纯电动汽车续航里程提升措施分析

张尚生，刘敏，苑忠国（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）



纯电动汽车续航里程提升措施分析

张尚生，刘敏，苑忠国
（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）

摘要：影响纯电动汽车续航里程的重要因素有能量回收不到位、动力电池容量衰减快、整车质量大等问题。针对这些问题提出了储热技术、智能化动力电池管理系统、整车优化三种方案。意在通过这三种方案来进一步提高纯电动汽车的续航里程。

关键词：纯电动汽车；续航里程；储热技术；智能化动力电池管理系统

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.72+2Document Code: BArticle ID: 1671-7988 (2016)05-144-03

前言

由于环境污染加剧，节能减排要求的提高，大力发展新能源产业已成为政府工作的一项重要任务。新能源汽车，尤其是纯电动汽车已成为很多国家的转型战略。随着雾霾天气的增加，人们对清洁能源的呼声越来越高，无论是国家还是汽车行业都越来越重视纯电动汽车在未来的发展前景。但纯电动汽车作为汽车行业的新秀，涉及到一些新领域，面临着诸多难题，普及率较低！而制约纯电动汽车普及的一个重要原因就是动力电池组单次续航里程短，无法满足人们中远途距离出行需要。为了尽可能的提升纯电动汽车的续航里程，本文在以下三方面进行了详细论述。

1、储热技术

众所周知，纯电动汽车有一个通病：只要一开暖风就特别费电，大大影响了续航里程。原因是纯电动汽车上采用的暖风热源基本上都是电加热形式的PTC元件，即用热敏电阻作为热源，通电之后电阻发热，通过鼓风机工作使空气经过该热源，达到加热空气的效果。为了在冬天尽可能少的消耗动力电池的能量，寻找新的热源为驾驶室供暖也就成了纯电动汽车亟需解决的一项重要难题。

储热技术的问世恰好能为解决上述问题提供思路。储热密度是表示储热技术特性的指标之一，是指1kg材料所能存储的热量，单位为“kJ/kg”。因为水的比热容较大，因此我们家庭供暖用的最多的储热介质就是水，而水的储热密度在低温区（0～100℃）约为340～400kJ/kg。作为配备于纯电动汽车的储热介质，就要满足能以尽可能小的质量和体积存储尽可能多的热量。为了将来应用于纯电动汽车，有专家提出可以在纯电动汽车上安装储热装置，但是为了能获得较为理想的热量，制造该装置的储热介质其储热密度应达到“1000 kJ/kg”以上。即储热密度约为水的3倍的材料。例如汽车制动过程刹车片会产生大量热量，并且汽车在长时间高速行驶状态下轮胎也会产生大量的热量，我们可以将这些能量存储，用于纯电动汽车驾驶室的供暖以减少动力电池的能量消耗，使更多的电量用于增加纯电动汽车的续航里程。

2、智能化动力电池管理系统

智能化动力电池管理系统包括智能化动力电池温度管理系统和智能化动力电池参数管理系统。其组成部分如图1所示。

（1）智能化动力电池温度管理系统。研究表明，温度对动力电池容量和寿命的影响是十分巨大的。以阀控动力电池为例，其最佳工作温度为15℃～25℃，在此温度范围内动力电池能保持最佳工作状态。温度过高会使部分充电电流转化成热能，加剧电池内部温度的上升，造成恶性循环，使动力电池损坏容量减小。研究表明，当环境温度在25℃时，若温度升高6℃以上，动力电池寿命就会大幅度缩短。因此，当动力电池工作时，保证动力电池处于最佳工作温度是保证动力电池容量最大化，提高续航里程的一项重要措施。开发智能化动力电池温度管理系统对上述问题的解决是有帮助的。通过智能化动力电池温度管理系统我们可以实时监测动力电池室环境温度，确保浮充电压设定值为2.25V/单体（标称温度25℃），如果温度变化，应及时根据变化情况，按照0.003V/(单体·℃)的系数进行修正，温度升高，电压下调，反之上调。但任何情况下，都应该确保充电电压在2.20V/单体和2.35V/单体之间。

（2）智能化动力电池参数管理系统。除温度影响动力电池容量外，动力电池单体不一致性也是一项重要原因。电池不一致性将导致电池组内其它单体发生多米诺骨牌效应式的连锁反应，由于电池组中某一个或某几个单体的使用寿命缩短，从而影响了电池组整体寿命，使纯电动汽车续航里程缩短。单体数量越多，电池不一致性差别越大，在使用中不一致性扩散越快，电池组容量衰减也越快。不一致性使得动力电池组的使用寿命往往小于单电池使用寿命，严重限制其在纯电动汽车上的应用。运用智能化动力电池参数管理系统，结合动力电池的成组运用技术，在电池组使用过程中对每个单电池参数进行实时监测，掌握电池组中单电池不一致性发展规律，对极端电池及时进行更换,并对正常电池进行定期维护保养，把电池组参数不一致性控制在合理范围内。不一致性得到了控制，动力电池的寿命和容量也就得到了提升，纯电动汽车的续航里程必然也会增加。

