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浅谈纯电动车寒区环境适应性试验
来源:众泰福特汽车有限公司研究院 | 作者:宋将,朱俊 | 发布时间: 2019-09-01 | 352 次浏览 | 分享到:
宋将,朱俊
(众泰福特汽车有限公司研究院,浙江 杭州 310000)

      摘要:纯电动汽车的寒区适应性试验规范经多年的经验积累正逐步趋于完善。本文从可靠性基础理论的角度解析寒区适应性考核的“加速试验”?#23616;剩?#31616;单介绍了纯电动汽车的潜在市场,从统计的角度分析纯电动汽车在用户使用过程中将会面临的低温级别;以动力电池的低温特性为基础,分析纯电动汽车在低温环境下可能遇到的性能变化,为寒区环境适应性试验策划提供新的思路。
      关键字:纯电动汽车;低温寒区;适应性

      引言
      《汽车产业投资管理规定》的发布,预示着汽车行业已加速进入兼并、淘汰的市场整合阶段。准确把握汽车行业发展方向,决定着各车企的生?#26469;?#20129;。目前,纯电动汽车虽然饱受争议,但由于其高能源利用率及?#36130;?#38646;排放等优点仍被多数人视为汽车未来的发展趋势。

      寒区环境适应性试验是整车可靠耐久试验体系的重要组成部分,其主要目的是通过整车在极限低温环境下的道路试验及时发现并解决?#36164;?#20302;温影响的潜在或已存在的问题,以便提高整车在低温环境下的综合性能,满足低温地区用户的使用需求。和传统汽车相比,动力电池和电机取代?#21152;?#20379;给系统和发动机,成为纯电动汽车的动力?#20302;场?#20854;中动力电池具有很高的温度敏感性,Belta 等人[1] 通过对不同温度下电池的能量与功?#26102;?#21270;特性的研究发现在低温的试验环境下电池的能量与功率都会衰减。这势必会引起整车续航的降低,引起客户的不满,因此纯电动汽车的低温环境适应性试验较传统?#21152;?#36710;型在开发过程中所起到的作用更为突出。

      寒区环境适应性
      除高的性价比外,高的可靠性是影响用户购车的又一决定性因素,同时它也是企业树立好的?#25918;?#24418;象至关重要的一环。可靠性是指产品在规定条件下,规定时间内完成规定功能的能力,包含产品、规定条件、规定时间和规定功能四要素。对汽车产?#33539;?#35328;,高可靠性的具体表现应该包括汽车经久耐用,不容易出失效故障,随时可以使用,维修费用低等内容。寒区适应性试验是可靠性增长试验的重要组成部分,它是汽车产品在低温环境下“无失效故障并可随时随地使用”的重要保证。

图1  典型失效曲线

      可靠性数学模型中产品失效?#36866;?#20854;重要参数之一。失效?#26159;?#32447;典型形态如图1所示,是由早期失效率下?#21040;?#27573;a、失效率基本恒定的偶然失效阶段b和失效率不断上升的耗损失效阶段c组成的浴盆曲线。早期的高失效率,从产品角度分析多是由于产品自身材料缺陷、加工损伤以及安装调整不当等因素造成。从使用条件角度分析?#20445;?#21487;根据“载荷—强度”干涉原理进行解释。“载荷—强度”干涉原理是指在不考虑强度退化的前提下,某载?#20260;?#24179;下未发生失效的产?#20998;?#26377;经受到更高水平的载荷时才可能失效。载荷在车辆运行过程中是一个随机变量,随着工作时间的增加,其后未出现过的大载荷的出现概?#35797;?#26469;越小,因此产品的失效率会逐渐减少。此处的载荷通常是指广义上的载荷,它可以是环境温度、湿度、太阳辐射、沙尘等环境载荷。

      整车的寒区环境适应性试验在一定程度上就可以理解为通过一定的手段让车辆在未来工作生涯中可能遇到的极限低温环境载荷提前出现。发现并整改此环境下可能出现的各种故障,以便提高产品的固有可靠性。
纯电动汽车市场定位

      纯电动汽车的潜力市场除受到地方政府政策扶持外,更多的还是受其配套基础设施建设的影响。

图2  2019年31省充电桩保有量

      参考中商产业研究院发布的《2019-2024年中国充电桩市场前景及投资机会研究报告》中截止到2019年1月份全国31省充电桩保有量排行榜可以得到目前纯电动汽车的主要市场依然是基础设施较为完善、道路行驶条件良好,经济水平靠前的地区。出于便于管理维护且受众角度?#30830;?#38754;考虑,各省充电桩也多集?#24615;?#36739;为发达且规模较大的城市中。

      考察目标市场的最低温度,是整车寒区适应性试验策划的重要前提,下图为2018年最低气温排行前十的省份排名。

图3  2018年各省份最低气温排名

      由图2、3数据可见2018年各省份最低气温排名前三的黑龙江、辽宁以及内蒙古,最低温度均在-35℃级别上,?#39029;?#30005;桩保有量占总保有量的份额约2.4%。最低环境温度大于-25℃级别以上的市场占主导,若单纯以充电桩保有量为?#25569;眨?#27492;条件下的市场份额将超97%。

