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轻量化zui高效？电动汽车驱动系统降低电耗的途径
发布时间： 2023/5/29 9:47:28 | 114 次阅读
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di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，zui大车速为114.0km/h，怠速比例为22.1%。
按照guan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zui高效率的运行速度区间有所差异，比如燃油车的zui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zui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zui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zui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zui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，he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。
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di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，zui大车速为114.0km/h，怠速比例为22.1%。
按照guan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zui高效率的运行速度区间有所差异，比如燃油车的zui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zui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zui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zui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zui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，he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。