新能源車動(dòng)力系統(tǒng)能量消耗分析及壽命和安全性評(píng)估方法設(shè)計(jì)

摘要：在追求環(huán)保和安靜的時(shí)代，電車由于其能源清潔、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，被各國政策所支持，而其作為新興科技能否代替燃油車成為人們?nèi)粘３鲂械闹髁?，則需要更多的研究論證，據(jù)此，對(duì)比了電動(dòng)車與燃油車底盤與機(jī)械構(gòu)造，分析了電車在布局和配重方面的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了三個(gè)試驗(yàn)，即兩車同等條件下續(xù)航里程對(duì)比、電車電池放電深度與壽命之間的關(guān)系、鋰電池在極端條件下（高溫、撞擊等極限工況）的穩(wěn)定性與性能測(cè)試，由此推斷了電動(dòng)車的平均壽命，并給出了電車壽命最大化的建議。

關(guān)鍵詞：新能源；鋰電池；安全性；平均壽命

中圖分類號(hào)：U469.7" 收稿日期：2025-01-21

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503021

1 前言

隨著科技的發(fā)展與環(huán)保條款的推行，很多國家出臺(tái)燃油車禁售條例，新能源車要取代燃油車在市場的地位，其性能和壽命一定要有競爭力。對(duì)于傳統(tǒng)燃油車來說，發(fā)動(dòng)機(jī)就像是心臟一樣的重要。作為新型的電動(dòng)汽車，它的內(nèi)核，即電池組與電動(dòng)機(jī)，就其本身的重要程度與發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。作為國家大力推廣的新產(chǎn)品，新能源車動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量與維護(hù)成本也是應(yīng)該考慮的問題。眾所周知，因?yàn)樵O(shè)計(jì)原理、使用工況等因素，正常汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命是15～20年，所以筆者希望通過一些研究與調(diào)查，可以對(duì)電池電機(jī)的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)與檢驗(yàn)。為了達(dá)到這些目的，本文將結(jié)合國外特斯拉車主自身測(cè)評(píng)及權(quán)威學(xué)術(shù)論文等方面的數(shù)據(jù)，盡可能精準(zhǔn)地對(duì)電池電機(jī)的壽命做出判斷。目前的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中并沒有太多對(duì)此方面的研究，因?yàn)殡姵睾碗姍C(jī)受溫度等氣候影響較嚴(yán)重，會(huì)影響結(jié)果的判斷。通過本文的深入研究，最終希望在對(duì)比不同壽命的結(jié)果之后，得出一系列關(guān)于養(yǎng)護(hù)或者最佳換電時(shí)間等相關(guān)結(jié)論。

電池作為新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)中最重要的部分，對(duì)其使用壽命也有很大的影響。從目前市面上的新能源車來看，其使用壽命普遍都不長，但是從燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)來看，發(fā)動(dòng)機(jī)在長期使用后性能與壽命卻能有大幅度提升。在本文中將對(duì)純電動(dòng)車型和新能源車型采用不同方法測(cè)試動(dòng)力系統(tǒng)和電池后得出結(jié)論，以供參考。

2 電動(dòng)汽車與燃油汽車結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車作為新興產(chǎn)業(yè)，其自身驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與底盤構(gòu)成與常見的燃油車有許多不同，傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)軸、機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等構(gòu)成，部分車型含有增壓器。發(fā)動(dòng)機(jī)使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，將能量傳輸至變速箱后連接傳統(tǒng)軸而進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由電池組和電動(dòng)機(jī)組成，電池輸出電力給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛[1]。圖1、圖2分別為電動(dòng)汽車和燃油汽車的底盤圖。

頂部白色長條代表發(fā)電機(jī)的散熱系統(tǒng)，前方綠色與紅色部分分別是電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)與散熱模塊。連接著的黃色模塊是其單速齒輪箱。右上角黃線代表制動(dòng)系統(tǒng)，電池組分別放在車的兩側(cè)，通過兩根電線為電動(dòng)機(jī)輸出電能[2]。

