純電動汽車如何實現(xiàn)更低的能量消耗

李 巖

（長城汽車股份有限公司 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

2017年9月28日，國家工信部聯(lián)合財政部、商務(wù)部、海關(guān)總署、質(zhì)檢總局發(fā)布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，該政策明確了新能源汽車實施NEV積分管理。對于純電動車型， 除續(xù)駛里程越長可享受的NEV積分越高（上限為5分）之外，還明確了純電動乘用車工況條件下百公里電耗滿足條件二（m≤1000時，Y≤0.0098×m+0.35；1000＜m≤1600時，Y≤0.0084×m+1.75；m＞1600時，Y≤0.0035×m+9.59）將按照1.2倍計算積分。2017年11月14日，財政部、工信部、發(fā)改委、科技部提出了對于純電動汽車新的補貼政策調(diào)整方向，其中電耗作為補貼系數(shù)存在，如滿足規(guī)定的條件二（m≤1000時，Y≤0.0091×m+0.325；1000＜m≤1600時， Y≤0.0078×m+1.625；m＞1600時，Y≤0.00325×m+8.905）將按照1.1倍計算補貼金額。

綜上，純電動車型的電耗直接影響所獲得的補貼金額以及可享受的NEV積分，同樣電耗也將作為限制門檻來評估產(chǎn)品是否可以上公告和享受補貼。所以，如何讓純電動乘用車實現(xiàn)更低的電耗，對于所有車企至關(guān)重要。

1 電耗定義及影響因素

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386—2017《電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》定義，綜合工況（NEDC）續(xù)駛里程測試結(jié)束后，對車輛進行充電，從電網(wǎng)獲取的能量除以試驗過程中的續(xù)駛里程即為電耗：

式中：C——能量消耗率（電耗）；E——充電期間來自電網(wǎng)的能量，kWh；D——試驗期間行駛的總距離即續(xù)駛里程，km。

通常按單位百公里電耗進行評價，很多人在計算電耗時往往存在用“電池包的電量除以續(xù)駛里程”的概念性錯誤，因為電網(wǎng)的電量并不等于電池包的電量。

從公式（1）可以看出，降低電耗的措施：①減少電網(wǎng)的充電電量；②增大試驗續(xù)駛里程。

1.1 電網(wǎng)電量影響因素

如圖1所示，電網(wǎng)的能量由電表記錄得到。能量首先經(jīng)過充電樁進入充電機，充電機進行整流經(jīng)過配電箱，大部分能量進入電池包為其充電，同時還有一部分能量經(jīng)過DC/DC將高壓轉(zhuǎn)化為12 V低壓為充電期間仍需工作的負載供電，包括水泵、風(fēng)扇、儀表以及其他處于喚醒的控制器。所以在整個環(huán)節(jié)中，除了為電池包充電之外，還包括充電樁自身耗電，充電機、電池包和DC/DC能量轉(zhuǎn)化過程中的效率損失，低壓負載消耗。公式如下：

圖1 充電能量流

影響電網(wǎng)電量的因素包括：電池包充進電量，電池包充電效率，低壓電器件功率（充電期間），充電時間，DC/DC效率，充電機效率。

1.2 續(xù)駛里程影響因素

純電動車輛唯一的能量來源于電池，而整車在行駛過程中，能量的分布包括克服整車阻力、驅(qū)動效率損失及低壓負載，如圖2所示。如獲得更長的續(xù)駛里程就要求更多的能量用于驅(qū)動，基于汽車?yán)碚撚嬎愫虲ruise經(jīng)濟性仿真模型如圖3所示。識別出續(xù)駛里程的影響因素見表1。

圖2 行駛能量流

圖3 Cruise仿真模型

表1 續(xù)駛里程影響因素

2 電耗改善措施分析

基于上述分析，識別出影響電網(wǎng)電量因素6個、影響續(xù)駛里程因素11個，其中電池可用電量對于電耗具有雙向影響，減小電量可以降低電網(wǎng)電量，但同時能量減少，續(xù)駛里程變短，所以本文對電耗的改善分析是基于電池包一定的條件下進行。

