電動汽車低溫續航里程影響研究

鄔立波 何劍飛 劉沛

摘 ?要：針對電動汽車低溫續航痛點，基于不同熱管理系統對市場主流電動汽車進行分類，并闡述了各類系統的優劣。選取6款主流電動汽車進行了低溫續航測試，并應用能量流的分解方式，結合測試數據對影響低溫續航的五大因素進行深度剖析，發現高壓負載即整車熱管理系統是影響低溫續航優劣的首要因素，最終針對熱泵系統，為進一步挖掘熱泵系統潛能，從構型和策略兩方面提出了7條建議，可作為參考以緩解電動汽車低溫續航的痛點。

關鍵詞：電動汽車；能量流；低溫續航；熱管理；電池加熱策略

中圖分類號：U467 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2023）04-0052-06

Research on the Influence of Low Temperature Range on Electric Vehicle

WU Li-bo， HE Jian-fei， LIU Pei

（ Pan Asia Technical Automotive Center， Shanghai 201201， China）

Abstract： In response to the pain points of low temperature driving range， mainstream electric vehicles in the market were classified based on different thermal management systems， and the advantages and disadvantages of each system were elaborated. Six mainstream electric vehicles were selected for low-temperature range testing， and an energy flow decomposition method was applied to conduct a deep analysis of the five major factors affecting low-temperature range based on test data. It was found that the high-voltage load， i.e. the vehicle thermal management system， is the primary factor affecting low-temperature range. Finally， for the heat pump system， in order to further explore the potential， seven suggestions were proposed from both configuration and strategy aspects， this can be used as a reference to alleviate the pain points of low temperature driving range for electric vehicles.

Key words： Electric Vehicle; Energy Flow; Low Temperature Range; Thermal Management; Battery Heating Strategy

前 ? ?言

隨著電動汽車的蓬勃發展，截至2022年，電動汽車的滲透率已經達到約27.6%，而電動汽車由于當前技術條件以及充電設施的限制，里程焦慮問題一直困擾著電動汽車車主，特別是在寒冷的北方，一到冬天就可以看到電動汽車排隊充電的場景，車主們戲稱為“電動爹”。

為了解決這一困擾車主的重要痛點，各廠家都進行相關領域的研究，從能量流的角度分析不同組成部分的影響差異[1-2]，從仿真角度研究不同熱泵系統構型的影響[3]，從試驗角度尋求能量流的高效測試方法[4-7]，共同為這一痛點的改善出謀劃策，而本文將從不同熱管理系統入手，從更為細致的能量流角度通過定量分析，基于系統思維來思考和研究低溫續航里程的改善策略。

1 ? ?熱管理系統分類

為了更好地進行低溫續航影響研究，將現有主流熱管理系統分類如下，圖1（從左到右分別是：高壓電加熱系統，水源熱泵和雙源熱泵系統）：

第一類：高壓電加熱系統（PTC）。該系統的特點是乘客艙和電池在低溫下的加熱均依靠PTC，因此理論上該系統能耗較大，同時具備結構簡單和價格相對較低的優勢。

第二類：水源熱泵系統。該系統的特點是引入熱泵，通過水路將電池和驅動系統串聯，實現電驅系統的余熱回收，并通過熱泵串聯乘客艙和電池的熱需求，相比高壓電加熱系統，增加了余熱回收，但系統更為復雜，對熱管理控制和能量管理提出了更高要求，成本更高。但是該系統仍需要PTC用以應對-10℃以下的極寒天氣（傳統熱泵的工作溫度通常≥-10℃），同時部分主機廠采用電機堵轉發熱的方式可以有效降低PTC的匹配功率，達到降本的作用。

第三類：空氣源+水源雙熱泵系統。與水源熱泵系統相比，因為引入了空氣源該系統更為復雜，但其帶來的收益也是相當可觀，因為在低溫下電機余熱有限，而空氣側的熱量則屬于免費熱，借助空氣側和余熱回收可以在滿足乘客艙和電池熱需求的前提下極大降低PTC的運行功率，達到節能和提升低溫續航里程的效果，介于此該系統的控制更為復雜，需要從系統能耗最優的思維進行控制策略的開發和執行。

