纯电动汽车续驶里程偏差问题分析与应对措施探讨

米世生

摘 要：本文针对纯电动汽车在使用过程中的续驶里程偏差问题进行深入的分析，从设计计算、SOC估算偏差、生产制造一致性等方面进行阐述，将续驶里程偏差问题描述清楚，并结合产品研发和实际使用等方面去探讨续驶里程偏差的应对方法和措施。

关键词：续驶里程 问题分析 应对措施

纯电动汽车是指只用动力电池作为动力源的汽车。它利用动力电池储存的电能向电动机提供动力，驱动电动机运转，从而推动汽车前进[1]。

纯电动汽车并不是一种新汽车种类，它诞生有100多年了。1839年，苏格兰人罗伯特·安德森造出了世界上第一台“纯电动车”，不过它并十分成功。主要原因是，电池寿命过短，电力过小，只能挪动一个非常轻的底盘。到19世纪后期，长效电池诞生，促进了纯电动车的进一步发展，人们才在伦敦的大街上见到电力驱动的出租车。不过它行驶距离非常短，还必须不停地在充电站里充电。

目前，得益于技术发展进步和经过多年的技术经验积累，电池的功率密度已经大幅提升，寿命也大大提高，为纯电动汽车发展提供了有力的支持，也为节能和减排做出了重要的贡献。但是，由于整车上机械传动部件以及电器控制部件在工作过程中客观存在<100%的实际工作效率，使得实际续驶里程与标称的续驶里程仍存在较大的差异，需要分析清楚，并寻找解决办法。

图1是纯电动汽车的简单结构框图，动力电池的输出分两路，一路是高压用电，主要用于驱动车辆行驶设备，如驱动电机；另外一路是低压用电，用于车辆的辅助设施，如灯光，音响等。

首先，从数学理论计算来看续驶里程偏差的原因。

遵照能量守恒原理可知，匀速工况下纯电动汽车续航里程可用以下公式计算[2]：

（1）

其中，

EB：蓄电池总能量，KW.h；

ηT：传动系机械效率；

ηMC：电机及控制器效率；

ηq：电池平均放电效率；

F：车辆的驱动力

公式（1）中系数0.8为动力电池总能量放出的比例，一般取值为0.75-0.85，放电比例再提高会影响动力电池正常使用，频繁大功率大比率放电甚至影响动力电池的寿命。

从公式（1）分析，车辆的续驶里程S与车辆的蓄电池总能量EB成正比，与驱动力F成反比。其中蓄电池的总能量EB在传输过程中有损失，包括电池放电效率损失、机械传动效率损失和电机及控制器效率损失。這三项效率损失跟温度、润滑条件、功率变化快慢、零部件老化等条件密切相关。假设传动系机械效率ηT取值范围为0.95～0.98，电机及电控器效率ηMC取值范围为0.85～0.95，电池平均放电效率ηq取值范围为0.9～0.95，则三项效率的乘积的计算值范围为0.727～0.884。假设按匀速行驶工况来计算，如80km/h，此时驱动力F为定值，那么计算出来的续驶里程最大值与最小值之间有17.7%的差异。

另外，电池的SOC估算不准，是造成续驶里程偏差的原因之一。SOC，全称是State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量，用来反映电池的剩余容量，其数值上含义为剩余容量占电池容量的比值。SOC是用户在使用中最关心的也是最不容易准确获得的参数数据，设计开发人员试图通过测量内阻、电压、电流等参数变化来推算荷电量。目前，国内外研究的电池SOC估算方法已经部分实现并运用到工程上，如电流积分法、开路电压法等。这些算法共同特点是易于实现，但是对实际工况中的内外界影响因素缺乏考虑而导致适应性差，难以满足BMS对估算精度不断提高的要求。因此在考虑SOC受到多种因素影响后，一些较为复杂的算法被提出，例如：卡尔曼滤波算法、神经网络算法、模糊估计算法等新型算法，相比于之前的传统算法其计算量大，精度更高，其中卡尔曼滤波在计算精度和适应性上都有很好的表现，但是仍然存在很大的偏差，需要持续改进。当然，这种偏差可能带有主观心理成分，比如同样是SOC从80%降到40%，今天开始200公里，明天可能是220公里或者180公里，是正常的，还有其他因素在影响。

而电池电极材料在充放电过程中的损耗或者变化对电池寿命的影响，间接的对SOC的估算造成影响。目前普遍使用的动力电池均为锂离子动力电池，而锂离子动力电池对温度的敏感性强。温度温度高低对锂离子动力电池的整体性能，包括电池的容量、功率、充放电效率、安全性和寿命等都有着非常显著的影响。锂离子动力电池对温度的敏感性主要源于其材料物化性质的温度敏感性。温度会直接影响电极材料的活性和导电率、锂离子在电极上的嵌入和脱嵌、隔离膜的锂离子透过性等，进而影响到电池内部的电化学反应，其外部表现为动力电池温度敏感性[3]。

