了大量時間和人力；另一方面，基于當(dāng)前動力蓄電池技術(shù)限制，在成本尚未體現(xiàn)出成本優(yōu)勢的前提下，提出了性價比高的技術(shù)路徑，為微型純電動汽車開發(fā)提供了指導(dǎo)建議。
參考文獻(xiàn)
[1] 唐金龍,費(fèi)為偉.提升純電動客車?yán)m(xù)航里程的策略研究與仿真[J].新能源汽車,2020(22):14-16.
[2] 王春生,王學(xué)超,孫浩.新能源汽車?yán)m(xù)航里程影響因素分析[J].汽車工程師,2017(4):40-42.
[3] 楊秀玲,喬華,王娟.基于AVL-Cruise的電動汽車?yán)m(xù)航里程優(yōu)化方法[J].新能源汽車,2020(11):21-23.
[4] 王志鵬.提高純電動汽車的續(xù)航里程的策略[J].新能源汽車,2019(6):11-13.
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來源：《汽車實(shí)用技術(shù)》
作者：何衛(wèi)1， 高麗仙2， 張雪1（1上汽通用五菱汽車股份有限公司；2柳州孔輝汽車科技有限公司）
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