頂部白色模塊是其散熱風(fēng)扇等部分。綠色為燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，與其相連的黃色是燃油車的變速箱，通過變速箱后能量被傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上，右上角黃色與電車相同，是其剎車系統(tǒng)。

電車將電池放在座位下方，一是為了能有面積更大更平整的地方來安置；二是使車身重量分布均勻，保證前后能保持50∶50的分布；三是如果發(fā)生碰撞，座椅底部受影響更小，不易發(fā)生火災(zāi)或爆炸等事故。而電動(dòng)機(jī)安置在前部，一是為了盡可能離驅(qū)動(dòng)輪近一些而減少能源的損耗；二是為了其他散熱系統(tǒng)、齒輪箱等部件可以統(tǒng)一放置，便于日后的維修與保養(yǎng)；同時(shí)在發(fā)生追尾等事故時(shí)，這些部件還可以吸收一定能量，保護(hù)車主的人身安全。

3 電車與燃油車能效及續(xù)航能力比較分析

本文中以日產(chǎn)軒逸的電動(dòng)車和燃油車為例，對(duì)其能量消耗和不同條件下的續(xù)航能力進(jìn)行評(píng)估和分析。

通過表1所示的參數(shù)可以得出，每升92號(hào)汽油完全燃燒的熱值約為33 580 kJ，約合9327 8 kW/h，已知燃油驅(qū)動(dòng)的軒逸每100 km平均需要消耗53L92號(hào)汽油（NEDC），等效能量為53×9327 8 kW/h=49437 34 kW/h，純電驅(qū)動(dòng)的軒逸僅需要138 kW/h（NEDC）。

在重量方面，燃油動(dòng)力的軒逸更有優(yōu)勢(shì)，但在動(dòng)力方面，純電的軒逸對(duì)于城市道路的啟?？梢宰龅礁湍芎?，電機(jī)較大的扭矩可以彌補(bǔ)車身較重的缺點(diǎn)。但受制于變速箱的擋位數(shù)量問題，純電動(dòng)力的軒逸在高速行駛時(shí)續(xù)航里程有所降低。而燃油動(dòng)力的軒逸可以在120 km/h時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速僅維持在較低的2 000 r/min，較于單速變速箱的純電車有較低優(yōu)勢(shì)。純電軒逸的百公里消耗（NEDC）為138 kW·h，燃油動(dòng)力的為53 L（NEDC）每100 km。由此可以算出純電軒逸每100 km消耗的能量為49 680 kJ，而燃油動(dòng)力的軒逸約為177 822 kJ，單從能量消耗來看，純電軒逸的消耗僅為燃油軒逸的約1/4[3]。與此同時(shí)，純電動(dòng)力的軒逸在重量和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方面也處于劣勢(shì)，這更能說明了電驅(qū)動(dòng)的車擁有更高的效能，更加適應(yīng)于人們的日常出行、生活、城市通勤等短途出行需求。

在嚴(yán)寒地區(qū)，電池的電芯結(jié)構(gòu)以及電池容量對(duì)于新能源汽車的使用頗為重要，寒冷的天氣會(huì)讓電池的放電能力大打折扣，以至于影響到續(xù)航里程和動(dòng)力等關(guān)鍵因素。同時(shí)，燃油車的暖風(fēng)絕大多數(shù)是由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液所提供，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的副產(chǎn)品，但新能源車型的暖風(fēng)幾乎是有加熱電阻絲而來，在寒冷天氣下使用會(huì)對(duì)續(xù)航產(chǎn)生影響，對(duì)人們的出行造成雙重考驗(yàn)。使用純電驅(qū)動(dòng)車型的大多為南方地區(qū)，天氣較為溫和，這樣的環(huán)境下對(duì)于電池的壽命和續(xù)航都有很大的幫助。以市面上最多的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)沈陽航天三菱4G15以及4G15各種衍生增壓版為例，鑄鐵自然吸氣版本可以使用15年以上，增壓版熱衰減之前平均4年左右，增壓熱衰減后，可以使用10年左右，但與之帶來的就是油耗上升，動(dòng)力嚴(yán)重減小，但增壓作為現(xiàn)在汽車不可缺少的一部分，幾乎每臺(tái)燃油車上都會(huì)見到它的身影。反觀電池的壽命就比較統(tǒng)一[4]。