2 ? ?試驗車輛及規程介紹

為了探尋不同廠家應用不同熱管理系統后低溫續航的差異并探尋電動汽車低溫續航衰減的深層次原因，本次試驗選取了行業內主流的電動汽車，并基于上述分類，每一類車型選擇2輛進行低溫能耗試驗，將其編號為：高壓電加熱系統：1A，1B，水源熱泵系統：2A，2B，空氣源水源熱泵系統：3A，3B。

試驗規則及評估對比邏輯如下：

常溫續航試驗參照純電動汽車續駛里程及經濟性測試規范《GBT18386.1- 2021電動汽車能量消耗量和續駛里程實驗方法》[8]，在轉轂臺架進行試驗，試驗條件為23℃，空調不開啟，測試獲得常溫續航里程R1（轉轂臺架試驗由于存在駕駛員及設備運行差異，試驗結果存在～2%的誤差）。

低溫續航試驗參照EV Test要求，試驗條件為-7℃，空調開啟并調節至外循環吹腳模式，保持頭部測點溫度20-22℃，前艙部分的測試接線詳見圖2，通過全里程測試獲得低溫續航里程R2。

最終確定車輛的低溫衰減百分比D=（R1-R2）/R1×100%，后續將使用該參數對個測試車輛進行低溫衰減百分比的對比分析。

3 ? ?試驗結果與分析

基于測試數據，整理如表2，可以觀察到整體的低溫續航衰減率和前面理論分析較為一致，雙源熱泵系統>水源熱泵系統>高壓電加熱系統，進一步可以發現高壓電加熱系統和水源熱泵系統的衰減率差異并不是非常明顯，而雙源熱泵系統因為存在免費的熱源，其潛力更大，能達到更好的低溫衰減效果。

從乘客艙熱管理策略可以發現，主流車型達到平衡溫度的溫升時間差異較大，平均在20分鐘左右，優秀的車輛可以達到14分鐘，而最差的可以達到46分鐘，在乘客艙平衡溫度方面，各車型基本都保持在21℃左右，部分車型平衡溫度達到23℃，將對低溫續航改善有所影響。

從電池加熱策略可以發現，不同廠家的加熱方式不盡相同，主流加熱方式為持續加熱，還存在間歇加熱（電池溫度到達一定值后停止加熱，下降到一定值時開啟加熱，間歇進行）以及不加熱的方式，同時電池的平衡溫度從3-18℃，差異較大。

為了進一步分析各車型及各系統低溫續航差異產生的原因，指導未來車型的高效開發，將采用能量流分解的邏輯進行深度分析。

3.1 ? 能量流分解邏輯

基于電池能量走向，按照圖3進行能量流分解。基于已有數據按照能量流影響權重大小為每一部分進行編號分別為：① 高壓負載（包含高壓PTC，壓縮機，以及部分車型存在的電機低效模式）；② 道路阻力增加（因為低溫阻力增加導致的驅動系統能耗的增加，也包含低溫效率降低導致的驅動系統能耗增加）；③ 電池可用電量：由于低溫下電池衰減導致的可用電量減??；④ 能量回收：由于阻力增加導致的能量回收減少；⑤ 低壓負載：由于低溫下空調開啟導致的低壓附件損耗的增加。

3.2 ? 高壓負載

基于整車能量流分析，通過功率分析儀實測試驗車輛CLTC工況低溫續航高壓負載消耗能量EHV （kWh），除以低溫續航總時間TLT（h），計算出高壓負載功率PHV（kW）= EHV /TLT。若常溫單個CLTC循環電池凈放電量實測為E1BCN （kWh），對應里程衰減率（%）= EHV /E1BCN ×14.48/R1×100。

