环境温度对电动汽车续驶里程影响的试验研究

解 难，胡月昆，杨 帆，李 春

(中国汽车技术研究中心, 天津 300300)

近年来，我国汽车产业迅速发展，汽车产销量逐渐提高。从2009年起，我国汽车产销量超过美国成为世界第一。汽车产业的发展给生活带来了便利，但是占大多数的传统内燃机汽车带来的环境污染问题越来越严重。近年来全国的部分城市深受雾霾的影响，造成雾霾的元凶PM2.5与汽车的颗粒物排放有着很大的联系。为减少汽车对能源的消耗和环境的影响，各国相继推出专项研究计划，大力扶持电动汽车产业。电驱动系统效率较高，电动汽车的行驶经济性与传统燃油车相比有较大优势[1-3]。目前，电动汽车在全球范围内得到快速的发展。全球电动汽车市场表现亮眼，离不开中国市场强劲需求的推动。2017年以来，中国政府加大了环境保护的力度，大力推广新能源汽车，不仅出台了“双积分”政策，也在考虑制定禁售燃油车的时间表。这一系列举措助推中国这个全球最大的电动车市场更快地发展[4]。

电动车产销量持续火爆，消费者也对电动汽车越来越关注，尤其是电动汽车的续驶里程。传统内燃机汽车一次加油可行驶600 km以上，有些燃油效率较高的汽车甚至可以达到1 400 km(如大众Polo BlueMotion)[1]。由于动力电池系统的能量密度较低，电动车的续驶里程很难达到传统燃油车的程度。目前市售电动汽车的续驶里程基本上在150～250 km，部分车型达到300 km以上。但是这些续驶里程是基于试验室数据获得，与用户在使用过程中实际的续驶里程会有较大差异。使用过程中影响电动车续驶里程的因素很多。不同的行驶工况对电动车的续航有较大影响。同时电池可提供的能量与功率需求和环境条件等因素关系较大。Sato等[5]的研究表明，当电池温度高于50 ℃时，放电效率和使用寿命都会有较大的衰减。Pesaran等[6]提出电池的最佳工作温度范围是25～40 ℃，而当电池温度低于0 ℃时，放电过程实现困难。对于电动车而言，由于没有发动机，其附件运行消耗的能量，特别是电动空调系统的能量来自于电池，电动车在怠速工况下，空调系统的功耗占整个电池功耗的77.08%[7]，对续驶里程有较大影响。

本文研究在高低温使用条件下，运行汽车空调时对电动汽车续驶里程的影响，同时考察电动汽车的空调性能。

1 试验方案的制定

1.1 试验设备

试验在带有环境仓、阳光模拟系统和四驱底盘测功机的整车试验室进行，试验设备如表1所示。环境仓试验室如图1所示。

表1 试验设备

图1 环境仓试验室

1.2 试验方法及评价指标选取

试验方法的制定主要依据GB/T 18386—2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程》、美标SC03关于高温空调试验的要求。

电动汽车放电结束之后，在环境温度为(25±5)℃下充电到满电状态，试验前在该温度下放置12 h以上[8]。然后持续运行NEDC循环，直到车辆不能跟随NEDC曲线，记录车辆的续驶里程。期间不使用空调及其他用电设备，得到常温续驶里程。试验完成之后在常温条件下充电，记录电量，作为车辆的能耗指标。

常温条件下充满电的车辆在(35±3)℃的温度条件下进行高温试验，试验过程中太阳辐射强度为(850±45) W/m2。高温试验前，车辆在该高温环境中浸车至少0.5 h，期间光照强度保持为(850±45) W/m2。以车顶最高点平面位置为基准设定，试验中开启空调制冷，运行NEDC循环。空调运行稳定后保持23～25 ℃的轿厢舒适条件。当车辆不能跟随NEDC曲线时，记录车辆的续驶里程为车辆高温续驶里程。同时记录车辆轿厢温度首次到达25 ℃的时间，作为空调性能的体现。

常温条件下充满电的车辆在(-7±3)℃的温度条件下进行低温试验，低温试验前在该温度下浸车12 h以上。试验中开启空调制暖。运行NEDC循环。空调运行稳定后保持20～22 ℃的轿厢舒适条件，直到车辆不能跟随NEDC曲线，记录车辆的续驶里程为车辆低温续驶里程。同时记录车辆轿厢温度首次到达20 ℃的时间，作为空调性能的体现。各评价指标如表2所示。

表2 电动汽车的续驶里程相关评价指标

1.3 试验车辆的选取

试验选取了9辆在市场上最为常见的电动汽车，其中微型车4辆，常规车5辆。依据本文1.2节所示的试验方法进行测试，得出试验结果。

4辆微型车整备质量为775～1 175 kg，最高车速限制在100 km/h以内。5辆常规电动汽车的整备质量为1 580～2 160 kg，最高车速为120～152 km/h。