4 電動(dòng)車電池壽命及安全性評(píng)估方法

41 電動(dòng)車電車壽命評(píng)估方法

由于燃油車發(fā)展時(shí)間相對(duì)較長，其本身結(jié)構(gòu)也多為機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以影響其壽命的因素較少。在外部環(huán)境與使用方面，燃油車幾乎不會(huì)受溫度濕度等環(huán)境影響，在輸出功率大小與時(shí)間方面也有穩(wěn)定的區(qū)間，其發(fā)動(dòng)機(jī)只會(huì)在燃油油品不好，或者其本身設(shè)計(jì)有缺陷時(shí)發(fā)生故障，例如大眾的ea888發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠浔旧砘钊h(huán)設(shè)計(jì)不合理，氣門油封易老化，分離器設(shè)計(jì)不合理等原因，從而導(dǎo)致其燒機(jī)油，最終使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障。

而電動(dòng)車因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)老化，電池材料或其本身穩(wěn)定性原因，最終導(dǎo)致續(xù)航下降或停擺。而且其續(xù)航里程（及電池容量）易受到溫度、濕度的影響，或持續(xù)輸出功率太大而降低。由于電車與燃油車的驅(qū)動(dòng)方式不同，電車更依賴于電池中能量的存儲(chǔ)與電機(jī)的性能，所以電動(dòng)車電池儲(chǔ)能與其安全性密切相關(guān)。故本文通過對(duì)這兩方面進(jìn)行調(diào)查與分析，最終得出相關(guān)結(jié)論。本文所分析的車輛系統(tǒng)采用了多家公司提供的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地滿足研究要求。

放電深度是一個(gè)電池能否繼續(xù)使用的一個(gè)重要判定標(biāo)準(zhǔn)，表2以鋰電池為例，表達(dá)了放電深度和電池壽命之間的關(guān)系[5]。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，用四階函數(shù)擬合鋰電池放電深度和循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系，其表達(dá)式如下：

lgN=a1·DOD1+a2·DOD+a3·DOD2+a4·DOD+as" " "（1）

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)與公式進(jìn)行推算，當(dāng)鋰電池放電深度小于70%（即已經(jīng)損耗30%）時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換電池。

42 電動(dòng)車電池安全性的測(cè)試方法

電池的安全性在電車整體的素質(zhì)方面也是一個(gè)十分重要的因素，本文根據(jù)鋰電池實(shí)際使用過程中可能出現(xiàn)的一系列極端情況，通過對(duì)鋰電池比熱容、過充電、過放電、外部短路、加熱等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，希望提供系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)方案以最終確定其可靠性。本設(shè)計(jì)選取的對(duì)象為1C電池容量為172 A·h方型鋰電池，期望評(píng)估極端條件下磷酸鐵鋰電池壽命初期與末期的安全性差異[6]。

電極活性材料在過放電時(shí)會(huì)導(dǎo)致不可逆衰減，對(duì)電池的壽命與質(zhì)量都會(huì)造成嚴(yán)重危害，例如負(fù)極SEI膜的分解破壞、銅集流體的氧化等不可逆損傷，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量氣體，電池同樣會(huì)升溫50%，進(jìn)而產(chǎn)生自燃等風(fēng)險(xiǎn)。電池在持續(xù)充電時(shí)會(huì)造成電池過充，使正極材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，產(chǎn)氣增多，內(nèi)部短路，溫度劇升，損害電池壽命甚至引起爆炸。外部短路電流雖然不足以造成內(nèi)部電芯熔斷，但電池會(huì)持續(xù)放電至過放電狀態(tài)，由此導(dǎo)致電池產(chǎn)生氣體鼓脹嚴(yán)重。而加熱時(shí)在185 °C保溫30 min時(shí)會(huì)發(fā)生熱失控，最高溫度達(dá)353 °C，電池會(huì)發(fā)生爆炸。鋼針扎入可能會(huì)使電池短路，使其溫度升高，易造成火災(zāi)等事故。因此在安全性方面，鋰電池仍需對(duì)短路和發(fā)熱問題進(jìn)行改善，減少意外的發(fā)生。