其中：電池凈放電量通過電池總放電量減去電池能量回收計算得到。

常數14.48為單個CLTC循環總里程，單位km。

通過試驗數據并計算結果如圖4所示，試驗車輛高壓負載平均功率1.64kW，對應平均里程衰減率23.4%，是低溫續航衰減的主要原因。

3A、3B搭載雙源熱泵系統車型，高壓負載平均消耗1.09kW，表現最優，1A、1B搭載高壓電加熱系統車型，高壓負載平均消耗2.23kW，表現最差，主要原因是由于雙源熱泵系統可以通過熱泵吸收環境中的熱量給乘員艙加熱，以達到節能的目的。

3.3 ? 道路阻力

同一臺車，在測試質量相同的條件下，低溫路載相較于常溫路載阻力略高，主要有三個方面的原因：a.隨著環境溫度的降低，空氣密度會增大，從而空氣阻力會增加；b.受制于輪胎材料特性，低溫環境下滾阻會增大；c.低溫環境下動力傳動系統潤滑油粘度增大，進而機械內阻會增加（某變速箱機油粘度隨溫度變化關系見圖5）。本次試驗依據行業相關標準，在-7℃環境下設置低溫路載較常溫各個速度段增加10%。

同理基于功率分析儀實測試驗車輛單個CLTC工況下低溫和常溫電機控制器輸入端的能量差值△ET（kWh），再除以單個CLTC循環工況所用時間T1CLTC，計算出單個循環工況下因低溫道路阻力增加所引起的整車平均需求功率增加PRL（kW）= △ET /T1CLTC。若低溫續航CLTC總循環次數為NCT，對應里程衰減率（%）=△ET ×NCT /E1BCN×14.48/R1×100。

通過試驗數據計算如圖6所示，試驗車輛因低溫環境道路阻力增加，所帶來的整車需求功率平均增加0.52kW，對應平均里程衰減率7.6%。

通過試驗數據分析，常溫單個循環路載消耗占循環凈放電量的比重越低，路載對里程衰減率影響越小，同時和動力傳動系統效率相關。

3.4 ? UBE衰減

試驗車輛低溫工況電池包容量平均衰減率6.5%，對應平均里程衰減率6.5%；

基于整車能量流分析，通過功率分析儀實測試驗車輛CLTC工況低溫續航電池凈放電量EBCLT（kWh）和常溫續航電池凈放電量E1BCNT （kWh），即低溫電池包可用電量UBECT =EBCLT，常溫電池包可用電量UBENT=EBCNT，電池包容量衰減率（%）=（UBENT -UBECT ）/UBENT ×100，對應里程衰減率（%）=（UBENT-UBECT）/E1BCNT×14.48/R1×100。

通過實驗數據計算如圖7，表3所示，UBE衰減率較小的車型都存在電池加熱，但需要綜合考慮高壓負載的增加和UBE的貢獻，使綜合衰減率最低。比如3B車型雖然 UBE 衰減率最大，但維持電池在5℃的高壓負載消耗非常低，衰減率仍優于平均水平。

由此可見，針對不同類型電池包，需要對電池包加熱的目標溫度、加熱方法所帶來的高壓負載消耗和UBE貢獻進行尋優平衡，以提高低溫續航。

3.5 ? 能量回收

基于整車能量流分析，通過功率分析儀實測車輛單個CLTC工況下低溫和常溫電機控制器輸出端能量回收差值△ER（kWh）為試驗車輛單個循環低溫較常溫能量回收減少能量，對應衰減率（%）= △ER×NCT /E1BCNT×14.48 / R1×100。通過試驗數據計算如圖8所示，試驗車輛平均單個循環能量回收減少0.14kWh，續航平均衰減率4%；

通過試驗數據分析，常溫單個循環路載消耗占循環凈放電量的比重越低，能量回收對里程衰減影響越小。主要原因是由于低溫路載的增加，導致整車理論可回收的動能減少，當然低溫電機回收效率和回饋策略也是能量回收減少的原因之一。

