純電動汽車的續(xù)駛里程概念及構(gòu)成、原理

大家好，我是阿迪，關(guān)注行業(yè)，梳理并總結(jié)所學所知與所見，希望能給大家?guī)睃c幫助。說實話，這篇文章時我見過講解續(xù)航基礎(chǔ)知識最全的一篇文章了，值得入門級好好看看。

隨著石油能源的減少及環(huán)境污染的日益加劇，電動汽車（ElectricVehicles,EV）由于具有低能耗、零排放等優(yōu)點越來越受歡迎。電動汽車與傳統(tǒng)燃油車的最大區(qū)別是其動力源來自于動力電池，動力電池提供的電能作為電機的驅(qū)動能源，可以做到汽車尾氣零排放，緩解汽車尾氣帶來的大氣污染。但由于充電設(shè)施少、距離遠、充電時間長等，續(xù)駛里程成為評價純電動車汽車性能的最重要指標，也是客戶選購純電動汽車的重要參考因素。

1電動汽車的續(xù)駛里程

在本節(jié)中說明純電動汽車的續(xù)駛里程概念以及純電動汽車的構(gòu)成、原理及特點。

? 1.1續(xù)駛里程概念

? 續(xù)駛里程是指電動汽車在動力蓄電池完全充電狀態(tài)下，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離。在這里引入能量消耗率的概念，能量消耗率是指電動汽車經(jīng)過規(guī)定的試驗循環(huán)后對動力蓄電池重新充電至試驗前的容量，從電網(wǎng)上得到的電能除以行駛里程所得到的值，稱為能量消耗率（網(wǎng)端）。本文把續(xù)駛里程稱為續(xù)航，能量消耗率稱為電耗。

? 1.2電動汽車的構(gòu)成

? 電動汽車是指驅(qū)動能量完全由電能提供的、由電機驅(qū)動的汽車。電機的驅(qū)動電能來源于車載可充電儲能系統(tǒng)。與燃油車相比，三電系統(tǒng)是電動汽車的核心特征。三電系統(tǒng)指電驅(qū)系統(tǒng)、電驅(qū)控制系統(tǒng)、電池系統(tǒng)。電動汽車的主要特征如圖1所示。除了三電系統(tǒng)以外，還有為之配套的充放電系統(tǒng)，DC/DC變換器等。 ?

1.3電動汽車基本原理 ? 通過外接直流或者交流電對電池進行充電，電池通過化學反應對電能進行儲存，是車輛獲得前行的能源。駕駛過程中，電池通過電源轉(zhuǎn)換器向電機供電，來自加速踏板的信號輸入到電子控制器中，進而控制電機輸出的扭矩來調(diào)整車輛以達到需求速度。當車輛滑行或者制動時，通過制動能量回收系統(tǒng)轉(zhuǎn)化動能給電池進行充電，增加續(xù)駛里程。 ? 1.4電動汽車特點 ? 與燃油車相比，電動汽車有如下主要特點： ? 1）驅(qū)動能源來自于電能，效率高、節(jié)能、清潔、零排放；2）電驅(qū)特性，低速時轉(zhuǎn)矩大，起步加速快，控制線性；3）不需要變速器即可實現(xiàn)變速；4）無發(fā)動機，噪音低；5）電機體積小、重量輕，容易布置。 ?

2續(xù)駛里程與能量消耗率計算

2.1理論計算公式

電動汽車的能量消耗率一般指電網(wǎng)端能量消耗率，在本節(jié)中，為便于理解和計算，忽略了電網(wǎng)與充電設(shè)備效率的影響，特指電池端能量消耗率。 ? 單位里程能量消耗率是所消耗能量與行駛里程的比值，其式為 ?

式中，E為單位里程能量消耗率，kW·h/km；Pei為行駛中的功率需求，kW；Si為行駛距離，km；ti為行駛時間，h。 ? 為了便于分析，把行駛工況分解為怠速工況、勻速工況、加速工況、減速工況四個工況。 ? （1）怠速工況。電動汽車在怠速工況時，由于電驅(qū)無動力輸出，行駛能量消耗可視為零。 ? （2）勻速工況。由汽車行駛方程式可以得出勻速行駛時功率需求，其式為 ?

