纯电动汽车高速行驶续航里程减少问题的分析及思考？

续航焦虑问题一直是纯电动汽车普及的难点。本文通过理论分析和仿真计算，探讨了纯电动汽车高速行驶时续航里程减少的原因，并提出了一些管理方法。首先，高速行驶时需求功率大幅增加，而电机效率变化不大，导致电动汽车没有表现出高速节能的特点。其次，市区和高速工况下的需求功率差异显著，高速工况下风阻和加速阻力对功率消耗的影响更大。此外，内燃机汽车在高速行驶时油耗降低，是因为其效率特性与电机不同，城市工况下效率较低。然而，随着电池技术的进步和充电基础设施的完善，纯电动汽车的续航焦虑问题有望得到缓解。纯电动汽车高速行驶续航里程减少的原因主要有以下几点：1. 高速行驶时需求功率大幅增加，而电机效率变化不大，导致电动汽车没有表现出高速节能的特点。2. 市区和高速工况下的需求功率差异显著。市区行驶时，电机所需功率较低；而高速行驶时，风阻和加速阻力对功率消耗的影响更大。3. 内燃机汽车在高速行驶时油耗降低，是因为其效率特性与电机不同。城市工况下，内燃机效率较低，需要消耗更多燃料；而高速行驶时，通过合理匹配传动比，内燃机可以处于高效工作区域。4. 随着电池技术的进步和充电基础设施的完善，纯电动汽车的续航焦虑问题有望得到缓解。但目前，高速行驶时续航里程减少是客观存在且合理的。为了在高速工况下更好地管理纯电动汽车的能量，可以采取以下方法：1. 尽量保持匀速行驶，减少加减速过程，降低风阻和加速阻力对功率消耗的影响。2. 结合电机的效率特性，规划行驶车速，使其落在电机Map图的最高效区间内，提高整车能量利用效率。3. 利用再生制动技术，回收制动过程中的能量，延长续航里程。4. 随着电池技术的发展和充电基础设施的完善，纯电动汽车的续航能力将得到进一步提升，缓解续航焦虑问题。总之，纯电动汽车高速行驶续航里程减少是一个复杂的问题，需要从多方面进行分析和改进。通过优化驾驶行为、提高电机效率、发展电池技术和完善充电设施，有望逐步解决这一问题，推动纯电动汽车的普及和发展。纯电动汽车在高速行驶时，续航里程减少的问题引起了广泛关注。本文通过理论分析和仿真计算，探讨了这一现象的原因，并提出了一些管理方法。首先，高速行驶时需求功率大幅增加，而电机效率变化不大，导致电动汽车没有表现出高速节能的特点。其次，市区和高速工况下的需求功率差异显著，高速工况下风阻和加速阻力对功率消耗的影响更大。此外，内燃机汽车在高速行驶时油耗降低，是因为其效率特性与电机不同，城市工况下效率较低。然而，随着电池技术的进步和充电基础设施的完善，纯电动汽车的续航焦虑问题有望得到缓解。为了在高速工况下更好地管理纯电动汽车的能量，可以采取保持匀速行驶、规划行驶车速、利用再生制动等方法，提高整车能量利用效率。随着技术的发展，纯电动汽车的续航能力将得到进一步提升，推动其普及和发展。

续航焦虑问题目前依然是困扰纯电动汽车广泛普及的难点之一。对于消费者而言，乘用车除了需要完成日常的城市内部通勤任务以外，还应当满足邻近城市之间的长途行驶需求。然而，纯电动汽车在高速行驶时的续航里程缩水问题往往会使习惯了驾驶燃油车的人们对电动汽车的性能产生质疑。同时，考虑到纯电动汽车的综合续航里程目前依然难以与内燃机汽车相匹敌，进一步缩水的高速续航能力更会降低纯电动汽车的社会认可度。本文旨在通过理论分析和仿真计算，阐释纯电动汽车高速行驶续航缩水问题的机理，讨论如何正确认识这一现象，并提出一些在高速驾驶时对纯电动汽车续航里程管理的方法和思考。

首先给出纯电动汽车高速行驶缩水问题的答案：高速下维持汽车运动状态的需求功率大幅增加，同时电机工作效率较高且随负荷变化不大，致使电动汽车没有表现出和内燃机汽车相似的高速行驶反而节能的特点。这句话将会分三部分来阐释，首先给出“电机工作效率高且随负荷变化不大”的依据，之后分析汽车高速和市区工况下的功率需求分布和耗能提升原因，最后给出内燃机汽车高速反而耗能减小的原因解释。

电动汽车高速下续航里程减少的是因为车速提高导致的需求功率大幅增加，而并非高转速下电机效率低。实际上，目前电动汽车使用的驱动电机在大多数工况下的效率均能处于80%-90%的效率区间，下图就是典型的纯电动轿车驱动电机Map图。Map图能够用来读取电机处于某一转速和转矩下的工作效率，图中使用颜色的深浅表征效率的大小，而弧线则表示效率等高线，同一根弧线上的效率相同。从图中可以看出，无论是市区工况，还是高速工况，电机的能量转换效率差异并不大，而且当车速较高时电机的高效工作区间反而更大。当然不同电机效率特性会有差异，而且底盘传动系的匹配结果对此也有影响。但普遍规律是，电机通常只有在极低转速或极低转矩下效率偏低，对应驾驶工况就是车速低于10~15km/h或加速踏板踩的很浅。而汽车大多数时间不会处于这种工况。因此当行驶工况变更时，电机效率的浮动范围仅有10%-15%，即使存在电机效率变化带来的能量收益，也很有可能会淹没在由于总需求功率提高而增加的电耗当中。

