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轻量化最高效?电动汽车驱动系统降低电耗的途径

Hobby观察 来源:电子发烧友网 作者:梁浩斌 2023-05-29 02:47 次阅读

电子发烧友网报道(文/梁浩斌)电动汽车经过近十年的快速发展,从电池到驱动电机,相关技术已经相当成熟,电动汽车的NEDC续航里程从十年前的两三百公里,到如今普遍的500公里以上。

而这十年间,电动汽车续航里程的提升,一定程度上是得益于电池技术的发展。以国内电动汽车发展中比较重要的一款车型,2010年推出的比亚迪E6为例,当时这款车型是第一批搭载比亚迪磷酸铁锂电池的量产车型,电芯能量密度为90Whkg;到了2015年,磷酸铁锂电池电芯能量密度提高到125Wh/kg;2020年比亚迪汉EV首次使用上全新设计的“刀片电池”,本质同样是磷酸铁锂电池,但通过结构创新将电芯能量密度提升到165Wh/kg。

能量密度的提升,意味着同样重量下能够搭载容量更大的电池包,以此提升续航里程。或是相同容量的电池包,重量能够大幅降低,减轻车辆负载从而降低能耗,提升续航里程。

除了提升电池能量密度之外,电动汽车续航还可以通过加强动能回收、车身轻量化、提升电驱动系统效率等等。而综合这些来看,就如同燃油车的油耗一样,如何降低电动汽车的电耗,就是我们主要关心的点。

CLTC续航缩水?影响电耗的因素有哪些

当前电动汽车与燃油车其实类似,在出厂时都会标上按照统一测试标准测得的每百公里电耗数值。根据工信部公布的数据,特斯拉Model Y标续版本的百公里耗电量为12.7kWh、小鹏P7后驱版百公里电耗12.5kWh、比亚迪汉EV超长续航版本的百公里电耗为12.7kWh。

但显然,从网上的各种测试以及车主嗮出的电耗数据来看,同样的车型电耗差异极大,有人能开出20kWh/100km的电耗,也有人确实能开到工信部数据的电耗水平。出现这种差异的原因是,工信部数据是根据CLTC工况来进行测试得出的数据,只代表CLTC工况下的电耗水平,而根据不同使用者的驾驶习惯和场景,实际电耗肯定会有较大差别。

CLTC全称China Light Vehicle Test Cycle,即中国轻型汽车行驶工况,自2021年10月1日开始正式实施。CLTC工况中,包含低速、中速、高速三个速度区间,对应的是城市、郊区、市区等三种场景。在具体测试中,三个速度区间工况时长共1800秒,其中低速区间时间比例为37.4%,中速区间时间比例为38.5%,高速区间时间比例为24.1%,平均车速为29.0km/h,最大车速为114.0km/h,怠速比例为22.1%。

按照官方介绍,CLTC工况是通过3832辆车的采集车队,在41个代表性城市里,收集了约3278万公里的车辆运动特征、动力特征和环境特征数据后编制而成的,按道理更加适合中国路况。

不过另一方面来看,燃油车与电动汽车的最高效率的运行速度区间有所差异,比如燃油车的最佳工况一般是在90km/h左右,而电动汽车反而是低速状态下较为节能,高速工况则较为耗电。

在国务院印发的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》中,其中提到的一个目标是,到2025年,纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里。然而对于百公里电耗的评判标准其实也不能简单地看电耗数值,还要看车身大小、重量等。

根据行业相关研究,整车电耗与车辆质量的关系最为密切,有数据显示,车重每增加170kg,车辆每百公里电耗就要增加1kWh。同济大学汽车学院教授韩志玉曾表示,汽车能量消耗与汽车整备质量基本成线性比例关系。

而目前的主流尺寸电动汽车的整车质量动辄1800~2000kg,而同规格的燃油车往往只有1400-1500kg,按照行业统计数据,电动汽车由于三电系统的加入,电动汽车质量一般比传统燃油车高出15%~40%。

因此,轻量化是降低车辆电耗的最关键因素,包括提升电池能量密度、车身采用轻质合金、混合材料等。当然,电驱动系统的效率、车身风阻、轮胎滚阻等也会不同程度影响续航,而在技术层面上,电驱动系统效率则有可能带来更大的提升。

电驱动系统降低电耗的途径

电驱系统是整车动力,比如加速、高速性能的重要一环,同时也是决定电能转化为动能效率的关键。电驱系统包括电机逆变器、减速器等部分,为了降低能耗,其中电机减重其实也是目前业界努力的一个重要方向。

早在我国“十三五”规划中就有提出,新能源乘用车电机功率密度应满足4kW/kg的水平。尽管早期圆线电机的功率密度仅3.5kW/kg左右,但随着近年相关技术的高速发展,目前市面上主流的新能源汽车驱动电机的功率密度已经达到6kW/kg左右。

比如比亚迪在DM-i系统中采用的扁线电机功率密度达到了5.8kW/kg,广汽埃安年初发布的夸克电驱电机功率密度更是高达12kW/kg。在电机功率密度提升后,相同功率下的电机重量得到大幅减小,市面上一款最大功率200kW的电机,功率密度为5.9kW/kg,重量达到33.9kkg,体积5.5L。而在功率密度上升至12kW/kg之后,夸克电驱在电机最大功率为260kW的前提下,电机重量仅为21.5kg,体积也仅为2.65L。

因此,工信部以及中国汽车工程学会修订的《节能与新能源汽车技术路线图(2.0 版)》中就提到电机功率密度的路线图,比如在2025年乘用车比功率达到5kW/kg,并以每5年提升1kW/kg的水平迭代。

如何提升电机功率密度这里就不详细叙述。另外,在相同电压条件下,电控逆变器的转化效率,也是影响电耗的因素。比如可以在逆变器中采用SiC MOSFET功率模块来代替IGBT,因为SiC MOSFET器件与其相同额定参数的IGBT相比,总损耗可减少38%-60%,尤其是SiC MOSFET在轻载时的损耗远远小于IGBT。

相比于硅基IGBT,SiC MOSFET在器件关断时无明显的拖尾电流,进而可以降低器件的开关损耗;同时电动汽车在匀速行驶状态下,电控所需输出的电流大小远低于额定电流值,而SiC MOSFET在中低电流下的导通损耗显著低于IGBT。

具体到汽车应用中,由于电动汽车在城市环境中时,绝大多数工作在轻载工况,此时对于电动汽车而言,SiC MOSFET所减少的损耗可以折算为5%-10%的电池续航里程。

除此之外,在电驱系统采用800V高压,也能够降低电耗。根据电功率公式,在功率相同的情况下,电压越高,电流越小,因此功率器件以及线束的电损耗就降低,也就能提高系统效率。另一方面,由于相同功率下电流减小,系统的线束直径可以减少,线束规格以及用量下降,也就在一定程度上降低整车重量。

小结:

当然,随着电动汽车智能化程度的提高,目前电动汽车舱内的智能化设备耗电量也在不断提高,比如此前出现过电动汽车停放三个月未启动后,电池电量耗光损坏的情况。总而言之,影响电动汽车能耗表现的因素实在太多,还包括冬季空调以及电池保温等带来的额外能耗等等。综合来看,要降低电动汽车能耗,核心还是在于降低车辆重量,而汽车作为一个庞大的系统工程,需要车企通过各个细节的改进,来达成降低能耗的目标。

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