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

a.某種意義上，電池充當(dāng)?shù)氖前l(fā)動(dòng)機(jī)角色，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，好比汽車將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。驅(qū)動(dòng)的電機(jī)只要沒有出現(xiàn)消磁或物理結(jié)構(gòu)損壞，幾乎不會(huì)損壞，但電池就像發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，只要汽車動(dòng)力模塊處在運(yùn)行狀態(tài)，電池或發(fā)動(dòng)機(jī)就要工作，所以電池的耐久度和安全是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)部分最重要的。其中使用較為多的磷酸鐵鋰電池，其真實(shí)壽命充放電循環(huán)為3 000次左右，即充放電3 000次后電池衰減低于20%，而實(shí)驗(yàn)室充放電循環(huán)理論值可達(dá)6 000次，約合8年或更多次。

b.三元鋰電池的理論壽命是完全充放電的1 200倍，即完全循環(huán)壽命。三元鋰電池使用壽命達(dá)到10年左右。電池的使用壽命受駕駛員使用習(xí)慣、平時(shí)保養(yǎng)等多種因素影響。因?yàn)榱姿徼F鋰電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，但與之帶來的就是放電慢、儲(chǔ)能低、重量大。反之三元鋰電池有很高的放電能力以及儲(chǔ)能，但壽命和使用者使用行為的工作環(huán)境等有很大關(guān)系，因此三元鋰電池在新能源車上能否正常工作和使用長久，與工程師設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系。

c.從車輛使用環(huán)境來看，由于新能源汽車都是在室外運(yùn)行的，因此測(cè)試過程中需要對(duì)車外環(huán)境進(jìn)行一定程度的模擬。另外，新能源車輛均為使用頻率較高和運(yùn)行工況較差的中低檔車輛（10萬元以下），因此實(shí)際情況可能高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

d.從車輛總體情況來看，由于新能源車型通常采用電池包或者多個(gè)電池包以實(shí)現(xiàn)能量回收、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，因此需要對(duì)其進(jìn)行一定程度的模擬。另外由于本次測(cè)試中部分車型存在充電時(shí)間較長、溫度較低等情況，因此可以認(rèn)為新能源車整體情況與燃油車相比要好于燃油車。

5.2 展望

a.使用低排放、低污染的柴油作為替代燃料，逐步淘汰傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

b.開發(fā)和使用電動(dòng)、混合動(dòng)力或燃料電池的發(fā)動(dòng)機(jī)，并盡可能地提高電機(jī)功率密度。在混動(dòng)車輛上設(shè)計(jì)和開發(fā)電控系統(tǒng)，將新能源動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作的特點(diǎn)發(fā)揮到極致。

c.對(duì)新能源動(dòng)力電機(jī)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，在保證工作可靠性的前提下，降低運(yùn)行成本。

d.發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中的一些機(jī)械和化學(xué)變化會(huì)對(duì)潤滑油產(chǎn)生影響，應(yīng)及時(shí)對(duì)潤滑油性能進(jìn)行評(píng)估，避免其變質(zhì)或者失效而影響動(dòng)力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

e.對(duì)新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)研究，以尋找提高電機(jī)壽命的最佳解決方案。

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作者簡介：

曹洪翊，男，2001年生，研究方向?yàn)檐囕v工程、鋰電池。