3.6 ? 低壓負載

基于整車能量流分析，通過功率分析儀實測試驗車輛CLTC工況低溫和常溫DCDC輸入端能量差值△EDCDC（kWh），除以低溫續航總時間TLT（h），計算出低壓負載功率增加PLV （kW）=△EDCDC ?/TLT ，對應里程衰減率（%）=△EDCDC /E1BCNT×14.48/R1×100。通過試驗數據計算如圖9所示，試驗車輛平均低壓負載增加0.19kW，對應平均里程衰減率2.9%；1B、1A表現最優，低壓負載增加較少，3A、2B表現最差，低壓負載增加最多。主要原因是高壓電加熱系統結構簡單，水泵等附件較少，因此低壓功耗較少。水源+空氣源熱泵系統結構最為復雜，理論功耗最大。

3.7 ? 綜合影響

基于能量流邏輯拆分匯總后詳見圖10，可以發現如果將高壓負載，低效模式和可用電量衰減三部分相加，這部分衰減與整車低溫續航衰減存在著正相關的關系，進一步驗證了熱管理系統在低溫續航改善中的重要作用，同時可以看到即使都采用同一大類型的熱管理系統，其能量流的組成差異相差較大，說明行業內關于電動汽車熱管理系統仍未形成相對統一的構型和策略，其中原因部分是由于各個OEM的整車架構存在較大差異，另一方面伴隨著電動汽車快速增長，為緩解低溫續航焦慮而引入的集成熱管理系統仍在發展階段，值得行業同仁投入更多的精力和智慧。

4 ? ?結論和總結

本文通過理論結合試驗，從能量流路徑出發，詳細分析了影響低溫續航衰減的五大核心原因：高壓負載（包含電機低效模式），可用電量衰減，阻力增加導致的驅動系統能耗增加，能量回收減少以及低壓負載的增加，因此，為了提升電動汽車的低溫續航能力，改善客戶低溫續航焦慮，提出有如下的改進建議及措施：

4.1 ? 從數據中可以發現，高壓電加熱系統和水源熱泵系統相比，低溫衰減率的差異較小，因此針對部分對成本較為敏感以及布置難度較大的小型車輛，高壓電加熱系統可以作為潛在方案。

4.2 ? 而針對熱泵系統，為了盡可能發揮和挖掘熱泵系統潛能，本文提出如下改進建議：

4.2.1 從結構上建議如下：

a.盡可能縮短系統管路長度，減少管路的沿程損失，例如采用集成管路的方法；

b.可以通過增加保溫材料的方法減少電池散熱，進而減少PTC或者熱泵給電池的加熱需求，降低高壓負載；

c.針對水源熱泵，建議在成本可控的條件下增加空氣側回路，增加從空氣側搬運免費熱能的比例，從而大幅降低高壓負載，提升熱泵系統的能效；

4.2.2 從策略上建議如下：

a.可以通過優化乘客艙加熱曲線的方式，在滿足乘客艙需求的條件下，尋求降低能耗的空間，其中包括溫升時間和平衡溫度；

b.可以通過調整空調系統內外循環的比例，在保證沒有結霜的前提下盡可能降低乘客艙的熱需求；

c.優化低溫下電池和乘客艙熱能分配策略。從試驗可以看出高壓負載和電池低溫可用電量的衰減對應低溫續航的影響權重分別是第一和第三，因此兩者的熱分配策略尤其重要，而該策略的差異受限于熱管理構型的不同，最優策略也不盡相同，建議廠家基于現有構型進行多輪試驗，尋找低溫可用電量的增加和高壓負載消耗的平衡拐點，以實現更優的熱能分配策略，提升低溫續航里程。

d.進一步值得研究的是：電池的加熱策略，有加熱方式和平衡溫度兩個維度，加熱方式有先持續加熱，間歇加熱，高SOC加熱和低SOC加熱等多個水平，平衡溫度的范圍可以從5-20度不等（基于以往經驗溫度在10度以下相對較優），在如此多變量的影響下，建議采用仿真和試驗結合的方式尋求乘客艙電池分配策略及電池加熱策略的組合最優解。

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