图1 智能化动力电池管理系统

3、整车优化

3.1减轻整车质量

车身轻量化对于汽车续航里程的提升是极其重要的。我们都知道，在工况不变的前提下汽车的能量消耗和质量基本上成线性关系。纯电动汽车在这方面表现的尤为明显，纯电动汽车车身质量的增加会明显缩短续航里程。相比传统汽车，纯电动汽车在电池方面增加了一部分质量，同时还要求整车质量要尽可能的小，这就需要在车身轻量化方面寻求一些解决途径。目前，国内外专家们已经形成了较大共识，其实车身轻量化，无外乎新材料的应用、车身轻量化的结构设计和先进制造工艺这三个方面。

1）新材料的应用是车身轻量化的主流。采用轻量化的金属和非金属材料，主要是采用铝镁合金、工程塑料和碳纤维等各种新型材料，比如汽车车身下部、散热水箱和发动机等可以适量采用一些铝合金材料，前机罩盖和行李箱盖则可采用碳纤维等复合材料。

2）车身轻量化的结构设计。通过概念性设计阶段的拓扑优化、基本设计阶段的形貌优化及详细设计阶段的尺寸优化来指导具体结构设计。基于有限元分析方法，利用“以结构换强度”的结构优化设计并采用拓扑优化和尺寸优化工具设计出满足纯电动汽车车身性能要求的框架式车身结构。比如纯电动汽车后侧围外板以及顶层外板部分并不作为主要承载部件却在车身总质量中所占比例较大，在设计时我们就可以对此进行结构优化，采用钢塑一体化结构，即在传统钣金构件基础上，通过先进的塑料注塑工艺，在钣金件上覆以一定厚度的高强度塑料，通过增加低密高强塑料材料的应用，以达到降低钣金件质量，改善结构件性能的目的。

3）先进的制造工艺。一种轻量化材料的应用必须要以一种优良的制造工艺为支撑，从而实现一种轻量化结构设计。例如可以采用先进的点焊或者激光拼焊技术代替传统焊接技术，在保证部件之间的焊接质量的同时也会减轻连接件的质量。

3.2减小风阻系数

汽车外轮廓影响风阻系数，而风阻系数首先影响的就是纯电动汽车的电量消耗。汽车风阻会随速度的增大按平方规律增大，即每当速度增加2倍，

阻力增加4倍，而功率消耗则增大8倍！其次风阻系数还会影响风燥。而气动噪声大小和风阻系数大小是密切相关的。风燥不但会增大车阻消耗能量，甚至还会对车内人员的精神和生理造成危害，严重影响驾乘乐趣。因此减小风阻系数对纯电动汽车续航里程的提升是有利的。

减小风阻系数就要掌握空气动力学相关知识。一般情况下，两厢车风阻系数大于三箱车，车尾形状变化剧烈的风阻系数大于流线外形的，车的长高比大的风阻系数大于长高比小的风阻系数。空气动力学涉及的车身减阻降噪及高速气动稳定性等方面的内容对纯电动汽车续航里程的提升有很大帮助，从汽车领域的空气动力学研究手段来看，风洞实验和CFD (流体计算仿真技术)都是目前的主流方法。目前CFD已发展成一门较为成熟的技术学科，其研究方向主要集中在湍流方程、网格划分等环节。因此加强气动造型设计与工业设计的结合，改进气动造型优化方法，提高CFD仿真优化的精度和效率，都将提高车身造型的气动设计水平，而气动性能与动力性、燃油经济性、高速行驶稳定性等性能是密切相关的，高水平的气动造型设计将会使纯电动汽车风阻系数下降到一个较为可观的水准。

4、结语

以上三种方案详细论述了纯电动汽车动力电池能量不足及整车质量过大等问题，并提出了一些具体的解决方案，理论上在延长纯电动汽车续航里程上是可行的。随着科技的进步和国家对纯电动汽车产业扶持力度的增大，将会有更多先进技术应用于纯电动汽车，限制纯电动汽车产业发展的续航问题必将完美解决。

参考文献

[1]刘庆生.温度对蓄电池的影响[J].湖北电力,2009.

[2]王震坡.孙逢春, 张承宁.电动汽车动力蓄电池组不一致性统计分析[J].电源技术, 2003.

[3]江涛.汽车车身气动造型设计优化研究[J].湖南大学,2011.

[4]王志超. ZK-1型电动车车身轻量化技术研究[J].吉林大学,2011.

测试试验

Analysis on The Measures of Improving The Mileage of Pure Eelectric Vehicle

Zhang Shangsheng, Liu Min, Yuan Zhongguo
( Automotive Engineering Institute, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023 )

Abstract:The important factors influencing pure electric vehicle range include unremarkable energy recovery, fast power battery capacity attenuation and heavy vehicle mass. Aiming at these problems, we put forward three solution methods to further improve the range of pure electric vehicles: thermal storage technology, intelligent power battery management system and overall vehicle optimization.

Keywords:pure electric vehicle; vehicle rang; storage technology; intelligent power battery management system

中图分类号：U469.72+2

文献标识码：B

文章编号：1671-7988 （2016）05-144-03

作者简介：张尚生，就读于德州学院汽车工程学院。