纯电动汽车低温适应性研究

韩友国　杨玉梅　付超

摘 要：由于纯电动汽车在低温环境下存在续驶里程大幅缩短、充电时间加长、动力性下降等问题，导致其在高寒地区的推广应用较少。本文主要介绍了纯电动汽车在高寒环境下的适应性研究方案，并结合具体车型的研究成果展开分析。所述的低温环境适应性研究包含低温冷启动、除霜、采暖、直流/交流充电、动力性、经济性、可靠性、能量回收、以及制动操稳性。

关键词：纯电动汽车;高寒;适应性

1 新能源汽车低温适应性研究背景

作为全球第一大汽车消费国，我国汽车全球市场占有率多年来一直稳居第一，其中传统燃油汽车占据主导地位。但随着环境污染日益严重，各地雾霾频现，基于能源结构安全和环境保护压力，发展节能环保的新能源汽车已成为主流。

2010年，国务院发布《关于加快培育发展战略性新兴产业的决定》，将新能源汽车列入国家战略新兴产业。两年后，国务院出台《节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）》，将新能源汽车行业产业化目标具体化。随后，国家接连出台了一系列关于新能源汽车推广应用的配套补贴优惠政策，如：新能源汽车车辆购置补贴政策、免征新能源汽车车辆购置税、支持充电基础设施建设等。

在国家及地方政府一系列利好政策的支持下，经过 10 多年的研究開发和示范运行，我国新能源汽车实现了产业化和规模化的飞跃式发展。据中国新能源汽车大数据研究报告指出，截至2018年6月3日，我国新能源汽车市场保有量已经突破200万量;截至2018年7月15日，新能源汽车国家监测与管理平台已接入超过100万辆各类新能源汽车，主要分布于京津冀、江浙沪、珠江三角洲等东中部地区。而西北与东北等高寒地区新能源汽车推广应用却寥寥可数。究其原因主要在于我国西北和东北地区冬季时间长且高寒，温度低至-30℃甚至-40℃，而新能源汽车在低温环境下存在续驶里程大幅缩短、充电时间加长、动力性下降等问题，导致其在高寒地区的推广应用较少。基于以上，研究可应用于高寒环境的纯电动汽车已刻不容缓，亟待研发与推广。

2 纯电动汽车低温适应性研究

研究纯电动汽车低温环境适应性，通常在产品设计环节通过分析整车使用环境，将目标分解至系统乃至零部件，然后在产品验证阶段依次进行由零部件到系统再到整车的低温环境适应性验证。其中，整车低温环境适应性验证分为台架试验验证和实车道路试验验证。本文所讲述的整车低温环境适应性研究主要是指实车道路试验验证，各主大机厂通常会选择在黑河、呼伦贝尔等高寒试验场地进行上述研究。

本文所述的纯电动汽车低温环境适应性研究主要包含：低温冷启动、除霜、采暖、直流/交流充电、动力性、经济性、可靠性、能量回收、以及制动操稳性，所述的高寒环境温度通常在-20℃以下。

2.1 低温冷启动

低温冷启动，主要研究纯电动汽车在高寒环境中冰冻24h以上后，车辆是否能全部一次性启动成功，是否能够保持正常行驶、行驶过程中三电系统可正常运转、不出现抛锚、各项指标均正常。其中，电池一般低温报警、限功率行驶视为整车保护策略，予以接受。

2.2 低温除霜

由于冬季环境温度较低时，车辆前挡风玻璃、主副驾侧车窗玻璃容易起霜，这将直接影响驾驶员的视线，从而造成一定的安全隐患。因此，作为纯电动汽车的标准配置，低温除霜能力的验证必不可少。

低温除霜验证主要通过在高寒环境下，使用装有一定水量的喷壶均匀喷淋在前挡风玻璃及主副驾侧车窗玻璃，模拟车辆起霜状态，然后开启空调系统除霜模式，观察5min、10min、20min、25min等不同时间段的除霜能力。除霜能力通过在车窗内表面描绘除霜面积踪迹或拍摄照片记录。以30min达到80%除霜面积为佳。图1为某车型纯电动汽车的除霜试验结果，由图可知，开启除霜30min后，前挡风玻璃、左/右后视镜除霜面积均超过80%，达到除霜目标要求，且视野良好，满足整车正常驾驶需求。

