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輕量化最高效?電動汽車驅動系統降低電耗的途徑

Hobby觀察 ? 來源:電子發燒友網 ? 作者:梁浩斌 ? 2023-05-29 02:47 ? 次閱讀

電子發燒友網報道(文/梁浩斌)電動汽車經過近十年的快速發展,從電池到驅動電機,相關技術已經相當成熟,電動汽車的NEDC續航里程從十年前的兩三百公里,到如今普遍的500公里以上。

而這十年間,電動汽車續航里程的提升,一定程度上是得益于電池技術的發展。以國內電動汽車發展中比較重要的一款車型,2010年推出的比亞迪E6為例,當時這款車型是第一批搭載比亞迪磷酸鐵鋰電池的量產車型,電芯能量密度為90Whkg;到了2015年,磷酸鐵鋰電池電芯能量密度提高到125Wh/kg;2020年比亞迪漢EV首次使用上全新設計的“刀片電池”,本質同樣是磷酸鐵鋰電池,但通過結構創新將電芯能量密度提升到165Wh/kg。

能量密度的提升,意味著同樣重量下能夠搭載容量更大的電池包,以此提升續航里程。或是相同容量的電池包,重量能夠大幅降低,減輕車輛負載從而降低能耗,提升續航里程。

除了提升電池能量密度之外,電動汽車續航還可以通過加強動能回收、車身輕量化、提升電驅動系統效率等等。而綜合這些來看,就如同燃油車的油耗一樣,如何降低電動汽車的電耗,就是我們主要關心的點。

CLTC續航縮水?影響電耗的因素有哪些

當前電動汽車與燃油車其實類似,在出廠時都會標上按照統一測試標準測得的每百公里電耗數值。根據工信部公布的數據,特斯拉Model Y標續版本的百公里耗電量為12.7kWh、小鵬P7后驅版百公里電耗12.5kWh、比亞迪漢EV超長續航版本的百公里電耗為12.7kWh。

但顯然,從網上的各種測試以及車主嗮出的電耗數據來看,同樣的車型電耗差異極大,有人能開出20kWh/100km的電耗,也有人確實能開到工信部數據的電耗水平。出現這種差異的原因是,工信部數據是根據CLTC工況來進行測試得出的數據,只代表CLTC工況下的電耗水平,而根據不同使用者的駕駛習慣和場景,實際電耗肯定會有較大差別。

CLTC全稱China Light Vehicle Test Cycle,即中國輕型汽車行駛工況,自2021年10月1日開始正式實施。CLTC工況中,包含低速、中速、高速三個速度區間,對應的是城市、郊區、市區等三種場景。在具體測試中,三個速度區間工況時長共1800秒,其中低速區間時間比例為37.4%,中速區間時間比例為38.5%,高速區間時間比例為24.1%,平均車速為29.0km/h,最大車速為114.0km/h,怠速比例為22.1%。

按照官方介紹,CLTC工況是通過3832輛車的采集車隊,在41個代表性城市里,收集了約3278萬公里的車輛運動特征、動力特征和環境特征數據后編制而成的,按道理更加適合中國路況。

不過另一方面來看,燃油車與電動汽車的最高效率的運行速度區間有所差異,比如燃油車的最佳工況一般是在90km/h左右,而電動汽車反而是低速狀態下較為節能,高速工況則較為耗電。

在國務院印發的《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》中,其中提到的一個目標是,到2025年,純電動乘用車新車平均電耗降至12.0千瓦時/百公里。然而對于百公里電耗的評判標準其實也不能簡單地看電耗數值,還要看車身大小、重量等。

根據行業相關研究,整車電耗與車輛質量的關系最為密切,有數據顯示,車重每增加170kg,車輛每百公里電耗就要增加1kWh。同濟大學汽車學院教授韓志玉曾表示,汽車能量消耗與汽車整備質量基本成線性比例關系。

而目前的主流尺寸電動汽車的整車質量動輒1800~2000kg,而同規格的燃油車往往只有1400-1500kg,按照行業統計數據,電動汽車由于三電系統的加入,電動汽車質量一般比傳統燃油車高出15%~40%。

因此,輕量化是降低車輛電耗的最關鍵因素,包括提升電池能量密度、車身采用輕質合金、混合材料等。當然,電驅動系統的效率、車身風阻、輪胎滾阻等也會不同程度影響續航,而在技術層面上,電驅動系統效率則有可能帶來更大的提升。

電驅動系統降低電耗的途徑

電驅系統是整車動力,比如加速、高速性能的重要一環,同時也是決定電能轉化為動能效率的關鍵。電驅系統包括電機逆變器、減速器等部分,為了降低能耗,其中電機減重其實也是目前業界努力的一個重要方向。

早在我國“十三五”規劃中就有提出,新能源乘用車電機功率密度應滿足4kW/kg的水平。盡管早期圓線電機的功率密度僅3.5kW/kg左右,但隨著近年相關技術的高速發展,目前市面上主流的新能源汽車驅動電機的功率密度已經達到6kW/kg左右。

比如比亞迪在DM-i系統中采用的扁線電機功率密度達到了5.8kW/kg,廣汽埃安年初發布的夸克電驅電機功率密度更是高達12kW/kg。在電機功率密度提升后,相同功率下的電機重量得到大幅減小,市面上一款最大功率200kW的電機,功率密度為5.9kW/kg,重量達到33.9kkg,體積5.5L。而在功率密度上升至12kW/kg之后,夸克電驅在電機最大功率為260kW的前提下,電機重量僅為21.5kg,體積也僅為2.65L。

因此,工信部以及中國汽車工程學會修訂的《節能與新能源汽車技術路線圖(2.0 版)》中就提到電機功率密度的路線圖,比如在2025年乘用車比功率達到5kW/kg,并以每5年提升1kW/kg的水平迭代。

如何提升電機功率密度這里就不詳細敘述。另外,在相同電壓條件下,電控逆變器的轉化效率,也是影響電耗的因素。比如可以在逆變器中采用SiC MOSFET功率模塊來代替IGBT,因為SiC MOSFET器件與其相同額定參數的IGBT相比,總損耗可減少38%-60%,尤其是SiC MOSFET在輕載時的損耗遠遠小于IGBT。

相比于硅基IGBT,SiC MOSFET在器件關斷時無明顯的拖尾電流,進而可以降低器件的開關損耗;同時電動汽車在勻速行駛狀態下,電控所需輸出的電流大小遠低于額定電流值,而SiC MOSFET在中低電流下的導通損耗顯著低于IGBT。

具體到汽車應用中,由于電動汽車在城市環境中時,絕大多數工作在輕載工況,此時對于電動汽車而言,SiC MOSFET所減少的損耗可以折算為5%-10%的電池續航里程。

除此之外,在電驅系統采用800V高壓,也能夠降低電耗。根據電功率公式,在功率相同的情況下,電壓越高,電流越小,因此功率器件以及線束的電損耗就降低,也就能提高系統效率。另一方面,由于相同功率下電流減小,系統的線束直徑可以減少,線束規格以及用量下降,也就在一定程度上降低整車重量。

小結:

當然,隨著電動汽車智能化程度的提高,目前電動汽車艙內的智能化設備耗電量也在不斷提高,比如此前出現過電動汽車停放三個月未啟動后,電池電量耗光損壞的情況。總而言之,影響電動汽車能耗表現的因素實在太多,還包括冬季空調以及電池保溫等帶來的額外能耗等等。綜合來看,要降低電動汽車能耗,核心還是在于降低車輛重量,而汽車作為一個龐大的系統工程,需要車企通過各個細節的改進,來達成降低能耗的目標。

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