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淺談純電動車寒區環境適應性試驗
來源:眾泰福特汽車有限公司研究院 | 作者:宋將,朱俊 | 發布時間: 2019-09-01 | 363 次瀏覽 | 分享到:
宋將,朱俊
(眾泰福特汽車有限公司研究院,浙江 杭州 310000)

      摘要:純電動汽車的寒區適應性試驗規范經多年的經驗積累正逐步趨于完善。本文從可靠性基礎理論的角度解析寒區適應性考核的“加速試驗”本質;簡單介紹了純電動汽車的潛在市場,從統計的角度分析純電動汽車在用戶使用過程中將會面臨的低溫級別;以動力電池的低溫特性為基礎,分析純電動汽車在低溫環境下可能遇到的性能變化,為寒區環境適應性試驗策劃提供新的思路。
      關鍵字:純電動汽車;低溫寒區;適應性

      引言
      《汽車產業投資管理規定》的發布,預示著汽車行業已加速進入兼并、淘汰的市場整合階段。準確把握汽車行業發展方向,決定著各車企的生死存亡。目前,純電動汽車雖然飽受爭議,但由于其高能源利用率及尾氣零排放等優點仍被多數人視為汽車未來的發展趨勢。

      寒區環境適應性試驗是整車可靠耐久試驗體系的重要組成部分,其主要目的是通過整車在極限低溫環境下的道路試驗及時發現并解決易受低溫影響的潛在或已存在的問題,以便提高整車在低溫環境下的綜合性能,滿足低溫地區用戶的使用需求。和傳統汽車相比,動力電池和電機取代燃油供給系統和發動機,成為純電動汽車的動力系統。其中動力電池具有很高的溫度敏感性,Belta 等人[1] 通過對不同溫度下電池的能量與功率變化特性的研究發現在低溫的試驗環境下電池的能量與功率都會衰減。這勢必會引起整車續航的降低,引起客戶的不滿,因此純電動汽車的低溫環境適應性試驗較傳統燃油車型在開發過程中所起到的作用更為突出。

      寒區環境適應性
      除高的性價比外,高的可靠性是影響用戶購車的又一決定性因素,同時它也是企業樹立好的品牌形象至關重要的一環??煽啃允侵覆吩詮娑ㄌ跫?,規定時間內完成規定功能的能力,包含產品、規定條件、規定時間和規定功能四要素。對汽車產品而言,高可靠性的具體表現應該包括汽車經久耐用,不容易出失效故障,隨時可以使用,維修費用低等內容。寒區適應性試驗是可靠性增長試驗的重要組成部分,它是汽車產品在低溫環境下“無失效故障并可隨時隨地使用”的重要保證。

圖1  典型失效曲線

      可靠性數學模型中產品失效率是其重要參數之一。失效率曲線典型形態如圖1所示,是由早期失效率下降階段a、失效率基本恒定的偶然失效階段b和失效率不斷上升的耗損失效階段c組成的浴盆曲線。早期的高失效率,從產品角度分析多是由于產品自身材料缺陷、加工損傷以及安裝調整不當等因素造成。從使用條件角度分析時,可根據“載荷—強度”干涉原理進行解釋?!霸睪傘慷取備繕嬖硎侵岡誆豢悸喬慷韌嘶那疤嵯?,某載荷水平下未發生失效的產品只有經受到更高水平的載荷時才可能失效。載荷在車輛運行過程中是一個隨機變量,隨著工作時間的增加,其后未出現過的大載荷的出現概率越來越小,因此產品的失效率會逐漸減少。此處的載荷通常是指廣義上的載荷,它可以是環境溫度、濕度、太陽輻射、沙塵等環境載荷。

      整車的寒區環境適應性試驗在一定程度上就可以理解為通過一定的手段讓車輛在未來工作生涯中可能遇到的極限低溫環境載荷提前出現。發現并整改此環境下可能出現的各種故障,以便提高產品的固有可靠性。
純電動汽車市場定位

      純電動汽車的潛力市場除受到地方政府政策扶持外,更多的還是受其配套基礎設施建設的影響。

圖2  2019年31省充電樁保有量

      參考中商產業研究院發布的《2019-2024年中國充電樁市場前景及投資機會研究報告》中截止到2019年1月份全國31省充電樁保有量排行榜可以得到目前純電動汽車的主要市場依然是基礎設施較為完善、道路行駛條件良好,經濟水平靠前的地區。出于便于管理維護且受眾角度等方面考慮,各省充電樁也多集中在較為發達且規模較大的城市中。