2.3 低温采暖

采暖是冬季高寒地区日常出行必不可少的一项功能，与传统汽车采用发动机暖风水箱采暖的方式不同，纯电动汽车多是采用电加热管加热的方式采暖。电加热管的加热性能和能耗，是影响纯电动汽车采暖和续航的关键因素。因此，测试纯电动汽车低温采暖、保温能力，监控整车低温采暖能耗，对于推广纯电动汽车应用，推进节能减排有重要意义。

低温采暖主要验证空调系统在低温环境下的工作可靠性，静态与行车采暖时车辆的快速升温和保温能力，以及低温采暖对车辆续航的影响。在进行低温采暖试验时，首先要对车辆主要位置（如：头部、脚部、外温、各出风口）进行温度传感器布点，然后选择高寒天气，分别在静态、行车时开启PTC，研究车辆主要位置的温度变化情况、整车采暖能耗、采暖舒适性、以及开/闭PTC时的续航差异。

需要注意的是，采暖试验中，整车的采暖效果受多个条件影响，自动空调与非自动空调的影响因素也不同。对于自动空调，只需要开启空调AUTO模式，测试升温、保温、能耗及主观舒适性即可;对于非自动空调，则需要考虑车辆静态/动态、内/外循环方式、PTC档位、鼓风机档位、吹风方式等，测试不同条件下整车的采暖效果。下表为某纯电动汽车的高寒环境下采暖试验数据，试验条件为：汽车静置状态、开启内循环模式、温度/鼓风机调至最大档、吹面、吹脚模式。试验过程中记录空调开启30min内数据。

由表1可知，开启空调5min后，吹面出风口、副驾出风口、主驾脚部出风口温度可达40℃以上，制热效果显著。10min后，前后排头部、脚部温度达25℃左右，处于人体感觉舒适温度范围，满足低温条件下的快速升温需求。15-30min期间，头部脚部可温度继续升高，此时用户可通过空调系统设置，自主、灵活地调节采暖效果 。

2.4 低温充电

低温充电试验主要验证车辆在高寒环境时，车辆充电功能与性能是否可靠。由于动力电池低温充电能力明显逊与低温放电能力，甚至当温度低于一定条件时，禁止给电池充电。因此厂家在设计车辆低温充电功能时，通常采用预加热的方式，也就是当环境温度低于厂家所设定的可充电温度，车辆进行充电时会率先对动力电池进行预加热，当动力电池温度提升至可充电温度后再启动充电，以保证车辆充电效率、充电速度、充电稳定性和安全性。

纯电动汽车充电分为交流慢充和直流快充两种充电方式。交流慢充主要通过车载充电机、随车充电线、充电桩进行充电，由于车载充电机功率较小，导致充电时间较长;直流快充主要通过快充桩进行充电，快充桩功率较大，可快速为车辆补电。低温充电主要考察纯电动汽车低温环境下可充电性、充电过程无故障、充电时间符合要求。

图2为所研究的某车型在-22℃环境下快充、慢充试验结果。该车型快/慢充电分为三种模式：加热模式（Tmin<-20℃）、充电加热模式（-20℃≤Tmin<15℃）、充电模式（Tmin≥15℃）。Tmin指动力电池最低单体温度。其中，-22℃快充结果图中a、b、c分别代表加热模式、充电加热模式、充电模式，3h可充电至满电。-22℃慢充结果图中a和c代表充电加热模式，b和d代表充电模式。由于慢充起始Tmin为-19℃，因此直接进入充电加热模式，10h慢充至满电。

2.5 低温动力性

纯电动汽车动力性主要受动力输出源和动力输出形式限制，即受动力电池、驱动电机、变速箱限制。低温环境下，驱动电机与变速箱几乎不受影响，动力电池成为影响整车动力性的关键因素。