式中，Pd為功率需求，vd為勻速車速，km/h；Cd為風阻系數(shù)；A為迎風面積，m2；i為坡度，°；f為滾動阻力系數(shù)，N/kN；ηt為電驅(qū)效率。 ? 把式（2）代入式（1），即可得到勻速工況的單位里程能量消耗量，其式為 ?

式中符號含義同式（2）說明。 ? （3）加速工況。加速行駛時的功率需求為 ?

式中，Pj為功率需求；v(t)為車速，km/h；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；aj為加速度；其他符號含義同式（2）說明。把式（4）代入式（1）即可得到加速行駛工況的能量消耗率： ?

式中，v0為加速起始車速，km/h；vj為加速終了速度，km/h；其他符號含義同式（2）說明。 ? （4）減速工況。在滑行減速或者制動減速時，電機無動力輸出，此時電機作為發(fā)電機對動力電池充電，進行能量回收，將一部分動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中。 ? 通過以上公式可以得出在組合工況(以上四個工況的組合)下的能量消耗量為 ?

式中，Et為組合工況下的能量消耗量，kW.h。 ? 假設(shè)電池的額定總能量為 ? Em=Cm·Um? ? ? ? ? ?（7） ? 由此可得到續(xù)駛里程

式中，St為續(xù)駛里程，km。 ? 需要說明的是，式（8）忽略了充電效率、放電深度、放電效率、車載電器損耗等因素。實際開發(fā)中需要考慮這些因素，采用復雜的系統(tǒng)進行仿真計算。 ?

2.2行駛工況

在討論續(xù)駛里程與能量消耗率時，需明確行駛工況。行駛工況不同，同一臺汽車的測試結(jié)果也會不同。在國內(nèi)，純電動乘用車的測試行駛工況為中國乘用車行駛工況（ChinaLight-dutyVehicleTestCyclePassengerCar, CLTC-P），包括低速、中速、高速共3個速度區(qū)間，每個循環(huán)時長1800s，里程14.48km。CLTC-P工況曲線如圖2所示。 ?

CLTC-P工況對中國汽車行駛工況開發(fā)技術(shù)路線的總結(jié)凝練，綜合考慮了人口、汽車保有量、GDP等多項指標以及我國各典型城市、地區(qū)地理、氣候特點等來確定，符合中國國情與實際情況。 ? CLTC-P測試流程分為常規(guī)工況法與縮短法。其中縮短法測試流程如圖3所示。 ?

不超過8個CLTC-P循環(huán)里程的車輛采用常規(guī)工況法，超過8個循環(huán)的車輛采用縮短法。 ?

3續(xù)駛里程的影響因素

? 通過以上內(nèi)容的說明，可以看出影響續(xù)駛里程因素主要有三電相關(guān)的電驅(qū)、電池，整車相關(guān)的重量、風阻、機械阻力、低壓電耗、能量回收能力等。以下分析結(jié)果及影響程度均基于CLTC-P工況進行仿真，仿真模型如圖13所示。 ?

3.1電驅(qū)影響

純電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)由電機、控制系統(tǒng)、減速器、傳動軸組成。電機是將電能轉(zhuǎn)換成汽車驅(qū)動力的裝置。電驅(qū)的外特性曲線如圖4所示。 ?

在同等電量下，電機效率越高，轉(zhuǎn)化為可利用的動能越多，續(xù)駛里程越長。在選型時，要選取綜合效率高、高效率區(qū)間占比大的電驅(qū)系統(tǒng)。 ? 電驅(qū)效率對續(xù)駛里程的影響如圖5所示。 ?

從仿真結(jié)果看，電驅(qū)效率對續(xù)駛里程影響明顯，電驅(qū)效率每提升2%，續(xù)航增加約3.4%。 ? 當前主流為三合一電驅(qū)，綜合效率在89%左右。但隨著各廠商對電驅(qū)研發(fā)的投入，四合一、七合一、八合一系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。電驅(qū)系統(tǒng)高度集成后，具備體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點。尤其是SiC材料的采用，大大提升了電驅(qū)效率。 ?

3.2動力電池影響

? 動力電池為整車行駛提供能量，影響續(xù)駛里程的主要參數(shù)有：

? （1）影響可提供電量的電池容量、放電深度、能量密度等； ?

（2）影響制動能量回收的峰值充電功率、持續(xù)充電功率等。 ?

