纯电动汽车电耗分析及未来电耗推测

摘要：纯电动汽车是未来汽车的发展趋势，电耗是纯电动汽车领域研究中不可避免的关键参数，国内外学者针对如何降低电耗已做了大量的研究，但对于纯电动汽车整体电耗的分析较少。首先分析了现阶段电耗的整体水平，提出纯电动汽车电耗的6个影响因子：整备质量、滚动阻力系数、风阻系数、能量传递的综合效率、低压功耗、及整车内阻。利用6个影响因子建立MATLAB/Simulink的电耗计算模型，计算结果与现阶段整体电耗进行校准，验证了模型计算的准确性，同时也验证了6个影响因子在计算CLTC-P工况的电耗过程中相互独立。可以分别分析6个影响因子的未来发展趋势来预测纯电动汽车未来在CLTC-P工况下的电耗趋势。分析结论很好地反映了当前纯电车电耗的平均水平，也能较为准确地预判未来纯电动汽车在CLTC-P工况下的电耗，可作为纯电动汽车未来电耗限值的理论参考和依据。纯电动汽车被认为是一种对环境友好且能持续发展的交通工具。近年来，传统汽车补能成本日益高涨，另一方面国家各项政策积极推动纯电动汽车发展，纯电动汽车保有量和渗透率正在逐步增加，并有加速发展的趋势。对于纯电动汽车来说，用户的里程焦虑问题，仍然是需要面临一个严峻的挑战，这个问题，归根结底还是电能不能完全覆盖用户的使用场景而造成的。因此新能源汽车的电耗是评价纯电动汽车好坏的一个重要指标，甚至有人喊出“低电耗才是硬通货”标语。电耗的研究，特别是未来新能源汽车整体电耗水平的研究，对于新能源汽车的总体规划，目前国内外对纯电动汽车电耗的研究主要围绕整车阻力、效率和能量管理方面的优化着手如何进一步降低特定车型的电耗。从这个角度出发降低电耗的研究本质是降阻如黄伟等[2]基于某款纯电动汽车电耗偏高的问题通过能量流分析方法，从系统层面上对影响电耗的关键参数进行优化，从而达到降低整车电耗目的。马欢欢等[3]通过开展实车测试对纯电动汽车各个部件能量传递过程的进行详细分析，把能量传递及能量损耗进行量化。李琳辉等[4]提出了一种基于我国汽车行驶工况下的基准百公里电耗实车预测模型进行了研究，并结合了不同的环境、电池状态以及车速等多因素影响。ILYÈSM等[5]基于MATLAB/Simulink软件建立宝马i3的经济性和动力性模型来研究在国际常用的行通过以上研究分析，当前的纯电动汽车电耗表现，在特定车型、特定工况下的电耗优化方面，国内外学者和整车厂等都进行了大量的研究，并取得了不错的研究成果。然而，研究纯电动汽车电耗的影响因素，并针对每个影响因素的未来发展趋势分析未来纯电动汽车的整体电耗水平的综上所述，本文主要研究纯电动汽车的整体电耗表现。通过定义一款基础纯电动汽车分析电耗，提出电耗的影响因子，再建立各个影响因子的电耗计算模型，并进行模型校准。最后研究每个电耗影响因子对应的技术发展趋势预测，通过分析推测得到未来各影响因子的发展趋势及状态，通过计算模型可以反推到未来整体电动汽车的电耗值，可较为准确反应未来整体电动汽车的电据相关数据显示，仅2022年1~10月份广义新能源汽车销量达到了1134万辆，其中纯电动车型销比高达72%。目前，乘用车市场中纯电动汽型SUV都有覆盖，车型种类丰富。从当前的图12021-2022年部分车型CLTC-P工况电耗分布图将2021和2022两个完整年中存量的纯电动车车型，按其整备质量统计两驱动力型式的电耗，如图1源于工信部公告的各车型工况电耗数据）。其中公告电耗是基于CLTC-P的工况下测试而来，体现的是电网端的电耗通过数据回归算法分析，可得到当前电耗均线为：f(m)=0.0046m+5.6789，其中m为整备质量。电耗均线f(m)只能反映当前纯电动汽车整体电耗水平，难以准确反映确定的某款车电耗实际值。1.2基础车型CLTC-P工况电耗建模分析汽车在行驶过程中受的阻力有：加速阻力Fj、坡度阻F驱动=Fj＋Fw＋Ff＋Fi(1)图2CLTC-P循环工况图2为CLTC-P工况，时间与车速的关系，从图中可以看出该工况中几乎没有匀速行驶的工况。