新能源汽车续航里程影响因素分析

王春生 王学超 孙浩

（比亚迪汽车工业有限公司）

随着国家对新能源汽车的大力推进，新能源汽车近年来取得了飞速发展，各企业和研发机构均在新能源汽车技术上重点投入。然而，当前在电池能量密度与电池快充技术未取得突破性进展，及充电基础设施布局尚未完善的情况下，新能源汽车尤其是纯电动汽车的续航里程成为发展的瓶颈。为了更好的提升新能源汽车的续航里程，文章通过仿真计算和台架试验，对影响新能源汽车续航里程的因素进行了分析，定性的给出各因素对汽车续航里程变化的影响，并在电池、电机、整车行驶阻力及控制策略等方面提出了改进措施，达到了提高新能源汽车续航里程的目的。

1 新能源汽车续航里程

1.1 续航里程定义

文章所述新能源汽车包括纯电动汽车和混合动力汽车，纯电动汽车的续航里程是指汽车在动力蓄电池完全充电的状态下，以一定的行驶工况，连续行驶的最大距离；混合动力汽车续航里程是指在电池完全充电、油箱加满油的状态下，一定工况下能够连续行驶的最大距离，所以油箱容积和整车控制策略对混合动力汽车续航里程有一定影响。

新能源汽车开发时，一般根据车型定位、市场销售及同级别车型的情况确定汽车的续航里程，从而进一步确定汽车电池或油箱容积。文献[1]规定了不同里程对应的利用系数的计算方法，利用系数是根据美国居民日均出行里程的统计得来的，从其利用系数曲线来看，美国居民日均出行里程小于100 km的人约占75%[1]，而对中国来说，由于人口密度相对更高，这一比例预估可到90%～95%。

1.2 理论计算

根据理论计算，新能源汽车在纯电动模式，以速度u行驶时，计算电机输出的功率，如式（1）所示。

式中：P——电机输出功率，W；

m——整备质量，kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

CD——空气阻力系数；

A——迎风面积，m2；

r——滚动半径，m；

u——车速，m/s；

ηT——传动系效率；

i——传动系速比；

f——滚动阻力系数。

汽车续航里程的计算，如式（2）所示。

式中：S——续航里程，m；

η——电机效率；

W——电池电量，W·h。

此外，汽车辅助装置的能量消耗和汽车行驶环境都会对电动汽车的续航里程有影响；同时整车控制策略和油箱容积也会对混合动力汽车的续航里程有影响。

2 续航里程影响因素的分析

由电动汽车的设计开发经验可知，对新能源汽车续航里程影响较大的主要是电池和电机等关键零部件、整车设计及控制策略。文章将重点对几项关键影响因素进行定性分析。

2.1 电池

新能源汽车电池的总电量、比能量、放电效率及放电深度等参数会影响汽车续航里程。电池总电量与汽车续航里程成正比，而放电效率和放电深度则影响整车可用电池电量。电池放电效率、放电深度越高，电池可用电量越多，汽车续航里程也越大。

在整车尺寸和整车设计整备质量目标大致确定的情况下，其电池质量目标有限，电池的比能量尤为重要。比能量是单位质量电池所提供的电量，即电池可用电量与质量的比值（W·h/kg），电池的比能量越大，单位质量的电池可利用的能量越多[2]24-43。

目前，新能源汽车所用动力电池基本为锂离子电池或锂聚合物电池；锂离子电池具有高比能量、高比功率、高能量效率及高温工作性能好的特点，其零部件可循环利用，所以适用于新能源汽车；锂聚合物电池的比能量和比功率是所有动力电池中最高的，并且循环使用寿命长。新能源汽车动力电池性能参数对比，如表1所示。

表1 新能源汽车动力电池性能参数对比表

对于新能源汽车特别是纯电动汽车，理论上电池电量越大越好，但是电池电量增加的同时，整车质量也增加，汽车能耗变大，续航里程不一定能同比例增长。另外，受到布置空间的限制，新能源汽车的电池电量基本保持在某一范围内。