所以直到目前，任何公式和算法都不能得到统计数据的有效支持，因为指示的荷电程度是非线性变化的。实际应用中，受到温度、充放电、自放电、一致性、以及电池老化现象发生等自身内部工作环境和外界多方面因素的影响，破坏了动力电池自身能量的保持能力，造成容量衰减，很难精准地获取SOC值。因此我们在开车时，如果剩余电量低或出现跳变变化大时，会感觉很不确定。

其次，温度对动力电池充放电功率的影响，也会造成续驶里程偏差。

以目前应用比较普遍的三元锂电池和磷酸铁锂电池为例，用两款正在开发的为增程式混合动力汽车使用的动力电池测试数据来分析温度对电池充放电功率的影响。

图1图2为某款正在开发的容量为10.5度电的三元锂电池的放电和充电时测试数据结果：

三元锂电池在不同温度条件下放电功率，见表1。

三元锂电池在不同温度下充电功率，见表2。

表3表4为某款正在开发的容量为13.3度电的磷酸铁锂电池的放电和充电时测试数据结果。

磷酸铁锂电池在不同温度条件下放电功率，见表3。

磷酸铁锂电池在不同温度条件下充电功率，见表4。

从结果上看，不管是放电还是充电，动力电池比较理想的工作温度为25℃-40℃之间，其余的温度点，充放电的功率就会快速下降。当温度不在电池理想工作范圍而需要充电的时候，SOC增加的很慢，电量不能快速的补充；而放电的时候，不能满足大功率输出的要求，车辆会很难达到功率需求进行合理的加速。这就能很好的解析为什么冬天车辆续驶里程大幅度降低的原因，也能解析清楚为什么夏天车辆在满足开空调这种大功率输出情况下的续驶里程短的原因。因为夏天气温在30℃甚至更高时，地面的温度普遍超过45℃，这时动力电池的充放电功率显著降低，无法满足车辆的需求。

再有，产品一致性问题，造成动力电池总成性能偏差。

电芯的一致性对动力电池系统的选型和配组具有至关重要的影响。动力电池系统内部的单体数目越多，则电池出厂一致性好坏对电池系统性能、寿命和安全性的影响也就越明显。电池出厂一致性主要是依靠制造过程材料、工艺、子系统性能的一致性。电芯的各种参数中，质量、OCV、内阻、容量、能量等是评断电池出厂一致性好坏的主要依据。

动力电池样品的质量是其重要的基本参数，出厂质量一致性的优劣在一定程度上反映了电芯制作工艺的好坏。电芯的质量通常呈正态分布，如图2所示。基于统计结果，采用相对极差或评分表就可以利用雷达图对不同样品进行比较，从而为样品选型提供参考。

还有，车辆标称的续驶里程是在特定条件下测试出来的结果，跟车辆实际使用条件存在差异甚至差异很大。这些特定条件有温度，运行工况，载荷，驾驶习惯，道路情况等等，可以简单的理解为理论和实际的差别。比如温度，在进行低温环境开启暖风装置制热状态下续驶里程试验时，要求试验室的温度为-7±3℃，也就是-10℃至-4℃之间，实际很难达到。再比如道路情况，试验室测试是在测功机上进行的，实际道路各种各样，很难有跟试验环境一样的道路情况。另外，为了能将续驶里程做到最大，试验室测试时会尽量少的开启用电电器，减少不必要的用电量，最大限度的把电量用在续驶里程上。因此，试验室测量出来的续驶里程跟实际用户驾驶得到的续驶里程差异很大，跟用户的心里预期有差距。

综上所述，影响车辆续驶里程的因素有5个：整车各传动部件在不同条件下的效率差异、BMS对电池SOC估算不准、不同温度条件下电池充放电功率差异、生产一致性偏差、测试条件与实际使用条件差异。因此，车辆续驶里程在不同的车辆、不同的驾驶习惯、不同的使用环境下有偏差是正常的，需要用户在使用的过程中关注里程的变化，找到合适自己的让车辆及时补电的经验。

既然续驶里程偏差是不可避免的，但是从技术角度分析，我们还是可以找到一些应对措施的，包括研发工作和用户使用认知和方法。我们把问题和应对措施做成下表，共同探讨和应对续驶里程偏差问题，见表5。

总之，在整车开发的过程中，从设计、制造、测试试验到检测各个环节都不可避免的存在偏差和误差。因此，同一车型不同的单体车辆整体性能会有差异，但是这种差异是经过鉴定满足设计要求的，是合格的，这点不容质疑。同时，用户个人差异、用车习惯和驾驶习惯、车辆的使用环境等差异同样能造成车辆续驶里程的差异，需要客观的认知和理解。

参考文献：

[1]邹政耀，王若平，主编。《新能源汽车技术基础》，北京：清华大学出版社，2020.5.

[2]余志生，《汽车理论》第5版，北京：机械工业出版社，2009.3.

[3]王芳，夏军等，《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》，北京：科学出版社，2017.8.