从而可以判断加F=F=6Mdujdt（可以用测试或者计算的方法确定δ,也可以根据车辆测试重量的3%进行估算，即δ=1.03[7]无量纲；M为测试质根据以上公式可以计算出工况下克服加速度过程所消WW=∫t(F×U/3600)dt把加速能耗的计算公式在MATLAB/Simulink上建立计算模型，如图3所示。以一款测试质量为1850kg的车辆为例,通过模型计算可得在一个CLTC-P工空气阻力也称风阻，是空气作用在行驶车辆的摩擦力。纯电动汽车以低速巡航时能量消耗较少，这时主要的驶时电耗急剧上升，这时很大一部分能量就是用来克服风阻。速度越高需克服风阻的能耗就越高，且呈指数关系。风阻的影响因素主要有迎风面积和风阻系数（据报道：当前某概念纯电动汽车的风阻系数可以达到0WW=t(Fw×U)/3600dt(5)Fw为空气阻力，单位为N；CD为空气阻力系数，无量纲；A为车辆迎风面积，单位为m2；Ww为风阻能耗，单位通过模型可以计算某款纯电动汽车风阻系数每降低），增加约5km。因此如何降低风阻系数势必成为车轮的滚动阻力产生机理可以描述为：车辆行驶过程不考虑其他阻力而维持车轮稳定滚动的所需的力就称为车轮滚动阻力，它与车辆的速度、车轮的规格、材料以及轮胎所受到的载荷相关。乘用车的轮胎滚动阻力测J2452-1999中推荐的计算方程为[8]：FfFf=Fzαpβa＋bu＋Cu2)其中Ff为滚动阻力，单位为N；FZ为车轮上的垂直载荷，单位为N；P为轮胎的充气压力，单位为kPa；α、β、ISO28580标准中采用单速测试的方法，乘用车测试车速在80km/h下对应的滚动阻力，滚阻力系数f（‰）为滚动阻力与轮胎的载荷比值，无量纲[9]。此时滚动阻力可以wf=tFf×U/3600)dt(8)一个CLTC-P工况下除了加速阻力、空气阻力和滚动阻力外，还存在整车机械阻力。这车机械阻力主要包括轮毂轴承阻力、卡钳拖滞阻力以及减速器拖曳阻力。目前，纯电动汽车电驱总成一般由减速器差速器、电机以及电机控制器集成，是一个3合1（3in1）的总成部件。因此把减速器和差速器的拖曳损失计入电驱总成效率。而轮毂轴承阻力和卡钳拖曳阻力单独计算。这两个阻力是与车轮的转速相关，但在能耗计算中可近似认为是定值常数。轮毂轴承阻力与其轴承本身的结构、材质、工艺等都有关系。通过测算可得，目前轮毂轴承阻力矩为0.875Nm/个。卡钳拖曳阻力矩一般为1.5Nm个。整车机械阻力wn=tFn×U/3600dt(9)Fn随着汽车智能化程度越来越高，电气化程度也随之提高。更多的传感器（雷达、摄像头、环境传感器、物理传感器）、控制器和中控大屏等，造成的低压能耗不断提高。对某款纯电动汽车稳态低压用电设备的电流进行测试，结果见表1。其中安全监测包括：雷达和摄感知传感器）、主动安全域控制器、驾驶员状态监测等。车辆控制模块包括：车辆控制器VCU（整车控制器Vehiclecontrolunit）、门窗控制器、摄像头、蓝牙及N根据测试结果安全监测、车辆控制模块、左右昼行灯电耗消耗较大。低压用电设备的电压平台为12循环时间为0.5h，因此一个循环工况的电耗为0.098kWh。降低整车低压电耗的最直接的方式就是尽量避免低压用电设备的使用，另外提升整车低电压平台（由当前），电能从电网到车轮经历了多个环节和多次能量转换，在能量传递的每个环节都存在效率。首先，电能从电网端到电池端的效率称为充电效率，它是由车载充电器OBC（Onboardcharger）的效率以及高压线束的内阻决定Q损=I2*R，充电功率一定的情况下，电流越大损耗越大。其次动力电池到驱动车轮经过了电机控制器功率模块MCU（Motorcontrolunit电机、减速这段路径的效率称为驱动效率。这个过程经历了化学能转化为电能，电磁到机械能的转化，图7展示了量流。其中MCU、电机、和齿轮系统3in效率是驱动效率的决定因素，三个效率都不是一个定值，是根据转速扭矩和温度等影响因素的一个变量。图8展示了某325℃环境温度下的全速域区间效率map。在CL下，所有差速器输出的能量与所有输入到MCU为工况下综合效率。当前三合一电驱的工况综合效率可达图8某三合一电驱效率map制动能量回收与加速工况相反，工作过程：通过制动减速力矩来提供能量，驱动电机转子切割磁感线发电，得到的电能存储于电池中。