      ?#38498;?#26143;等人[2]归纳总结了国内外冬季试验场;文中主要介绍?#23435;?#22269;中汽中心呼伦贝尔冬季试验场、博世呼伦贝尔冬季试验场以及红河谷汽车测试中心。由于全球气候变暖上述试验场所在地区冬季最低气温逐年升高,因此部分传统?#21152;?#27773;车开始寻求更低温度的地点(漠河等地区)进行寒区适应性试验。但如上文所述,纯电动汽车受到配套设施(充电桩)及目标市场的影响,试验温度应尽可能覆盖用户可能遇到的低温级别前提下兼顾高可行性选定。

试验重点关注项

      纯电动汽车与传统?#21152;?#36710;相比,动力电池取代?#21152;?#31995;统成为其唯一动力源,其对温度具有高的灵敏度。因此除采暖、除霜、零?#32771;?#32784;候性、制动功能,电子稳定系统功能,电控单元标定、冰雪路面动态操控稳定性以及振动噪声等传统试验内容外,纯电动汽车还应该重点关注低温下动力电池引起整车性能衰退。

      对既定样车而言,电机功率、散热器散热能力?#33539;ㄊ保?#21160;力电池的功率密度决定电动汽车的加速性能、爬坡能力和最高车速;能量密度决定了满容量的续驶里程。因此对纯电动车动力性和续航测量,需要充分考虑低温环境对动力电池功率密度和能量密度等性能的影响。电池功率密度可等效理解成电池的倍率性能,即电池容许的最大放电电流。
I_m=E/r                            (1)
式中:I_m ——最大放电电流、E —— 电源电动势、r —— 电源内阻。对我司某车型动力电池进行温度场试验,得到不同温度下电池内阻及静态电压的测量数据,数据如图4、图5数据。


图4  某车型等SOC电池温度与其内阻之间的关系


图5  某车型等SOC电池温度与其静态电压之间的关系

      根据测量数据可知,电池内阻在低温(-20℃)环境工作时?#27973;?#28201;(25 ℃)的两倍有余。静态电压的变化量较小,基本处于10-3 V级别。由欧?#33539;?#24459;可以推导出回路中的电流值会随温度降?#25237;?#38477;低。因此若不考虑低温环境下整车控制策略的影响,低温环境下动力电池各项参数的变化势必引起电动汽车动力性的衰减。
      电池的充放电?#23616;?#19978;是发生可逆的电化学反应,以锂离子电池(石墨为?#26477;iCoO2为正极)为例,其化学反应公式为:
                (2)
充电过程是吸?#30830;?#24212;,温度的降低会降低反应速度。
P=I^2 R                               (3)  
式中:P —— 内阻消耗功率,I ——充电电量,R ——内阻。由于低温造成内阻升高,恒充电电流会消耗更多的电量,降低整车充电效率,增加充电时长。

      另为保证动力电池处于最佳工作温度,防止上述不利情况发生,热管理系统将处于最大功率。
P电池≈P热管理+P驱动+P其他                    (4)

      式中:P电池 —— 电池输出功率、P热 —— 热管理系统需求功率、P驱动 —— 驱动功率、P其他 —— 各辅助系统正常工作需求功率。低温环境下,热管理系统为保证电池和电机的工作温度将处于高功?#35797;?#34892;状态;其他辅助系统尤其指空调系统,为保证驾驶的舒适性也将处于高功?#35797;?#34892;状态。较常温下驱动功率占比降低,续航里程也相应减少。应该指出根据国标试验方法测得的车辆最高车速、?#20154;?#32493;航里程等整车参数无法全面评估整车在低温环境下的真实使用性能,还需结合模拟用户真实使用情况的测试数据全面评估。

      结语
      纯电动汽车在传统?#21152;?#27773;车的基础上,经过多年的经验积累已经逐步形成一套完整的?#20302;车?#23506;区环境适应性验证方法。本文从可靠性基础理论的角度解析寒区适应性考核的“加速试验”?#23616;剩?#26681;据对目前纯电动汽车的目标市场分析,发现纯电动汽车在用户使用过程中将会面临的最低温级别97%的概?#35797;?25℃以上;在动力电池的低温特性为基础上,分析纯电动汽车寒区适应性考?#22235;?#23481;还应重点关注低温充放电试验、低温动力性试验以及低温续航里程等内容。

      参考文献
      Belta J R, Hoa C D, Millerb T J, et al. The Effect of Temperature on Capacity and Power in Cycled Lithium Ion Batteries[J]. Journal of Power Sources, 2005, 142(1-2): 354-360.)
      郭炳焜. 锂离子电池[M],中南大学出版社,2002年.
      ?#38498;?#26143;,方红燕.我国冬季汽车试验场能力分析及发展建设[J].汽车工业研究·月刊,2017,11:33-37.

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