2.1 降低電網(wǎng)電量

2.1.1 提高充電機效率

充電機產(chǎn)品通常由供應(yīng)商來設(shè)計、開發(fā)，主機廠選型、匹配，我們調(diào)研充電機參數(shù)信息見表2。

表2 純電動充電機產(chǎn)品信息

通過對目前市場上幾款純電動車型進行測試，充電機在滿載運行下，老款產(chǎn)品平均效率為92%～93%，新產(chǎn)品平均效率提升至94%～95%，也就表明這個環(huán)節(jié)由于產(chǎn)品本身的工作原理存在5%～6%的能量損失。充電機供應(yīng)商進一步提升充電機的效率主要舉措：①半導(dǎo)體器件采用碳化硅MOS或IGBT；②采用LLC諧振拓撲；③冷卻系統(tǒng)為雙面散熱或立體散熱。

作為整車廠要實現(xiàn)更低的電耗，在充電機的選型過程中，除了考慮成本，充電效率是一個很關(guān)鍵的指標(biāo)。

2.1.2 減少低壓負載能耗

低壓負載能耗由3部分組成，公式如下：

式中：Q——低壓負載能耗；P——充電期間低壓電器件功率；t——充電時間；η——DC/DC轉(zhuǎn)化效率。

1）低壓電器件功率 初步統(tǒng)計充電期間需工作的低壓電器件包括以下內(nèi)容，詳見表3。水泵和風(fēng)扇是最大的耗電器件，部分整車廠采用風(fēng)冷充電機系統(tǒng)，可以減少此2個部件的消耗；對于水冷式充電機，需要通過熱管理精細化標(biāo)定，控制水泵占空比以及風(fēng)扇開啟條件，在保障充電機溫度始終保持合理范圍的同時，降低水泵工作功率，而這些細節(jié)目前多數(shù)主機廠并未重視。以長城某款純電動車型開發(fā)為例，為了滿足慢充過程中零部件冷卻要求，初步定義水泵與風(fēng)扇的開啟條件見表4。

表3 充電期間低壓電器件功率統(tǒng)計

表4 充電期間初始控制策略

經(jīng)過在新疆吐魯番環(huán)境溫度45 ℃的充電測試，初始策略冷卻能力遠遠過剩，而造成附件耗電偏高，通過各工況及溫度點的精細化標(biāo)定和測試，最終調(diào)整策略見表5。

表5 充電期間更新控制策略

提高充電機上行溫度條件，同時降低水泵占空比（電流），經(jīng)測試，整個充電環(huán)節(jié)低壓負載可降低能耗0.28 kWh。

2）充電時間 充電時間由車載充電機的功率所決定，前期純電動車型續(xù)駛里程多集中在150～250 km范圍之內(nèi)，整車廠多以3.3 kW充電機為主，充電時間8 h以內(nèi)。但隨著更長續(xù)駛里程的產(chǎn)品推出，電池包容量加大，為縮短充電時間，逐步標(biāo)配6.6 kW充電機。

假定充電期間，低壓負載平均功率為8 0 W，電池包充電量為40 kWh，對比分析3.3 kW和6.6 kW充電期間的低壓負載消耗：①3.3 k W消耗：80 W×40 kWh÷3.3 kW=969.7 W；②6.6 kW消耗：80 W×40 kWh÷6.6 kW=484.8 W。基于以上假定的條件，通過匹配大功率的充電機，可減少低壓負載消耗484.9 W。

3）DC/DC效率 整車所有的能量消耗均來源于電池，而DC/DC的作用在于將高壓電池的能量轉(zhuǎn)化為12 V低壓能量。DC/DC產(chǎn)品轉(zhuǎn)化效率90%以上，但也存在工作在半載以下效率較低，所以作為整車廠需要合理地匹配DC/DC功率，以某款EV車型為例，整車需求DC/DC功率為1.5 kW，但在開發(fā)過程中受產(chǎn)品選型限制，匹配功率為2.4 kW，經(jīng)實際測試，充電期間DC/DC多處于半載以下狀態(tài)，轉(zhuǎn)化效率不足70%。

2.1.3 提高電池充電效率

電動汽車在充電過程中，絕大部分能量進入電池包為其充電。進入電池包的電量，一部分轉(zhuǎn)化為電芯的化學(xué)能，一部分電芯自身發(fā)熱；因此，電池系統(tǒng)實際輸出電量要低于充電時的耗電量。經(jīng)測試，電池系統(tǒng)充放電效率在93%～95%之間，也是整車能量損耗的重要組成部分，而電芯的充放電效率受電芯自身材料、溫度等因素的影響，本文不作重點分析。