制动能量回收时必须再制动工况下进行。制动能量回收策略：当车速≥20kph时，所有的能量都用于制动能量回收，摩擦制动不起作用。当车速＞10kph且＜20kph时，进行机械制动和能量回收进行并联，机械摩擦制动和能量回收制动各占一定比例。当车速小于10kph时，能量回收制动不起作用，制动1.3某基础车型在CLTC-P工况下的电耗计算分析结合上文所述的行驶阻力和低压能耗分析，影响电耗的主要因子分别有：整备质量、风阻系数、电驱系统效率、卡钳拖滞阻力、滚动阻力、低压功耗。制动能量回收与整备质量及电驱效率相关。可以看出电耗只相关，且6个因子相对独立，可以将这六个因影响因子。只要获取这六个影响因子的数值就可以较为准根据当前技术水平及市场保有的纯电动车型现状综合定义基础车型如表2所示。通过上文所建立的各个阻力的电耗数学模型，采用列举法计算出基础车型在来一个CLTC-P循环工况下的电耗值。根据未来技术的发展趋势，预测每个影响因子对应电耗值进而推测未来各个车型表3为一个CLTC-P循环工况下，基础车型的各个影响因子对应的能量消耗，同时也可以计算出工况下制动能量在一个循环工况中，加速阻力功耗占比最大，达到加速度大，测试质量一定情况下，加速度越大，克服加速阻力所消耗的功就越大。其次是滚动阻力的功耗占比达到22%，影响因子是测试质量M以及滚动阻力系数f。空气阻力电耗只与迎风面积与空气阻力系数乘积A×Cd有关，一个工况下电耗占比为15%。整车机械内阻F内对工况电耗的影响占比5%，低压负载对工况电耗的占比在4%左右。整车一个循环工况下的需求能量为2.672kWh，由于存在电驱效率88%，因此电池需提供的能量为3.036kWh。另外通过计算，基础车在一个工况循环下可以回收的能量在1.13kWh。实际电池提供的能量就变为为：1.906kWh，充电效率在88.5%，电网需提供的能量为：2.154kWh。工况电耗为：14.88kWh/100km。通过当前纯电动车型的电耗均线f(m)=0.0046m+5.6789，计算出的基础车型电耗为：14.79kWh，基础车型偏离均线0.09kWh，误差较小。纯电动车能量来源单一，每个电耗影响因子对电耗的影响相对独立。即在汽车运行的每个时刻，电池放电功率始终等于机械传动损失功率、电能传递损失功率以及全部运动阻力所消耗的功率。因此整车电耗可以简单的理解为各个能量消耗的总和。基于基础车型通过调整每个影响因图10影响因子与工况电耗的关系结合上文分析，整车的重量将影响加速阻力能耗、滚动阻力能耗和制动能量回收率。其中加速阻力电耗和滚动阻力电耗占整个工况电耗的70%以上，因此纯电动汽车要降电耗首先应该考虑整车轻量化。当前纯电动汽车轻量化技术一直是整车厂研究的重点方向，其研究方向主要集中在：集成化、新材料及新工艺的应用、高能量密度的电池当前3in1电驱重量占整车重量的5%左右，动力电池重量占比在20-30%。根据以上轻量化技术的分析，对于纯电动汽车而言，提高动力电池以及电驱系统的功率密度可以纯电动汽车的动力总成包含三个部分：动力电池；电驱系统：电机、电控、减速器；小三电系统：DC/DC、OBC、配电单元PDU。动力总成集成方式对整车轻量化主要体现在部件共用及功能的复用，例如：通过电机和减速器共用壳体来降低重量，复用功率模块降低成本和重量。图根据当前电驱集成方式可以分为三种集成方式：第一，大三电3in1集成，小三电灵活布置或小三电集成；第二，Xin1即大三电和小三电集成的6in1或再进一步集成电池管理系统BMS和整车控制器VCU等；第三，大三电3in1集成，小三电与电池系统集成。从当前流行的3in1升级到6in1，电驱重量降低10kg左右，对工况电耗的影响约为提升电驱系统的电压平台和提高电机的转速是电驱系统轻量化和小型化的有效方案。电压上升，同等功率下可以使电机的绕组线径减小，进而减少电机的重量。900V电压平台的电驱能量密度可达到6.0kW/kg，400V电压平台的电驱能量能量密度为2.35kW/kg[11]。