这9辆电动汽车的动力电池电量与整备质量的关系如图2所示。

图2 动力电池电量与整备质量的关系

从图2中可以看出：微型车的动力电池电量较低，在20 kW·h左右，配合100 km/h的最高车速，一般适用于城市上下班；常规电动车的电池容量为40～50 kW·h，最高车速超过120 km/h，适用于较远距离的驾驶和高速驾驶。

2 试验结果分析

2.1 常温续驶里程分析

不同车辆的常温续驶里程比较结果如图3所示。从图3中可以看出：电动车的续驶里程与电池电量呈现正相关，而电池电量的加大会导致车辆整备质量的增加，影响车辆续驶里程。

2.2 温度对续驶里程的影响分析

在电动车的实际运行条件下，环境温度及与其相关的空调的使用是对续驶里程影响最大的因素。

在高低温条件下空调的运行会造成一定的能耗，另外高低温环境也会造成电池放电性能的降低，使车辆的续驶里程进一步降低。

各电动汽车在高低温条件下的续航里程相对常温条件下的续驶里程下降率如图4所示。

图3 不同车辆的常温续驶里程分析

图4 环境温度对电动车辆续驶里程的影响

从图4可以看出：所有车辆的低温续驶里程下降要远大于高温续驶里程下降，原因在于低温浸车对于电池放电性能的影响较大，且低温状态下，车厢温度与环境温度的温差为27～29 ℃，远大于高温状态下10～12 ℃的温差。

微型车的高温续驶里程下降率为16%～31%；低温续驶里程下降率为31%～53%；常规车的高低温续驶里程下降率在整体上低于微型车，高温续驶里程下降率为8%～19%，低温下降率为20%～45%。这一方面在于随着车辆价值的升高，车辆的空调性能和车辆的密封性能的提升带来了能耗的降低；另一方面，普通电动车的续驶里程一般高于微型车，在计算上也会导致续驶里程下降率的降低。

2.3 能耗的评价

电动汽车能耗与整备质量的关系如图5所示。从图5可以看出：电动车在常温条件下的电耗与其整备质量有很强的相关性，应用统计学方法进行相关性分析，相关性系数为0.83，表明两者高度相关。电动车辆的能耗还取决于车辆的电池性能、整车的匹配以及能量回收策略等因素，但是整备质量是主要的影响因素之一。

图5 电动汽车能耗与整备质量

2.4 空调性能评价

空调性能的评价指标为高低温条件下车厢内降温和升温时间。升温时间为低温条件下舱内平均温度升到20 ℃的时间；降温时间为高温条件下舱内平均温度降到25 ℃的时间。以上参数用以评价空调的响应能力和制冷加热效果。试验结果如图6所示。

图6 空调性能比较(升降温时间)

从数据分析上看，常规车在高温条件下的降温时间要显著低于微型车，显示出较好的空调性能和车辆密封性能；但是在低温条件下的升温时间上没有明显的趋势，因为升温一般为PTC加热，主要体现为车辆控制策略和PTC加热器功率的差异。

3 结论

1) 加大电池容量一定程度上可加大续驶里程，但是受整备质量加大的不利因素，续驶里程并不随电池容量线性增加。在加大电池电量提升车辆续驶里程能力的同时，应特别注重车身和电池的轻量化设计。

2) 低温续驶里程下降率大，用户体验差，电动车辆应特别注意动力电池的热管理和低温放电性能的提升，并提高空调系统的热效率以降低能耗。同时，应当提升车辆的密封性并降低车辆的导热性能，以降低制冷电量的需求。

[1] CHAN C C.The state of the art of electric,hybrid,and fuel cell vehicles[J].Proceedings of the IEEE,2007,95(4):704-718.

[2] 陈燎,程云峰,盘朝奉.具备能量回收功能的电动汽车续驶里程研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2016,30(8):27-30.

[3] 陈全世.当前我国新能源汽车的发展与面临的挑战[J].重庆理工大学学报(自然科学),2015,29(11):1-5.

[4] 冯玉婷.中国市场增长强劲 今年全球电动汽车年销量有望破百万[EB/OL].[2018-01-22].http://www.itdcw.com/news/top/120X64112017.html.

[5] SATO N,YAGI K.Thermal behavior analysis of nickel metal hydride batteries for electric vehicles[J].J SAE Review,2000,21(2):205-211.

[6] AHMAD A P，STEVE B，MATTHEW K.An approach for desighing thermal management systems for eiectric and hybrid vehicie battery packs[C]//The Fourth Vehicie Thermal Management Systems Conference and Exhibition.1999.

[7] 宁秋宇.电动车空调系统的匹配设计[D].长春：吉林大学，2011.

[8] GB/T 18386—2005.电动汽车 能量消耗率和续驶里程 试验方法[S].