电动汽车续驶里程影响因素分析

2024-04-05刘建辉王仲太吉文博刘治敏张力伟

小型内燃机与车辆技术 2024年1期

刘建辉王仲太吉文博王磊刘治敏张力伟

（1-中检西部检测有限公司陕西西安 710032 2-国家摩托车质量检验检测中心）

引言

因操作便捷、噪声低、节能环保等诸多优势，电动汽车已成为人们出行的首选交通工具之一。续驶里程不仅是评价电动汽车技术水平高低的重要指标，也是消费者重点关注的产品性能。因此，深入研究电动汽车续驶里程影响因素显得尤为重要。本文首先对影响续驶里程的能量流向进行分析，然后从能量流向入手，对电动汽车续驶里程的影响因素展开分析，展望未来电动汽车续驶里程增加的方向。

1 影响续驶里程的能量分析

1.1 能量计算

电动汽车在行驶过程中，驱动系统所消耗的能量来自动力电池输出的能量。国内外对电动汽车续驶里程的能量计算提出了多种方法，但基本遵循动力电池输出的能量与车辆行驶过程所消耗的能量相等的原则[1]。电动汽车在行驶过程中的功率方程为公式（1），能量转化方程为公式（2）。

式中：Pe为电动汽车行驶的功率需求；ηm为车辆传动效率；M 为整车总质量；g 为重力加速度；f 为滚动阻力系数；ua为车辆行驶速度；θ 为坡度角；C 为空气阻力系数；A 为车辆的迎风面积；δ 为旋转质量换算系数；du/dt 为车辆行驶加速度。

式中：UB为动力电池工作电压；I 为动力电池工作电流；η 为电气系统效率。

1.2 能量流向分析

电动汽车在行驶过程中，动力电池向电动汽车驱动系统输出能量。当减速或制动时，通过制动能量回收将一部分动能转化为电能，可增加动力电池的储能。电动汽车的能量流向如图1 所示，所消耗动力电池的能量主要流向车轮行驶过程中克服阻力做功，其余的能量流向电池放电损失、电机和控制器系统损耗、传动系统损耗等，而车身附件所消耗的能量基本可以忽略不计[2]。

图1 电动汽车能量流向示意图

2 影响因素分析

电动汽车在行驶过程中，续驶里程的长短受到整车结构、关键部件、工作环境、驾驶习惯等诸多方面影响。

2.1 整车参数对续驶里程的影响

对于电动汽车而言，整车参数与续驶里程有直接关系。其中主要与滚动阻力系数f、空气阻力系数C、整车总质量M、迎风面积A、传动系效率ηm等有关[3]。李国良等[4]在以交流电机作为驱动力的电动汽车上研究了整车参数对续驶里程的影响。图2、图3、图4 分别为滚动阻力系数f、空气阻力系数C 和整车总质量M 对电动汽车续驶里程的影响。

图2 滚动阻力系数f 对续驶里程S 的影响

图3 空气阻力系数C 对续驶里程S 的影响

图4 整车总质量M 对续驶里程S 的影响

由图2 可以看出，滚动阻力系数对电动汽车的续驶里程有着重要影响。结合公式（1）可知，滚动阻力系数增大，滚动阻力随之增大，功率消耗增大，续驶里程减少。

由图3 可以看出，在低速行驶时，空气阻力对电动汽车续驶里程的影响不明显。在中高速行驶时，车速越高，与车身外观有关的空气动力学特性表现越明显，续驶里程随着空气阻力系数的增大而减少。

结合公式（1），由图4 可以看出，随着整车总质量的增加，行驶阻力增大，克服阻力的功率增加，续驶里程相应减少。

电动汽车的传动系效率影响电机输出能量的传递。结合公式（1）可知，传动效率与能量损耗大小成反比关系，随着传动效率提高，电动汽车在能量传递过程中的损耗降低，续驶里程增加。

2.2 动力电池对续驶里程的影响

动力电池是驱动车辆行驶的能量来源，可重复实现电化学能量的相互转换，是制约电动汽车续驶里程的关键因素。动力电池性能的好坏主要体现在充放电容量的大小。放电容量越大，续驶里程越长。动力电池容量受到电池材料和结构、电池组均匀性、工作环境温度等因素的影响。

2.2.1 动力电池性能对续驶里程的影响

不同材料的动力电池具有不同的性能，主要体现在额定容量、比能量、内阻等方面的差异。因此，动力电池性能对续驶里程有着至关重要的影响。对于电动汽车而言，由于受到车辆自身空间限制，动力电池的比能量、功率密度需尽可能高，以便车辆拥有更好的动力性和更长的续驶里程。铅酸电池、金属氢化物镍电池、锂离子电池、超级电容等[5]均可作为车载动力电池。铅酸电池具有成本低廉、性能稳定、技术成熟等特点。铅酸电池的比能量一般为50～70（W·h）/kg，能量密度一般为100（W·h）/L。由于存在自身质量较大、正极的活性物质利用率低、大电流充放电效率不高、技术进步缓慢等问题，铅酸电池严重制约着电动汽车续驶里程的提高。

