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比亚迪 | 电动汽车低温续航里程研究
2020-08-03 22:53:46· 来源：电动学堂
作者单位：比亚迪汽车工业有限公司前言本文分析环境温度对电动汽车电池容量、行驶阻力、附加能耗的影响，并在此基础上建立电动汽车低温续航里程的计算模型，对电
作者单位：比亚迪汽车工业有限公司
前言
本文分析环境温度对电动汽车电池容量、行驶阻力、附加能耗的影响，并在此基础上建立电动汽车低温续航里程的计算模型，对电动汽车的低温续航里程进行评估。
1电动汽车低温续航里程的影响因素
电动汽车低温车续航里程取决于电池电量和车辆能耗两方面因素。其中，电池电量主要受电池充放电特性、电池标称电量影响，而车辆能耗主要受行驶阻力变化、附件能耗变化影响。
本文分别对电池充放电特性、附件能耗和行驶阻力变化等方面进行分析，进而确定电动汽车冬季续航里程衰减的原因。
1.1动力电池的低温充放电特性
在低温环境下，动力电池的充放电性能都有显著衰减：由于在低温环境中，电池内部的化学反应产生的电流的速度比室温条件下慢很多，当环境温度较低时，这种化学反应变得极为缓慢，电池就没电了。
为了研究动力电池在不同温度下的充放电特性，按照QC/T743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》的规定，对某一锂离子电池分别在室温、0℃、-10℃和-20℃四种环境条件下进行充放电容量测试，充放电电流均为1/3C倍率。
随着环境温度的下降，电池的恒流充电容量逐渐降低，尤其当温度低于-20℃时，电池的恒流充电容量下降较快，主要原因是随着温度降低，电池的整体内阻增大造成欧姆极化增大，电化学极化增大和浓差极化提前，使充电电压很快达到充电上限电压，充电方式很快由恒流充电转化为恒压充电。
随着温度的降低，锂离子电池的放电容量和放电平台电压都有所下降，尤其当温度低于-20℃时，电池的放电容量下降较快。这是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。在电池的放电曲线上表现为放电容量随着温度降低而降低。
1.2附件能耗
电动汽车附件能耗是指电动汽车在行驶过程中，除去动力能耗（即电动机能耗）外的其他辅助设备能耗，主要包括:车舱空调能耗、电池保温系统能耗、车灯能耗、移动设备充电能耗等。其中，车舱空调能耗为汽车中能耗最大的辅助设备，受使用环境的影响比较大。
汽车空调的负荷主要由以下部分构成：新风负荷、太阳辐射热负荷、车体围护结构导热负荷、发动机舱传热及由人体散热、车内电子器件散热等构成的其他负荷。
1.2.1车体围护结构导热部分
在汽车空调运行时，车内外会维持一定的温差。由此，热量会在车内外通过围护结构传递，从而给空调造成一部分的负荷。汽车围护结构通常由多层构成，每层性质各不相同，且几何结构非常复杂，使得计算车体导热结构的难度非常大。然而，对于热负荷计算而言，关注更多的是维持车内外一定温差时所需的热量，因此可测定整个车体围护结构的综合传热系数，以便计算维持一定温差时所需的热量。根据传热学已知：
式中：Q cond为车体围护结构漏热量；A为车体外表面积；△T为车内外温差；k为车体对流换热系数。
当车内环境固定时，车体对流换热系数的大小将随车速v变化，即：
对于确定的车型，其表面积已经固定。因此，式（2）可化为：
式中：K cond为车体综合传热系数。
1.2.2新风负荷部分
新风负荷是构成车辆冷热负荷的主要部分之一。在车辆行驶时，在车辆和外部气流相对速度的作用下，车体内外会出现压差。由于车体缝隙和限压阀的存在，在压差的作用下会导致车内的空气泄漏至车外，带走一部分的热量，造成一部分负荷。此外，为出于驾驶安全考虑，车内的二氧化碳及有害气体浓度不可高于一定值，这就要求汽车空调在运行时必须保证一定的新风量。由传热学知识：
