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实测:影响电动汽车续航里程的因素有哪些?

2021-06-30 朱玉龙 阅读:
纯电动汽车的续航里程,从汽车设计的层面上来说,不仅仅是和电池容量存在直接相关,其实背后不仅有传统汽车设计中对汽车造型和制造工艺的不断打磨;更有在软件层面上,系统算法的全面优化和提升。从实际使用工况来说,测试标准的工况和实际使用存在较大差异……

理论知识科普:续航里程受这些方面影响

纯电动汽车,最为关键的选购参数之一便是它的续航里程,然而往往最具有争议的,也是这个续航里程。lnBednc

标称的续航里程和真实里程为什么会有差异?又有多大差异呢?先简单明确一下这个问题。lnBednc

续航里程定义是指,汽车在动力电池完全充电(仪表显示充满)的状态下,以一定的行驶工况,连续行驶的最大距离。lnBednc

争议的原因主要在于测试标准中的行驶工况,目前常用的工况如下:lnBednc

  1.  欧盟NEDC工况,全球的主流测试标准之一。目前国内的工况标准(GB18386-2017《电动汽车能量消耗率和续航里程试验方法》)主要是参考NEDC标准制定。
  2. 美国EPA工况,全球的主流测试标准之一。也是最严格的测试标准,针对纯电续航里程测试,NEDC与EPA 的续航测试结果差距在10-15%左右。
  3. WLTP工况。 
  4. JC08,仅在日本地区采用。

影响续航里程的因素,可分为车辆使用(其实就是工况)和整车设计两大方面。lnBednc

从车辆使用的角度来说,用户的驾驶习惯和使用环境等因素,跟标准规定的工况肯定存在差异。这个很容易理解:环境温度的变化,不同的驾驶员、不同的载重,在不一样的道路上行驶,续航里程存在偏差。所以很多关于续航里程不准的争议,也是直接针对标准的工况是否合适的争议。lnBednc

从整车设计方面来看,还有以下三个大的影响因素:性能设计、动力系统、整车的系统优化。 lnBednc

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(图1:车企在不同层级对于续航里程的整车特性的追求)lnBednc

第一:性能设计 

纯电动汽车在行驶过程中,受到的阻力越大,用于克服阻力而消耗的蓄电池电能就越多,相应的续航能力就越差。减小阻力,在提高纯电动汽车的动力性以及续航能力方面,有着重要的作用。那么,汽车行驶过程中,受到的阻力有哪些呢?主要包括:lnBednc

  • 首先,汽车在水平道路上,匀速行驶时,必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的阻力;
  • 当汽车在坡道上,向上坡行驶时,还必须克服重力沿坡道的分力,称为坡阻;
  • 还有,汽车加速行驶时,需要克服加速阻力。

对于空气阻力和滚动阻力,我们一般用风阻系数和滚阻系数来评价性能好坏。这个系数,可以看成是汽车行驶阻力与车速平方之间的比值,同样速度下系数大的汽车阻力就大,消耗功率大;反之,风阻和滚阻系数越小,车辆阻力就越小,消耗功率也越小。这也意味着,其它条件不变的情况下,纯电动汽车的耗电量越小,或者相同耗电量下速度越快。 lnBednc

要想减小风阻系数,一是要从整车的造型设计着手去优化,合理的车身形状,可以减小迎风面积,降低空气阻力系数,进而降低整车空气阻力。另一方面,是车辆的制造精度。车身曲面质量越高,车身越光滑,风阻系数就越小。曲面质量取决于工程结构设计以及模具制造工艺。lnBednc

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(图2  整车流线图)lnBednc

减小滚动阻力系数也是从两方面入手,一是降低整车质量,控制总的质量,这样可以降低滚阻,进而降低车辆能耗。电动汽车性能优化中,需要对整备质量进行管理,有轻量化的要求,其目的之一,就是为减少滚动阻力。另一个方面,是选用低滚阻轮胎。顺便说一句,在当前,纯电动汽车的研发难点普遍集中在续驶里程的提升上,而受困于电池技术,找不到特别行之有效的解决方法时,针对纯电动车型采用更低滚动阻力的轮胎,成了提升电动汽车续驶里程一个有效的办法。lnBednc

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(图3 车辆速度和滚动阻力系数)lnBednc

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(图4  不同滚动阻力系数和空气阻力系数下车速和滑行阻力的比较)lnBednc

第二:动力系统

纯电动汽车是通过驱动电机将动力电池中的电能转换成机械能,从而驱动车辆行驶。lnBednc

因此续航里程与电动汽车的三电系统(电池、电驱、电控)直接相关:lnBednc

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(图5  电动汽车动力系统)lnBednc

(1)电池系统

动力电池的容量,直接决定了续航里程的长短。lnBednc

提高电动汽车续航里程最直接的方法,就是增加电池容量,但这个数值不能无限的增加。这是因为,站在整车布置的角度,需要考虑 每单位瓦时(Wh)所占据的空间,这将决定在车身有限的位置里,能放下多少电池;而每单位瓦时(Wh)的重量,则决定了电动汽车里面电池的重量占比。所以动力电池组的 “每升单位瓦时”(Wh/L)和“每千克单位瓦时”(Wh/kg)就是考察容量的核心要素。lnBednc

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(图6  电池能量密度和电动汽车的续航里程)lnBednc