动力电池的低温放电性能和BMS控制策略是直接影響整车动力性的决定因素。在高寒环境下，电池的低温放电性能大幅下降，BMS控制的电池允许最大放电电流也大幅减小，电池功率输出减小，电驱系统功率供给受限，导致整车的动力性严重削弱。更有甚者，在极寒环境下，禁止动力电池输出，从而导致整车完全失去动力。因此，纯电动汽车低温动力性研究势在必行。

纯电动汽车低温动力性测试内容包含车辆最高车速、加速性能、最大爬坡度以及坡道起步能力。在具体试验过程中，还要测试在不同电池温度、不同SOC、不同驾驶模式下的低温动力性。建立健全低温动力性数据库，可为纯电动汽车低温性能指标的建立提供数据支持。

表2为某车型在-23℃环境下、50%-60%SOC时所测车辆最高车速、加速性能数据。由表可知，在低温条件下，受电池温度和SOC影响，电池放电能量下降，从而影响加速性能。同时，由于低温环境下对空调采暖的需求，在开启空调时，整车加速功率分配减小，整车动力性进一步削弱。

2.6 低温经济性

纯电动汽车低温经济性指标通常指车辆低温环境时能量消耗率。该试验主要包含充电试验、续驶里程试验两部分。在进行低温能量消耗率试验时，首先将车辆在室内以慢充或快充方式充满电，试验过程中记录充电过程中来自电网的能量E;然后将车辆置于高寒环境24h后，选择城市道路或城郊道路进行续驶里程试验，直至车辆切断动力电池，记录本次试验的续驶里程D。可根据车辆在常温下续驶里程，计算车辆低温续驶里程衰减情况。

能量消耗率C计算公式如下：

C=

低温续驶里程衰减率计算公式如下：

ω=1-

其中，E为充电期间来自电网的能量，单位kwh，D为低温续驶里程，单位km。D0为车辆公告续驶里程，单位km。

2.7 低温可靠性

低温可靠性主要通过车辆在高寒环境中进行10000公里加速耐久道路试验，以验证车辆的可靠性。10000km可靠性路试包含试验场内3500km和场外6500km试验。其中场内试验路线包含强化坏路，ABS路面、坏路面等，场外试验路线则由试验场周边周边一般公路、市区道路以及高速道路组成。

2.8 低温能量回收

通常将新能源汽车能量回收机制分为启停系统、液压储能、飞轮储能和制动能量回收4种，其中，在纯电动汽车中较为常见的为制动能量回收。它主要通过回收车辆在惯性或制动中释放出的多余能量，然后通过发电机将回收的能量转化为电能，再存储至动力蓄电池中。然而，由于低温环境下路面易结冰，路面摩擦力明显降低，若制动能量回收不合理，将导致车辆无法达到制动效果而失去平衡。低温能量回收主要验证车辆在能量回收过程中，能既满足高效地回收能量用于电能储备，又要不能因为回收强度较高，导致车辆失控。

该试验首先将整车置于高寒环境下24h，然后分别在城市工况和城郊工况下进行道路试验，记录试验过程中电流、电压、温度、SOC、行驶里程等数据，通过数据分析计算出车辆能量回收效率;记录车辆行使过程中制动时的主观感受，如：是否拖拽感太强、是否出现车辆失控、制动时驾驶员是否有明显的不适感。同时，验证低温环境不同SOC下紧急制动时回充电流是否符合设计要求，一般SOC大于95%时不允许能量回收。

2.9 制动、操稳

除了上述试验项目外，还需关注车辆在冰雪复杂路面上的行驶性能。可通过定圆操控、雪地绕桩、冰雪路面制动、冰雪路面过渡水泥路面的对接测试、以及车轮一侧在冰面一侧在水泥路面的对开测试等，以验证车辆的制动、操稳性能。

3 结论

本文主要介绍了纯电动汽车在高寒环境下的9项适应性研究，包含车辆冷启动、除霜、采暖、直流/交流充电、动力性、经济性、可靠性、能量回收、以及制动操稳性。通过上述研究，可为纯电动汽车在高寒地区的推广应用提供可靠依据。

*奇瑞全铝车身A0级纯电动SUV研发及产业化（编号：16030901035）资助。

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