低溫環境對純電動汽車續駛里程的影響因素研究

于旭東， 徐 爽， 李科迪

（上汽大眾汽車有限公司， 上海 201805）

隨著動力電池和電驅動技術的不斷發展，純電動汽車的技術愈發成熟，常溫下的純電續航里程從往日的200km飛躍至600km以上。然而，面對寒冷的環境狀況、復雜多變的道路工況，電池充放電特性、行駛阻力、駕駛體驗等都會受到不同程度的影響，使得純電動汽車的實際續駛里程出現嚴重的衰減現象，令駕乘人員陷入“里程焦慮”。

為了提高低溫環境下純電動汽車的續駛里程，國內外對此展開了理論仿真、試驗驗證等方面的研究。劉濱等人[1]針對某款純電動汽車進行了23℃常溫和-7℃低溫CLTC工況實驗，結合整車能量流分析了造成里程衰減的原因。朱成等人[2]針對某純電動乘用車進行了整車能耗及續航里程測試分析，研究了其在低溫環境下的動力電池放電特性、整車及各部件能耗差異，分析了用戶使用習慣對整車續航里程的影響。宮閃閃等人[3]通過理論分析和實車測試，確定了影響低溫續駛里程的3個主要因素，提出了一種冬季暖車功能策略以抵消電池容量下降對整車續駛里程的影響。Taggart J等人[4]分析了10000多輛特斯拉ModelS的低溫行駛特性，發現在-10℃的低溫環境下，用于電池和座艙的瞬態加熱的能量占比增加；Delos Reyes等人[5]在加拿大對日產Leaf和三菱i-MiEV進行測試，發現在-26℃的環境下里程縮減到常溫里程的70%。Steinstraeter M等人[6]發現當溫度低至-4℃以下，特斯拉Model 3喪失制動能量回收能力，里程也會相應縮減57.8%。

本文以4種車型作為研究對象，分別進行23℃常溫、-7℃低溫CLTC工況試驗，從整車及各部件角度對比分析影響低溫續駛里程的衰減因素，為改進動力系統匹配、提升各部件工作效率和優化熱管理策略提供理論及數據支持，以期提高純電動汽車低溫特性。

1 試驗車輛與試驗方法

1.1 試驗車輛參數

以市場保有量較高的純電動乘用車為試驗車輛采樣范圍，選取4款車型。試驗車輛信息見表1。

表1 試驗車輛參數

1.2 試驗方法

常溫與低溫條件下的續駛里程試驗方法遵循GB/T 18386.1—2021《電動汽車能量消耗量和續駛里程試驗方法第1部分：輕型汽車》[8]，試驗規程如下。

1） 根據GB/T 18352.6—2016[9]要求，通過道路滑行法測量試驗車輛道路阻力系數。

2） 按照GB/T 18386.1—2021 6.1.1確定的行駛阻力的滑行時間減少10%后得到的阻力作為設定用替代的道路行駛阻力。

3） 常溫續駛里程試驗：按照GB/T 18386.1—2021 4.1設定環境倉條件，按照GB/T 18386.1—2021 6.3試驗規程進行試驗。

4） 低溫續駛里程試驗：按照GB/T 18386.1—2021附錄A.2.2設定環境倉條件，按照GB/T 18386.1—2021 附錄A.2.4設定暖風裝置，按照GB/T 18386.1—2021附錄A.3 試驗規程進行試驗。

5） 試驗結束后，按照GB/T 18386.1—2021 7.3.2對試驗數據進行處理與分析。

本研究所用試驗設備見表2。

表2 試驗設備

2 試驗結果與分析

按照1.2節的試驗方法對試驗車輛進行常溫、低溫續駛里程試驗，測試結果如圖1、圖2所示。續駛里程變化率、百公里能耗變化率計算公式分別如式（1）、式（2）所示。

圖1 續駛里程試驗結果

由圖1可知，4輛試驗車輛的低溫續駛里程較常溫續駛里程均有所衰減，且變化率在30%～55%以內，平均續駛里程變化率為43.2%。由圖2可知，低溫環境下的百公里能耗均增大，平均百公里能耗變化率為68.8%。不論處于常溫環境還是低溫環境，B車百公里能耗均為最高，但D車的低溫百公里能耗變化率最大，能耗增率接近100%，因此其低溫續駛里程也衰減最多，續駛里程變化率為52.2%。相較而言，C車低溫表現最好，即節能效果最好、低溫續駛里程最長，其百公里能耗變化率為45.7%，續駛里程變化率僅為33.9%。

圖2 百公里能耗（kWh/100km）

為進一步分析影響低溫續駛里程的因素，本研究按能量流將整車劃分為若干能耗系統，分別測量了CLTC工況下不同系統部件的低溫能耗，系統部件百公里能耗、變化量及變化率計算公式如式（3）～式（5）所示。如圖3所示，對比分析發現驅動系統阻力、整車熱管理（暖風空調及電池PTC、低壓部件）、電池可用能量等方面為低溫環境下主要能量損耗來源。4輛試驗車輛的驅動系統阻力方面能耗增率在16%～32%以內；用于暖風空調及電池PTC加熱的能耗增量所占比重最大，百公里能耗變化率在30%～60%范圍內，而低壓部件的百公里能耗變化率一般在3%～7%以內，本研究將這兩個因素歸為整車熱管理的影響。此外，低溫下電池可用能也存在一定比例的衰減。