式中：Q air为新风负荷；m为车体新风质量；△H为车体内外侧空气焓差。车体的新风量将随车内外压差变化而变化，即：
式中：△p为车内外的压差对于冬季行驶的纯电动汽车，为了简化空调模型，本文将主要考虑车体导热符合和新风负荷。
1.3行驶阻力变化
车辆行驶过程中，需要克服行驶阻力做功，行驶阻力越大，车辆能耗越高。在动力电池电量一定时，车辆续航与行驶阻力成反比。在水平路面上行驶时，车辆行驶阻力主要包括空气阻力、滚动阻力、传动系阻力、制动系统拖滞力。
1.3.1空气阻力
依据空气动力学原理，在汽车行驶速度范围内，空气阻力的数值通常都与气流相对速度的平方成正比例，可以写为：
式中，A为汽车迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积；CD为空气阻力系数，与汽车形体的外形相关；ρ为空气密度；vr为车辆与空气的相对速度。
空气密度与环境温度密切相关，在-20℃的条件下，其空气密度相较于23℃时增加了约16%。由式（6）可知在-20℃时，空气阻力将增大16%。
1.3.2滚动阻力
由GB/T29040-2012《汽车轮胎滚动阻力试验方法单点试验和测量结果的相关性》可知随温度变化，轮胎滚动阻力变化满足：
式中：FR为处于25℃的滚动阻力，FRt为环境温度为t时的滚动阻力；t为环境温度；Kt为系数，对于轿车轮胎，Kt取0.008。
令滚阻温度修正系数：
则有：
将Kt取值代入式（8），可得滚阻温度修正系数与环境温度的关系曲线，如图1所示。
由图1可知，随着环境温度降低，滚阻温度修正系数逐步增大，即滚动阻力随着环境温度的降低而逐步增大；在-20℃的环境温度下，车辆的滚动阻力将增大为25℃下滚动阻力的1.56倍。
1.3.3传动系阻力
变速箱的机油温度与周围环境的温度成线性关系：当外部温度降低10℃时，变速箱中机油温度降低8～10℃。而机油温度的变化会对润滑条件产生影响，进而对传动系阻力产生影响。为了明确环境温度对变速箱阻力的影响，对某电动车型的变速箱的拖滞阻力进行台架测试，测试结果如图2所示。
图2中3条曲线分别为在60、80、90℃条件下测得的变速箱阻力随变速箱转速变化曲线：随着变速箱温度的降低，变速箱的拖滞阻力逐步增大，而且该增大值在变速箱不同转速下近似为一定值；在60℃～100℃温度范围内，变速箱温度每降低20℃时，该变速箱拖滞阻力增大1～2Nm。
2低温续航里程模型构建
对于纯电动汽车，车辆行驶时需克服行驶阻力做功，并提供附件需要的功率，即动力电池的输出功率必须满足汽车行驶过程中的需求功率。因此，为了评估电动汽车在给定条件下的低温续航里程，需要对动力电池的充放电特性、空调能耗、低温行驶阻力及续航里程计算进行建模。
2.1电池模型构建
由1.1部分可知，动力电池的充放电特性容易受到环境温度的影响，在不同温度条件下其充放电容量和充放电平台电压都有明显变化，在忽略单体电池之间一致性的前提下，认为单体电池经过各种组合方式组合成动力电池包之后，其充放电特性基本不发生变化，因此，可以得到动力电池的充放电等效模型：
式中，Dt为不同温度下的电池可用电量；γv+为放电平台电压变化系数；γv-为充电平台电压变化系数；γc+为放电容量变化系数；γc-为充电容量变化系数。
2.2空调模型构建
由1.2部分分析可知附件能耗主要由空调能耗构成，而空调能耗主要受车体围护结构导热负荷和新风负荷决定，即：
2.2.1车体围护结构导热负荷
由式（3）可知，对于确定的车型，若在试验中给定车体内部的热源发热量，并测定车内外的平均温差，即可计算出车体综合传热系数Ｋ，由此可反推不同工况下维持车内外固定温差所需要的热量Q。
为了确定车体综合传热系数K，上海交通大学制冷与低温工程研究所根据上述思路进行了试验：将所有车窗、车门关闭并将空调模式调整至内循环；电加热置于前后排座位上，开启空调鼓风机，并将HVAC模式调整为吹面模式，使得车内温度的不均匀度尽可能降低；待各温度测点的测量值稳定后，记录电加热功率，并根据式（3）对车体综合传热系数进行计算。车体围护结构导热的测试工况如表1所示。