2.2 电机效率

由式（2）可知，电池参数确定后，电动汽车续航里程由电机输出功率和电机效率决定；而电机输出功率主要由整车行驶阻力确定，影响新能源汽车续航里程的主要因素是电机效率。电机效率越高，续航里程越大；不同工况下的电机效率对电动汽车的续航里程影响不同。因而，对电动车用驱动电机而言，不仅要求电机在额定状态下具有较高的输出效率，而且要求电机具有很宽的高效率区域，即在较宽的转速区间内均能保证高效率的输出，这样才能在各种行驶工况下充分利用有限的能量，增加续航里程。

通常情况下，交流电机比直流电机的工况效率高，续航里程也比较长；永磁电机是目前应用最广泛、最适合于纯电动汽车和混合动力汽车的交流电机，因为其具有较高的功率密度和优越的性能[2]52-126。

2.3 行驶阻力

汽车行驶阻力主要包括滚动阻力、空气阻力、加速阻力及坡度阻力。实际行驶过程中，滚动阻力和空气阻力是一直存在的，减小滚动阻力和空气阻力对减小整车能耗尤为重要。

滚动阻力除与滚动阻力系数有关外，还与整车质量关系尤为密切。为了更好地说明整车质量对能耗和续航里程的影响，选取某新能源车型，设定其滚动阻力系数为0.01、风阻系数取0.37保持不变，通过综合MATLAB仿真和台架试验验证可以得出，不同整备质量下该新能源车型的纯电动续航里程，如表2所示。统计表明整车质量每减轻100 kg，100 km电耗大约降低0.5～1kW·h，结果表明约有70%的能耗用在车身质量上。

表2 某纯电动汽车不同整备质量对应的续航里程表

对于空气阻力，可通过改进车身流线来降低空气阻力系数和减小迎风面积，进而降低整车空气阻力。而选用低滚阻轮胎，是目前减小汽车滚动阻力的主要方法。

2.4 控制策略

对于纯电动汽车，只有一种控制模式，即电量消耗模式（CD模式），即电池剩余电量不断降低。一般通过选择较为缓和的电机动力曲线和增大回馈力度等策略来实现减少100 km电耗，进而增大续航里程。

而插电式混合动力汽车（PHEV），根据电池电量的不同，其行驶模式可分为CD模式和电量保持模式（CS模式），分别对应不同的控制策略。其CD模式下的整车控制策略又可分为纯电动控制（AE控制）和混合控制[3-4]。AE控制是指行驶过程只用电机驱动，发动机不工作，电池剩余电量持续减少，直至达到控制策略规定的最低水平，其减少能耗的方法与纯电动汽车基本一致。而混合控制是指行驶过程不仅用电机驱动，还可根据负荷大小和电池电量等因素决定何时启动发动机。由于发动机和电机的高效率区域正好互补，一般起步采用电机，发动机进入高效区域后才会启动，加之在松油门或者刹车时可以直接熄火发动机而采用电机辅助，该模式下的能耗一般低于纯燃油汽车。CS行驶模式下的整车控制策略与普通混合动力（HEV）车型控制策略相同，即发动机和电机同时工作，电池剩余电量在很窄的范围内波动，基本保持在一定水平。不同新能源车型的控制策略不同，甚至同一车型的不同控制策略，都会影响到整车续航里程。

2.5 其他影响因素

汽车辅助装置能量消耗包括照明、音响、空调、车载控制系统、空气压缩机及液压泵等，除空调外，辅助装置能量消耗约占总能量消耗的6%～12%，如果开空调，比例还会增加，所以汽车行驶过程中，应尽量减少辅助装置的能量消耗，以避免续航里程过短。

汽车行驶环境包括温度、道路条件及交通状况等；温度变化影响动力电池的可用电量，从而影响续航里程；道路条件及交通状况会影响整车能耗，进而影响续航里程。

汽车油箱大小也会影响混合动力汽车的续航里程，油箱越大，相同能量消耗条件下的续航里程越大；一般是根据汽车最大续航里程来确定油箱容积。

3 结论

文章通过理论计算，对新能源汽车续航里程影响因素进行了定性分析，明确了不同因素对续航里程的影响。在此基础上，通过对比当前行业新能源汽车动力电池使用情况，说明比能量大的电池类型是未来的发展趋势，论述了针对不同类型的新能源汽车匹配开发不同控制策略，并通过台架试验，定量地说明了整车质量对新能源汽车续航里程的影响，验证并量化了较多理论研究的结论，为新能源车的后续设计提供了依据。