其中能量密度是各主機廠關(guān)注的一個關(guān)鍵參數(shù)，提升電池能量密度可有效降低整車重量。例如對于60kWh電量的動力電池能量密度大約120Wh/kg，如果提升至150Wh/kg，可減輕120kg左右，收益匪淺。電池受環(huán)境溫度的影響較大，本文中的仿真與測試環(huán)境溫度為常溫。 ?

3.3重量影響

輕量化是節(jié)能減排的有效手段，在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的重量，從而提高汽車的經(jīng)濟性。白車身的輕量化系數(shù)、電池的能量密度等參數(shù)可用來衡量輕量化水平。 ? 隨著技術(shù)發(fā)展，輕量化手段多種多樣，比如從材料上采用高強度物料以及塑料化開發(fā)，從結(jié)構(gòu)上通過靈敏度分析進行優(yōu)化，從工藝上采用熱沖壓工藝等方面進行。 ? 通過仿真分析，可知重量對續(xù)駛里程和能量消耗率的影響如圖6所示。 ?

從仿真結(jié)果可以看出，重量每下降100kg，續(xù)駛里程增加3.7%左右。 ?

3.4風阻影響

空氣阻力簡稱為風阻，指空氣對運動物體的阻礙力。物體在運行時，前面的空氣被壓縮，兩側(cè)表面與空氣的摩擦，以及尾部后面形成的部分真空，這些作用所引起的合力為空氣阻力。 ? 影響風阻的因素有造型、迎風面積、前格柵開口面積、前艙氣流管理、輪輞及輪腔、車底平滑度、尾流形態(tài)等。 ?

整車的風阻可以通過兩個途徑獲得。一是通過計算流體力學（CFD）仿真獲得，二是風洞試驗得到。在開發(fā)前期，由于造型方案多且變化頻繁，一般通過CFD進行仿真分析及快速迭代，增加效率與降低開發(fā)成本。造型方案基本鎖定后，通過制作油泥模型進行風洞試驗驗證或驗收。風阻對續(xù)駛里程的影響如圖7所示。其中風阻的大小用阻力因子來表征。 ? 從仿真結(jié)果可以看出，風阻每下降10%，續(xù)航增加6%左右。 ?

3.5制動阻力矩影響

制動阻力矩由卡鉗拖滯力矩和軸承動態(tài)力矩兩部分組成。制動阻力矩對續(xù)駛里程的影響如圖8所示。 ? 當前的卡鉗拖滯力矩的水平在1.5Nm左右，現(xiàn)在已提出“零拖滯扭矩”卡鉗概念，可以控制在1.0Nm以內(nèi)。 ?

從仿真結(jié)果可以看出，制動阻力矩每降低10%，續(xù)駛里程增加10%左右。 ?

3.6輪胎滾阻影響

輪胎由橡膠制成，具有彈性，在與地面接觸的過程中產(chǎn)生形變，進而產(chǎn)生阻力。滾動阻力系數(shù)是車輪在一定條件下滾動時所需之推力與車輪負荷之比，是表征輪胎滾阻的一個重要參數(shù)。 ? 滾阻系數(shù)對續(xù)航的影響如圖9所示。 ?

從仿真結(jié)果可以看出，滾阻系數(shù)每降低10%，續(xù)駛里程增加2%左右。 ? 輪胎的滾阻系數(shù)與續(xù)航、操控、NVH（Noise,VibrationandHarshness）、制動等有強相關(guān)關(guān)系，較低的滾阻系數(shù)雖然有利于提升續(xù)駛里程，但對操控、制動等有不良影響。所以在開發(fā)中不可追求過低的滾阻系數(shù)。 ?

3.7輔助（低壓電耗）影響

車輛行駛過程中，除了必須的動力輸出外，駕駛輔助系統(tǒng)也消耗能量。例如車機系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、除霜除霧等。通常把這些統(tǒng)稱為輔助或者低壓電耗。 ?

如圖10所示，從仿真結(jié)果可以看出，低壓電耗每降低10%，續(xù)駛里程增加1%左右。 ?

3.8制動能量回收影響

制動能量回收指汽車滑行、減速或者下坡時，將車輛行駛過程中動能及勢能轉(zhuǎn)化為或者部分轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池中。在車輛開發(fā)中，能量回收一般設(shè)定輕度、中度、高度三個等級。高度等級回收比例最大，對續(xù)駛里程增加貢獻最大。 ? （1）滑行工況，在不踩制動情況下，車輛滑行減速直至所需速度。滑行工況能量回收示意圖如圖11所示。 ?