车体围护结构导热试验结果如表2所示。由表2中的试验结果可以发现：随着车速的上升，车体综合传热系数成上升趋势。
由于车体综合传热系数变化非常小（车速从30km/h变化到90km/h时仅增加9%），该车的车体综合传热系数可以取两个车速下的平均值。因此，试验车辆的车体围护结构导热负荷可以表达为：
2.2.2新风负荷
由式（4）可知，测定不同车内外风速及空调工作状态下的车内外压差，再使用风量测量装置测定不同压差下的风量，即可测得不同工况下车体的新风量。
按照该思路，上海交通大学制冷与低温工程研究所进行了试验，试验结果如图3和图4所示。
上海交通大学制冷与低温工程研究所试验结果表明：车内外压差与车速成近似线性的关系。对试验结果拟合，有：鼓风机最小档时：
鼓风机最大档时：
车内外新风量和压差的对应关系式为：
因此，新风负荷可以转化为：
2.3低温行驶阻力模型的构建
影响车辆行驶阻力的随机因素有很多，如不同的试验路段、不同的车况、不同的风速、不同的环境温度等因素。为了保证低温行驶阻力的建模精确性，尽量将试验路段、车况、风速控制在误差较小的试验范围内。
在不同车速条件下，车辆的行驶总阻力随着环境温度线性变化，当周围环境的温度降低10℃时，总行驶阻力大约增大8%～10%。
因此，低温行驶阻力随环境温度变化的模型可以表达为：
式中，t为环境温度；Fz为25℃时车辆行驶阻力；F ZL为环境温度为t℃时车辆行驶阻力；KZ为车辆行驶阻力变化系数。
2.4低温续航里程模型的构建
对于电动汽车，车辆行驶时需要克服行驶阻力做功，并提供附件消耗功率。因此电动汽车低温续航里程S可以表示为：
式中，Dt为电池可用电量；Dcyc为车辆行驶一个工况循环需要的电池电量；Scyc为一个工况循环内车辆行驶的里程。
式中，车速u由车辆行驶工况循环决定；δ为旋转质量系数；μ为电机输出至驱动轮的机械传动装置的总效率。
3总结与建议
本文针对电动汽车冬季续航里程衰减问题，分析了电动汽车低温续航里程衰减的主要因素，进而通过理论推导及实际试验验证数据对电池充放电特性、空调加热能耗及低温行驶阻力三方面影响因素进行分析，并建立电动汽车低温续航里程模型，明确了阻力、电池衰减及空调使用等不同因素对电动汽车低温续航衰减的影响占比。
由上述分析可知在低温环境下空调的使用、电池容量衰减及行驶阻力的增大使电动汽车续航产生衰减。因此本文分别从车辆设计和车辆使用两个方面提出电动汽车在低温条件下续航性能改善的建议，主要有以下措施：
（1）设计电池加热装置：动力电池在低温条件下的充电及放电容量衰减较大，建议为动力电池设计电池加热装置，自动为电池加热并保温，使动力电池在最佳温度状态下工作，减少电池衰减电量。
（2）开发新的续航里程仪表提醒策略：用户在出行前通常会参考电动汽车仪表上显示的车辆可用续航里程，避免出现车辆中途抛锚、不能达到目的地等不便问题。但是大多数电动汽车的仪表续航里程都只是常温工况下的理想续航里程，没有考虑气温及空调使用对电动汽车性能的影响，给用户带来极大的困扰和不便，因此建议开发新的续航里程仪表提醒策略，为用户提供更精准的续航性能参考，改善用户的使用体验。
（3）采用效率更高的热泵系统取暖：当前电动汽车多采用给电阻加压产生焦耳热的方式进行车舱供暖，这种制热方式效率较高，故在低温时极大地增加了车辆的能耗。因此建议公司采用效率更高的热泵系统代替PTC电加热器。
（4）车辆停放位置：在冬季气温较低的天气下，建议用户在车辆不运行时尽量将汽车停放在温暖的室内停车库里面。
（5）使用内循环：电动汽车在低温条件下空调耗电量占比较大，其中很大一部分由新风负荷负荷造成。因此建议用户在低温环境下尽量使用内循环模式取暖，以减小新风负荷。
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