锂离子电池综合性能远优于铅酸电池。目前主要是磷酸铁锂电池和三元锂电池两类。锂离子单体电池的工作电压较高，比能量、能量密度接近铅酸电池的2 倍，且自放电率不足9%。目前，电动汽车已进入“锂电化”时代。

2.2.2 电池组均匀性对续驶里程的影响

车载动力电池通常是由多块单体电池组成的电池组，由于受到工艺、材料、生产批次等因素的影响，电池组中同规格的电池性能常存在不均匀性。这种不均匀性不仅造成电池组内局部电流密度不均匀，而且会影响单体电池电压、容量等性能[6-7]。

在电动汽车行驶过程中，电池组不均匀性主要表现在电池组中个别单体电池出现过充电或者过放电，以致单体电池的原有性能下降，电池的输出能量减少，续驶里程随之缩短。图5 为电动汽车行驶过程车载电池组中2 个单体铅酸电池的电压随时间的变化。

图5 电池组中2 个单体电池放电电压变化情况

在行驶的初始阶段，2 个单体电池的电压呈现较平稳的下降，且两者压降差异较小；随着行驶时间和放电时间的增加，2 个单体电池的电压逐渐出现较大差异，压降差明显，严重影响续驶里程[8]。

2.2.3 工作环境温度对续驶里程的影响

动力电池的工作环境温度是影响电动汽车续驶里程的又一重要因素，虽然工作环境温度不能改变动力电池的固有容量，但可改变动力电池的最大可用容量[9]。温度直接影响动力电池材料的活性和放电性能，具体表现为影响放电容量[10]。高温时，电池的电解质浓度降低，粘性降低，离子扩散速度随之加快，活性物质能得到深度反应，电池的放电容量随之增大，输出能量增多，电动汽车的续驶里程增加；低温时，离子的扩散受电解液的高粘性影响而降低，活性物质的利用率下降，动力电池提前达到截止条件，放电容量减少，输出能量减少，电动汽车的续驶里程随之减少。

陈德兵等[11]开展不同工作环境温度对应锂离子电池放电容量的研究，结果如图6 所示。

图6 不同工作环境温度所对应的放电容量曲线

从图6 可知，随着工作环境温度的降低，锂离子电池的放电容量有所减少，尤其是当温度为-20 ℃时，电池的放电容量减少较快。主要因为随着温度的降低，电解液的离子电导率随之降低，电极材料活性降低，导致低温下欧姆极化、浓差极化和电化学极化均增大，最大可用容量减少。

依据GB/T 19638.1-2014《固定型阀控式铅酸蓄电池第1 部分：技术条件》[12]，铅酸电池放电时，如果工作环境不是25 ℃，则按照下面的公式换算成25 ℃基准温度时的实际容量。

式中：Ct为铅酸电池在t ℃时的实际容量；Ca为基准温度为25℃时容量；λ 为温度系数，一般取0.008；t一般为工作环境温度。

结合公式（3）可知，随着铅酸电池工作环境温度的升高，其容量在部分范围内呈增大趋势。其中，温度每升高1 ℃，容量增加约0.8%[13]。

2.3 电机及其控制系统对续驶里程的影响

电动汽车的电气系统效率对续驶里程有着直接影响，主要与电机及电机控制系统效率有关[14]。结合公式（2）可知，额定工况下电机及电机控制系统效率越高，能量的转换及传递效率就越高，续驶里程就越长。因此，电动汽车在实际行驶过程中，其电机不仅要具有较高的额定效率，而且要有较宽的高效率区域，以实现多工况下能量的有效利用。

2.4 制动能量回收对续驶里程的影响

制动能量回收是指在电动汽车减速或制动时实现制动能量回收，是提高电动汽车能量利用率的重要措施，一般可降低约15%的能量消耗，增加10%以上的续驶里程[15]。尤其当电动汽车在城市中行驶时，受交通状况影响而频繁起动和制动，采用制动能量回收方式可助力增加续驶里程。

2.5 行驶工况对续驶里程的影响

行驶工况不同，所需要的驱动能量不同，电动汽车的续驶里程有所差异。等速行驶过程中，车速保持不变，电动汽车的续驶里程主要受到滚动阻力、空气阻力、整车总质量等因素影响。而在多工况行驶中，道路条件、交通状况会影响电动汽车的能耗。道路情况复杂、路况较差，以及交通拥堵等都会使驾驶员频繁进行急加速、急减速，以致电动汽车大倍率放电，增加了能耗，缩短了续驶里程。

2.6 驾驶行为对续驶里程的影响

驾驶行为不同，车辆呈现不同的行驶状态，即使在相同线路下车辆的能耗也会表现出差异性[16]，影响续驶里程。Chaudhari A.R.等[17]研究发现，即使平均车速一样，驾驶员操作的差异也会导致调速变化频率不同，从而影响最终能耗。如果驾驶行为偏向急加速、急减速，尤其在急加速阶段，调速单元短时间处在最大，造成放电电流突然升高，电池的放电倍率随之大幅度变化，极化内阻增大，电池的放电效率降低，放出的容量相对减少[18]，续驶里程随之缩短。如果驾驶行为规范，加速和制动过程中的幅度适中，续驶里程随之相对增加[2]。