圖3 -7℃低溫下各系統部件的能耗增量

2.1 驅動系統阻力的影響

低溫環境下的輪胎胎壓通常比常溫的低，這會導致車輛行駛時輪胎形變量增大，使得滾動阻力變大。潤滑油粘度對溫度變化較為敏感，低溫下粘度增大，從而造成輪轂拖滯阻力增加。此外，低溫下的空氣阻力也有一定程度提高。又因為車輛在低速段的行駛阻力中滾動阻力和機械阻力為主導部分，在高速段的阻力主要受空氣阻力影響[10～11]。因此，驅動系統的阻力大大增加。

低溫環境下，驅動系統的百公里能耗變化量及變化率如圖4所示。低溫對驅動系統阻力能耗變化率的影響在30%左右，變化量在4.8kWh/100km以內。其中，C車的驅動系統阻力受低溫影響最小，百公里能耗變化率只有16%，能耗變化量也是最少的，為2kWh/100km。A車的驅動系統阻力受低溫影響最大，百公里能耗變化率達到32%。

圖4 驅動系統的百公里能耗變化量及變化率

2.2 整車熱管理（暖風空調及電池PTC、低壓部件）的影響

低溫續航里程試驗是在開啟暖風裝置制熱狀態下進行的，故而用于座艙加熱的能耗增大。而低溫下電池管理系統也會起動自動加熱模式，以使電芯在最佳的溫度范圍內工作，因此電池的自熱效應也增加了一部分能耗[5]。此外，除了來自暖風空調、電池PTC的加熱能耗外，其他低壓部件低溫下也存在一定的能耗增量。

低溫環境下，整車熱管理的百公里能耗變化量及變化率如圖5所示。低溫環境下，4款車型的暖風空調及電池PTC、低壓部件加熱能耗變化率在30%～66%范圍內。其中，D車用于加熱的能耗最多，為8.4kWh/100km，百公里能耗變化率為66%。這是因為D車以犧牲經濟性為代價提高駕駛舒適性。在試驗過程中，D車座艙溫度能從0℃以下上升到20℃只需5min，短時間高功率的加熱方式增加了D車的能耗。

圖5 整車熱管理的百公里能耗變化量及變化率

2.3 電池可用能量的影響

在寒冷條件下，鋰離子電池的反應性下降，鋰離子電導率降低，使得電池可用容量縮減。低溫還會加速電池負極析鋰，導致電池阻抗變大，充放電過程中內耗電量增加，削弱了電池正常充放電能力，導致續駛里程降低[7，12～13]。電池的功率特性下降還會導致SOC提前截止，對電池可用能量產生不利影響。由式（6）、式（7）可獲得低溫下電池可用能占比與變化率。

低溫環境下，電池可用能占比與衰減率如圖6所示。A車電池可用能衰減率為10%，是4輛車中電池可用能衰減最大的車輛。而B車和C車的電池可用能衰減率只有3%，電池的低溫特性良好。在試驗過程中，A車的電池溫度在0～5℃范圍內波動，較低的工作溫度限制了電池的充放電能力。隨著試驗時間遞增，C車的電池溫度由0℃以下逐漸上升至10℃以上，試驗結束時電池溫度達到15℃，接近常溫下電池的工作狀態，充分發揮了電池特性。

圖6 -7℃低溫下電池可用能占比與衰減率

3 結論

本文通過底盤測功機轉鼓臺架試驗，以23℃常溫續駛里程及能耗為對照組，對比分析了-7℃低溫對驅動系統阻力、整車熱管理（暖風空調及電池PTC、低壓部件）、電池可用能量等方面影響。試驗結果表明，4輛試驗車輛的整車熱管理方面能量消耗占比最多，其中的暖風空調及電池PTC所占能耗增量所占比重最大，百公里能耗變化率在30%～60%范圍內，其次是驅動系統阻力的影響，能耗增率在16%～32%以內，而低壓部件的百公里能耗變化率一般在3%～7%以內。此外，低溫下電池可用能衰減率在3%～10%之間。因此，為了延長純電動汽車的低溫續駛里程、降低能耗，有如下改進措施。

1） 關于降低驅動系統阻力方面：建議采用新技術，盡可能減少溫度變化對輪胎材料的影響，使其低溫下也能維持較好的材料特性，以降低滾動阻力，提升低溫續駛里程；同樣地，潤滑油特性也應盡量穩定，避免粘度隨溫度變化而變大。

2） 關于改善整車熱管理方面：建議進一步研究節能空調、高效熱泵，改善車內密封性，優化電池PTC加熱策略，使電池既處于最佳工作溫度，加熱能耗又不至于消耗過多能量。將未使用的再生制動功率直接轉換為熱能，用于加熱系統部件，確保動力電池能夠在最佳溫度工作。電池溫度的適當提升也有利于制動能量回收。

3） 關于提高電池可用能方面：結合電池充放電特性，改進電池組低溫預熱策略，平衡電池單體之間的溫度，優化電池包結構，提高電池單體一致性，盡可能滿足車輛低溫行駛需求。