另外,电池系统的温度过高或者过低,也会影响到续航。为了降低电池发热,以及环境温度的影响,电池系统还需要做稳定的热管理系统,其主要任务有: lnBednc

  • 绝热:让电池系统与外界环境隔绝,免受外部高温或者低温的影响;
  • 散热:将在电池处于工作状态时产生的热量及时向外散发;
  • 均热:电池模组之间还需要尽可能保证温度的一致性,电芯在不同温度状态下有特性上的差异,保持温度一致才能最大限度发挥电池组特性。

在相同的电池容量下,越稳定的电池温度越能保证续航里程。lnBednc

(2)电驱动系统

电驱动系统主要包含驱动电机、控制器、逆变器和减速器等等。它的效率根据输入功率和输出功率的比值来确定。 lnBednc

当电池容量确定后,在相同的电压下,输出能量的高低就由驱动系统的效率来决定,因此各个车企都会充分挖掘电机效率、电控效率,来达到优化能耗、提高续航里程的目的。lnBednc

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(图7  驱动系统效率需要细致的针对三大主要部件和部件之间的耦合进行优化)lnBednc

(3)整车控制系统

主要是指协调电池、驱动系统和底盘刹车能量回收的关系。在频繁加速、减速的工况下,可以根据电池的状态、刹车需求来动态调整能量回收(制动能量回收)的比例,从而提高能量利用效率。lnBednc

电动汽车的制动能量回收策略,将会直接增加车辆的续驶里程lnBednc

第三:系统优化

相关系统优化的内容非常复杂,只能简单说说。lnBednc

在动力系统开发的最后阶段,整车集成的过程中,工程上需要付出很多的努力,不仅要守住之前的整车减重目标,还要根据不同工况的标定,在VCU上对于整车控制进行优化。lnBednc

这是由于不同的工况下电池耗费的能量完全不同,在电池管理系统和VCU里面就需要有专门的软件,来预测可行驶里程。这种预测能力,也是车企研发能力的体现。lnBednc

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(图8 车内电池管理系统基于SOC的里程估计)lnBednc

VCU作为核心控制部件,是整车企业的软件算法和控制核心。在续航里程方面,VCU需要做的工作是:lnBednc

  • 控制能量管理与动力分配,提高系统综合效能;
  • 控制制动能量回馈,回馈力度调节;

因此在优化阶段,主要是标定车辆的不同工作模式,协调整车的动力性和续航里程的能耗经济性。还要通过智能的能量管理策略来增加整车的续驶里程。 lnBednc

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(图9 智能的能量管理策略)lnBednc

最后,小结一下第一部分:

纯电动汽车的续航里程,从汽车设计的层面上来说,不仅仅是和电池容量存在直接相关,其实背后不仅有传统汽车设计中对汽车造型和制造工艺的不断打磨;更有在软件层面上,系统算法的全面优化和提升。lnBednc

从实际使用工况来说,测试标准的工况和实际使用存在较大差异,所以,导致最后实测值与官方发布的标称值不能对应。lnBednc

实测小鹏P7续航里程

之前易车做了一个比较大的选题——2020年度实测EV汽车续航偏差,定义为实际里程与工信部续航里程的偏差(NEDC/工信部续航里程),小鹏P7超长版的偏差率是16.6%,在测试的约20款电动车中排名中等,比较有意思的是,P7四驱高性能版本排名靠前,而Model 3 垫底。lnBednc

先看看P7的一些参数,为方便说明也挑了两款热门车型的数据作为对比。lnBednc

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从参数可以看出,续航里程在类似的车型中(P7 和Model3),和电池容量正相关性明显。但一旦车型变大,风阻也大了,相似的续航里程便需要更多的电池容量作为支撑(ES8 和Model3)lnBednc

再说说我实际测试的情况。这辆小鹏P7刚拿回来的时候,是给老婆练车的。当时是春天,温度适中、没有开空调。lnBednc

从市区到郊区的老家,单程70km,有60公里的高速或高架(延安高架+G50),路况较好,剩下10公里是郊区的二级公路。来回实际跑140公里,表显里程掉了200公里,相当于7折。lnBednc

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(图10 新手女司机的里程消耗)lnBednc

前两天我爸开同样的路,开了空调,也是路况较好的时候。作为多年的老司机,我爸实际从徐汇到青浦65公里路,表显掉了85公里,差不多8折左右。果然老司机就是不一样lnBednc

另外,上周末两天老婆练车,一次去了青浦万达广场来回,一次去了奉贤的养蜂场,整个实际距离大概在200公里左右,因为大部分是高速,表显续航里程掉了270公里,这里既有开空调的原因,也有开高速的原因,总体来看新手女司机的技术进步了一点。lnBednc

当然我们作为自己日常用车,就没有去严谨的测试从充满电开到趴窝的临界值了。lnBednc

但从以上的数据可以看出,无论是工信部标称的纯电续航,还是各种机构的实测数据,都只能作为基准参考值。在实际操作层面,要想开出接近标称的续航里程,首先要司机技术好。lnBednc

购买的时候,续航里程作为重要购买参数,还是有比较上的意义。作为生活中的实际用车,表显的续航里程,我们还是拿来当作电池的电量估计比较合理,类似手机的电量百分比,留出充足的开到充电桩的时间和距离。lnBednc

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图|网络及相关截图lnBednc

(作者简介:朱玉龙,资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师,原EDN博客资深博主,著有《汽车电子硬件设计》,本文首发于公众号2030出行研究室。)lnBednc

责编:DemilnBednc

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