相同输出功率条件图12未来电压平台的发展趋势电驱系统轻量化的另一个技术是提高电机转速，功率相同下，高转速的电机可降低其扭矩，而电机扭矩与电机的体积重量息息相关，即降低电机的扭矩就是降低电机的重量。有研究表明，电机扭矩下降的比例与电机重量下降的比例基本相当。转速从16000rpm提升到18000rpm和20000rpm时，同峰值功率下扭矩可以下降分别25%，对应的电机重量可以降低约12.5%和2统的重量可降低约4%和8%左右。电驱系统技术提升对应整一体化压铸技术是近年来较为流行的制造工艺技术，有利于整车轻量化，采用一体化压铸的车身能够减轻10%-15%重量[12]。一体化压铸工艺将车身零部件化零为整，不仅提高制造效率，降低整车成本，同时也提高了车辆纯电续航能力。下车身重量占整车重量约为11%。通图13下车身后段的一体化压铸工艺动力电池作为整车能量来源，其重量占整车的重量的20%-30%（根据不同的续航电池电量不大。同等电量下，电池包重量与其能量密度精密成反比，提高电池能量密度是电池技术发展的重要方向[13]。目前主要的电池材料有路线有三种包括三元（NCM）、磷酸铁锂（LFP）、钠离子（Na+）。NCM能量密度最高，NCM根据Ni图14不同电芯能量密度发展趋势可分为5系、6系和8系，对应的能量密度呈梯度上升。磷酸铁锂LFP的能量密度低于三元电池。料磷酸锰铁锂（LMFP）电池的能量密度介于三元和磷酸铁电芯组成电池包后的能量密度可以认为是电芯的能量密度乘以所有电芯重量总和/电池包总重量。电包括：电芯、电池包外壳、冷却系统、BMS、铜巴、信号线等。其中电芯的重量占比最大，一般超过70%。另外电池包的集成方式与电池包的能量密度有一定关系。传统的CTP(CellTopack)或CTC（Celltochassis）电芯的比重将达到70%。根据以上分析，未来动结合上文各个整车轻量化技术的未来发展趋势，可以图15整车整备质量变化趋势预测低滚阻对整车电耗是有明显收益，根据仿真计算，在CLTC-P工况下，滚阻系数降低0.5‰电耗降低系数并不是越低越好，低滚阻系数的轮胎将带来其他性能的降低(特别是附着力相关的性能)，只有做到充分平衡，多次优化，才能使整车的综合性能达到最优[10]。滚阻系数7风阻系数与造型密切相关，需要兼顾整车造型及成本因素的平衡。未来通过车型不断迭代，风阻系数将逐步优化。根据推测未来风阻系数将大部分维持在0.2~0.35左右。部分车型最求极致能耗可能将风阻系数降低至电驱系统效率由三个部分的效率组成：电机、电机控制器包括逆变器、减速器差速器。电驱系统效率直接影响整车电耗。工况综合效率每提升1%，整车续航里程增加电机控制器方面：将SiC逆变器代替Si-IGBT，SiC基功率器件相比Si基功率器件有更高耐压等级和更低的开关和导通损耗。特别是在高压800V下，Si基功率器件开关损耗是400V电压下的3倍左右，而SiC基功率器件的效率受电压的影响不大。图16实测400V电压平台下，率模块下的电驱整体效率map对比。从图中可以看出SiC的高效区间面积更大，并且高效区间向左下角偏移。在400V电压平台下搭载SiC基功率器件的电驱综基功率模块的电驱系统效率高1.5%~2%。800V下SiC基的电驱系统效率高5%以上，这是由于高压下Si基的功率器件效图16SiC基与Si基电驱系统效率对比电机方面：电机本身效率提升可以通过以下技术路径实现：电机材料方面：定转子硅钢片规格（目前定转子硅钢片厚度在0.35mm、未来将往≤0.18mm的趋势发展），降低硅钢片的厚度可以有效减少电机的铁损；自粘接技术提升，定子叠片由铆接/螺接改为点胶或自粘接工效降低铁损13%，CLTC-P工况下综合效率提升0制算法方面的提升（如：谐波注入等），使得电机常工作在最佳效率区间[14]。工艺方面：电机定转子叠片采用线切割代替冲压工艺，铁损降低16%,CLTC-P工况综合效率提升减速器技术的提升包括：多档位减速器，来调节电机性和续航里程[15]。通过仿真和实车测试综合分析，两挡减图17两挡电耗实测综合三个部分的效率提升趋势可以推测电驱系统综合纯电动车发展越来越智能化，功能越来越多，座舱显示屏及控制器越来越多，造成的低压功耗也相应的增加。低压电耗占整