2.2 提升續(xù)駛里程措施

由于各主機廠都在開展更低風(fēng)阻的造型、整車輕量化設(shè)計研究，本文不做分析，主要對系統(tǒng)效率、整車內(nèi)阻、能量回收3方面提出改善建議。

2.2.1 提高動力系統(tǒng)效率

電機系統(tǒng)作為整車的動力源，其自身的效率決定了能量的消耗，直接影響續(xù)駛里程的長短，如圖4所示。

圖4 電機系統(tǒng)效率

可以看出單獨的電機系統(tǒng)效率最高為94%，但實際在工況（NEDC）循環(huán)測試過程中，平均車速僅為35.73 km/h，這樣電機多處于低轉(zhuǎn)速低效率區(qū)間，如圖5所示。

圖5 NEDC循環(huán)測試工況

如圖6所示，電機在NEDC工況測試下，系統(tǒng)效率僅為85%～89%。

目前，純電動車型為了實現(xiàn)更強勁的動力性，匹配高功率的電機系統(tǒng)，均面臨標(biāo)準(zhǔn)測試工況下，電機處于低效區(qū)間。由于電機高轉(zhuǎn)速起步大扭矩的特點，純電動車型并未像傳統(tǒng)內(nèi)燃機車型搭載多擋位變速器，如7DCT、8AT等，從成本和控制的角度多為單擋位減速器，但如果要獲得更高的系統(tǒng)效率、更低的電耗，開發(fā)多擋位減速器讓電機工作始終處于高效區(qū)間是最有效的措施之一。

2.2.2 降低整車滾阻

目前純電動車型多基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車型平臺通過更換電驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)，輪胎往往沿用，經(jīng)過實際對比，輪胎對于純電動車型的里程貢獻極為明顯，以下3種規(guī)格的輪胎參數(shù)見表6。

圖6 NEDC工況電機工作點

表6 3種輪胎參數(shù)

基于同一輛車進行滑行阻力測試，數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 整車滑行曲線

0～120 km/h車速區(qū)間，米其林低滾阻輪胎阻力小于佳通和中策輪胎，反映到續(xù)駛里程提升上，通過公司某款純電動車型測試可增加12%，效果尤為明顯，詳見表7。

表7 3種輪胎續(xù)駛里程提升效果

2.2.3 增加能量回收

除了電池包之外，整車可通過減速過程中車輪倒拖電機進行能量回收，從而增加電量用于行駛。目前主流的制動系統(tǒng)方案包括亞太EABS系統(tǒng)、博世ESP Hev+Ibooster系統(tǒng)、大陸MK C1系統(tǒng)，實現(xiàn)不同程度的扭矩解藕，目的在于在制動過程中，整車所需要的制動減速度更多由電機提供，減少液壓制動，從而提高能量回收效果，詳見表8。

表8 各種能量回收方案信息

2.2.4 減少低壓負載能耗

除了充電環(huán)節(jié)，整車行駛過程中也存在部分低壓電器件需要工作，持續(xù)耗電。大功率的耗電器件仍以水泵、風(fēng)扇為主，所以降低低壓負載的功率對于續(xù)駛里程的提升也尤為重要。具體措施如2.1.2章節(jié)所述。

3 結(jié)論

純電動汽車的電耗將作為鼓勵政策的重要評價指標(biāo)，同時也會當(dāng)做傳統(tǒng)內(nèi)燃機車型的“油耗”作為產(chǎn)品準(zhǔn)入的限制條件。實現(xiàn)更低的能量消耗是一個較為全面、系統(tǒng)的課題，總結(jié)如下。

1）對于關(guān)鍵零部件，如充電機、DC/DC、電池包（電芯）在選型開發(fā)過程中，要關(guān)注效率指標(biāo)，同時做好系統(tǒng)匹配。

2）通過精細化標(biāo)定，改善熱管理零部件的能耗，包括充電期間以及行駛過程中。

3）采用大功率充電機縮短充電時間。

4）開發(fā)低滾阻輪胎，改善整車行駛阻力，實現(xiàn)續(xù)駛里程的增加。

5）動力系統(tǒng)匹配時不僅關(guān)注動力性還要權(quán)衡系統(tǒng)效率。

6）采用更高效的能量回收系統(tǒng)，提高回收電量。