      考察目標市場的最低溫度,是整車寒區適應性試驗策劃的重要前提,下圖為2018年最低氣溫排行前十的省份排名。

圖3  2018年各省份最低氣溫排名

      由圖2、3數據可見2018年各省份最低氣溫排名前三的黑龍江、遼寧以及內蒙古,最低溫度均在-35℃級別上,且充電樁保有量占總保有量的份額約2.4%。最低環境溫度大于-25℃級別以上的市場占主導,若單純以充電樁保有量為參照,此條件下的市場份額將超97%。

      趙紅星等人[2]歸納總結了國內外冬季試驗??;文中主要介紹了我國中汽中心呼倫貝爾冬季試驗場、博世呼倫貝爾冬季試驗場以及紅河谷汽車測試中心。由于全球氣候變暖上述試驗場所在地區冬季最低氣溫逐年升高,因此部分傳統燃油汽車開始尋求更低溫度的地點(漠河等地區)進行寒區適應性試驗。但如上文所述,純電動汽車受到配套設施(充電樁)及目標市場的影響,試驗溫度應盡可能覆蓋用戶可能遇到的低溫級別前提下兼顧高可行性選定。

試驗重點關注項

      純電動汽車與傳統燃油車相比,動力電池取代燃油系統成為其唯一動力源,其對溫度具有高的靈敏度。因此除采暖、除霜、零部件耐候性、制動功能,電子穩定系統功能,電控單元標定、冰雪路面動態操控穩定性以及振動噪聲等傳統試驗內容外,純電動汽車還應該重點關注低溫下動力電池引起整車性能衰退。

      對既定樣車而言,電機功率、散熱器散熱能力確定時,動力電池的功率密度決定電動汽車的加速性能、爬坡能力和最高車速;能量密度決定了滿容量的續駛里程。因此對純電動車動力性和續航測量,需要充分考慮低溫環境對動力電池功率密度和能量密度等性能的影響。電池功率密度可等效理解成電池的倍率性能,即電池容許的最大放電電流。
I_m=E/r                            (1)
式中:I_m ——最大放電電流、E —— 電源電動勢、r —— 電源內阻。對我司某車型動力電池進行溫度場試驗,得到不同溫度下電池內阻及靜態電壓的測量數據,數據如圖4、圖5數據。


圖4  某車型等SOC電池溫度與其內阻之間的關系


圖5  某車型等SOC電池溫度與其靜態電壓之間的關系

      根據測量數據可知,電池內阻在低溫(-20℃)環境工作時是常溫(25 ℃)的兩倍有余。靜態電壓的變化量較小,基本處于10-3 V級別。由歐姆定律可以推導出回路中的電流值會隨溫度降低而降低。因此若不考慮低溫環境下整車控制策略的影響,低溫環境下動力電池各項參數的變化勢必引起電動汽車動力性的衰減。
      電池的充放電本質上是發生可逆的電化學反應,以鋰離子電池(石墨為負極、LiCoO2為正極)為例,其化學反應公式為:
                (2)
充電過程是吸熱反應,溫度的降低會降低反應速度。
P=I^2 R                               (3)  
式中:P —— 內阻消耗功率,I ——充電電量,R ——內阻。由于低溫造成內阻升高,恒充電電流會消耗更多的電量,降低整車充電效率,增加充電時長。

      另為保證動力電池處于最佳工作溫度,防止上述不利情況發生,熱管理系統將處于最大功率。
P電池≈P熱管理+P驅動+P其他                    (4)

      式中:P電池 —— 電池輸出功率、P熱 —— 熱管理系統需求功率、P驅動 —— 驅動功率、P其他 —— 各輔助系統正常工作需求功率。低溫環境下,熱管理系統為保證電池和電機的工作溫度將處于高功率運行狀態;其他輔助系統尤其指空調系統,為保證駕駛的舒適性也將處于高功率運行狀態。較常溫下驅動功率占比降低,續航里程也相應減少。應該指出根據國標試驗方法測得的車輛最高車速、等速續航里程等整車參數無法全面評估整車在低溫環境下的真實使用性能,還需結合模擬用戶真實使用情況的測試數據全面評估。

      結語
      純電動汽車在傳統燃油汽車的基礎上,經過多年的經驗積累已經逐步形成一套完整的系統的寒區環境適應性驗證方法。本文從可靠性基礎理論的角度解析寒區適應性考核的“加速試驗”本質;根據對目前純電動汽車的目標市場分析,發現純電動汽車在用戶使用過程中將會面臨的最低溫級別97%的概率在-25℃以上;在動力電池的低溫特性為基礎上,分析純電動汽車寒區適應性考核內容還應重點關注低溫充放電試驗、低溫動力性試驗以及低溫續航里程等內容。

      參考文獻
      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. 鋰離子電池[M],中南大學出版社,2002年.
      趙紅星,方紅燕.我國冬季汽車試驗場能力分析及發展建設[J].汽車工業研究·月刊,2017,11:33-37.

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