海南纯电动汽车轻量化增容增程效果的对比分析

白有俊，刘世豪，郑 艳

（1.海南经贸职业技术学院工程技术学院，海南海口571127；2.海南大学机电工程学院，海南海口570228）

2019年3月5日，海南省政府发布的《海南省清洁能源汽车发展规划》中提出，2030年起将在海南省全面禁止销售燃油汽车［1］，计划推广电动汽车100万辆，实现全域汽车清洁能源化。海南省已经逐步减少燃油车增量指标，同时采用政策等方面积极促进电动汽车购买和使用。目前海南省的纯电动汽车占有量稳步提高，纯电动汽车轻量化可以增加汽车的续驶里程，减少动力电池的更换次数，并能够减少电池使用成本［2］。本文选用在海南的两种电动汽车作为分析对象，进行各自轻量化效果分析，以求为电动汽车购买者和研发者提供参考。

1 车辆参数

选取两款在海南占有量比较多的车型，一款某型号微型四座电动汽车（以下简称车1）和一款某型号中型SUV五座电动汽车（以下简称车2）作为研究对象，进行对比分析结果。两款车辆都为最低配版本，具体参数如表1和表2所示。

表1 某微型四座电动汽车计算参数Tab.1 Calculation parameters of a mini four seat electr ic vehicle

表2 某中型SUV五座电动汽车计算参数Tab.2 Calculation parameters of a medium SUV five seat electric vehicle

2 两款车耗电量对比

电动汽车的能量消耗率是影响使用的一个重要因素，根据国家标准GB∕T 18386—2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》中能量消耗率的公式为［3］

式中：C为能量消耗率，W·h·km-1；Enet为充电期间来自电网的能量，W·h；L为续航里程，km。

假设充电来自电网的能量全部转换为电池的电量，使用的总耗电量为

式中：Wt为电动汽车使用过程中的总耗电量，k W·h；Lt为汽车行驶过程中使用的时间，km。

根据车辆参数可以计算出车1和车2的消耗率分别为116.28和147.7。文献［4］对三元锂电池的充放电效率进行了对比研究，文中三元里锂电池的充放电效率为99.39%~102.20%，充放电受恒流、恒压、快速充电等影响，按充放电效率100%进行计算，以两车使用20×104km，分别可计算得出总耗电量为23 255.81 k W·h和29 540.3 k W·h，两者相差6 285.3 k W·h。根据目前海南省小区充电桩电价0.85元·k W-1·h-1和服务费0.45元·k W-1·h-1，计算出两车行驶20×104km的电费车2比车1多花费7 542.36元。

3 两款车轻量化增容对比分析

根据能量守恒定律，电动汽车蓄电池经过车身上各系统（不包含空调等其他附件用电系统）能量消耗后输出的总能量等于电动车驱动力所做的功。采用等速法计算，即

式中：Eout为电动汽车动力电池输出能量，W；η为电动汽车动力电池能量传递到车轮行驶的效率；F为电动汽车在实验道路上行驶时的驱动力，N；L为电动汽车的行驶里程，km［5］。

由于目前两款电动汽车的传递效率基本接近，因此，本实验车辆的能量效率选取为81%。其中，

式中：E为蓄电池组的总能量，k W·h；ξ为放电深度，两实验车辆采用的都是三元锂电池，因此，选取放电深度为90%。

本实验条件采取等速法，因此，取用驱动力与行驶阻力相等计算［5-8］。

式中：Ff为电动汽车的道路滚动阻力，N；Fw为该汽车实验时的迎风阻力，N；m为该汽车的整备质量，kg；g为重力加速度（9.81 m/s2）；f为该汽车在道路上行驶时的滚动阻力系数；Cd为该汽车实验时的空气阻力系数；A为该汽车的迎风面积，m2；ρ为空气密度，ρ=1.225 N·s2·m-4；V为实验时的行驶速度，m/s。

整理可得

选用等速法计算，速度选用60 km/h，通过轻量化后续航里程进行对比。图1为车1的整备质量轻量化和续航里程关系图。

图1 车1整备质量轻量化与续航里程Fig.1 Lightweight and range of vehicle 1

图2为车2的整备质量轻量化和续航里程关系图。

图2 车2整备质量轻量化与续航里程Fig.2 Lightweight and r ange of vehicle 2

由图1和图2可见：车1整备质量轻量化100 kg后续航里程增加12.78 km；车2整备质量轻量化100 kg后续航里程增加11.16 km。电动汽车轻量化后可以增加续航里程，但是只能增加一定的里程。

4 两款车增加容量对比分析

2019年9月海南省工信厅提出新能源汽车车电分离模式，如果海南省在加油站布局换电动汽车换电池业务，可以解决电动汽车续航里程不足问题。海南具有天然的环境优势，海南省环岛高速总长1 160 km［9］，其中，西线从海口到三亚的两个高速公路服务区距离为297 km，东线和中线公路的距离更近，因此，考虑满足在两个最长服务区更换电池即可满足在全岛使用。图3为海南省高速公路图。

图3 海南岛高速公路图Fig.3 Hainan Island Expressway map

电动汽车的实际续航里程受到使用空调等的影响，冬天开暖气续航里程会更低。由于海南常年温度在8℃以上，年平均温度在22.5~25.6℃，因此，海南电动汽车只按使用空调计算。开空调的实际续航里程约为工信部续航里程的80%［10］。在海南使用的电动汽车满足续航里程为371.25 km以上的，可以满足单次最长距离的更换电池使用。车辆保持原来的整备质量，汽车轻量化的质量由电池增加容量的质量顶替，从而达到增加续航里程的效果，用于满足在海南岛换电池使用。表3为两车不改变整备质量而增加电池容量后的参数。

由表3可以看出，车1和车2为达到371.25 km的续航里程，电池质量分别增加32.25 kg和23.45 kg，汽车在车身等方面轻量化30 kg左右，可满足海南高效使用。

表3 车辆增容后参数对比Tab.3 Parameter comparison after vehicle capacity increase

不同汽车的迎风面积大小对续航里程的影响忽略不计，取迎风面积2.8 m2，道路滚动阻力系数为0.011 02，其他各系数相同时，满足续航里程在371.25 km以上，计算出汽车整备质量和电池容量的关系，为设计者提供参考。图4为整备质量和电池容量的关系图。

图4 整备质量和电池容量的参考图Fig.4 Reference diagram of servicing mass and batter y capacity

5 结语

通过在海南省使用的两款电动汽车车型对比发现，使用20×104km消耗的电量相差6 285.3 k W·h，相差电费7 542.36元，车辆购买价格相差5万元。两款电动汽车整备质量轻量化100 kg后，分别增加续航里程12.78 km和11.16 km，增程具有一定的效果。海南省如果开展电动汽车更换电池模式，续航里程可达到371.25 km以上，在全省使用时，基本与燃油车到加油相同。如果改变整备质量，车身轻量化，增加电池容量，两车分别增加32.25 kg和23.45 kg的电池即可满足使用。研发者为海南岛设计电动汽车在55 k W·h以上便可满足海南岛基本使用。