下面分析一般市区行驶工况和高速行驶工况的需求功率差异。由能量守恒可知，汽车的驱动功率应当与行驶阻力产生的消耗功率相平衡。行驶阻力包括阻碍车轮转动的滚动阻力，爬坡时候重力沿坡道方向产生的坡道阻力，汽车加速行驶时由于本身惯性导致的加速阻力以及车身与空气相互作用产生的空气阻力(风阻)，其中风阻与车速的平方成正比。一般人在市区开车，很少会出现急加速情况，因此一般市区行驶时电机所要付出的功率并不高。这里为了能通过数据进行量化说明，选择了具有城市和市郊两种驾驶曲线的NEDC工况来分析。NEDC工况的速度曲线如图2所示，其描述的是车速随时间的变化关系，不难发现800s以前汽车位于市区行驶(频繁加减速且车速不高)，而800s以后可以认为汽车行驶在高速公路上(车速较高且相对稳定)。要指出的是，NEDC工况是当前工信部对纯电动汽车进行综合里程评估的标准工况。

在计算中，我们不考虑电动汽车附件消耗(例如空调)，也不考虑再生制动对电池能量的回馈，减速过程全部由摩擦制动实现，汽车惯性能量以热的形式向外直接耗散，因此仅仅考虑驱动耗能的问题。计算原理上文已经有了描述，这里不做具体介绍，直接给出仿真结果。图3描述了汽车按照NEDC车速曲线行驶所需要的驱动功率，可以看出市区工况下的功率需求要明显低于高速工况下的功率需求。分别计算两种工况下的平均需求功率，市区工况约为3.8kW，而高速工况下的高达11.7kW，约为市区工况的3倍。因此电动汽车在高速下电耗高于市区电耗的原因也就显而易见了：在电机效率差异不大的前提下，电动汽车维持高速行驶所需要的电功率要远大于市区内频繁加减速并维持相对较低车速行驶所需的电功率。

以下两方面原因导致了上述现象：第一，风阻随车速的非线性增加使其对整车功率消耗的影响在高速工况下变得极为突出；第二，车速上升使得在相同加速阻力下电机维持汽车运动所要付出的功率增大。由于风阻与车速的平方成正比，因此风阻相比其他三个阻力对车速更加敏感。图3中的红色曲线描述了NEDC工况下风阻对应的功率消耗，图4描述了风阻消耗占总功率的百分比。在800s以前，由于车速相对较低(不超过60km/h)，因此风阻的影响十分微弱(≤30%，主要分布在10%左右)。而进入高速工况之后，整车速度普遍大于80km/h，此时风阻的影响显著增加，占比最高接近70%，普遍分布在40%左右。图5对比了风阻在高速和城市工况下的功率消耗，可以看出城市工况下风阻消耗的功率相对较低，而高速下风阻的功率消耗就已经和城市工况下总的功率消耗相当。图6描述了汽车定速巡航工况下的功率需求，这种工况对应了高速上交通环境较好时，能够保持车辆定速行驶所需求的功率。显而易见，当车速维持高速巡航行驶时，其消耗的功率要远大于汽车在市区内行驶所消耗的功率，且车速越大阻力功率增加的幅度也越大，若想要保持120km/h定速巡航，那么其需求的功率已经达到了城市工况下需求功率的6倍。从以上分析可以看出，车速提高会显著增加风阻，从而大幅增加整车的功率需求。由于不同负荷下电机的工作效率差异不大，高速下的电耗相比城市工况下必然大幅提升，于是出现了所谓的续航“缩水”现象。

因此，高速行驶续航减少的现象并不是由于电动汽车本身性能不佳导致的问题，或没有匹配变速器的原因，而恰恰是一种最自然的方式——按劳分配，多劳多得。然而这一最朴素的道理却与一般车主的感性认识相违背，因为大家更为熟悉的内燃机汽车往往在高速下(80km/h以上)会出现油耗降低的现象，同时高速行驶的续航里程与市区工况相比变化不大。出现这一现象的原因是，内燃机的效率特性与电机大相径庭，其工作效率差异很大且与工况密切相关，城市工况下常常处于效率相对较低的工作区域。而且，城市工况加减速频繁，加速过程内燃机的电控单元会自动增大喷油量以保证其工作稳定。因此，尽管在城市工况下汽车本身需求的功率相对很小，但是内燃机往往需要消耗相当多的燃料才能实现这样的输出。也就是说，在城市工况下的内燃机工作效率非常低。然而到了高速行驶工况，车速变化相对较小且不频繁，通过合理地匹配传动系传动比往往能够将内燃机置于高效工作区域内，此时尽管整车的需求功率大幅增加，但是由于效率快速提升致使耗油量能够保持不变，甚至出现减小的情况。正是这种车辆传动系统与内燃机效率特性的匹配组合，使得内燃机汽车无论是在城市工况还是在高速工况下呈现出了续航里程的一致性。但是上述分析更应该让我们清醒地认识到，内燃机地这种一致性实际上是以牺牲城市工况下的效率而换得的，这种多劳却少得的模式并不理想！以汽油或柴油为能源的内燃机之所以能够在一百多年来牢牢占据车载动力系统的霸主地位，就是因为汽油和柴油的能量密度能够支撑这种能源利用率不高的机器投入实际使用。这里以汽油为例，其热值为4.4*107J/kg，密度为0.78g/cm3，按一辆车加油40L计算，燃料质量一共只有31.2kg，然而其中蕴含的能量则达到了1.37*109J，换算成电能量常用的计量单位为380kW*h。因此，内燃机具有充足的能源供应来弥补效率不高的缺陷。与之对比的是能够与燃油车续航相提并论的特斯拉ModelS，装配的电池仅仅只有100kW*h，然而电池包质量却达到了900kg。因此受制于储能材料储能密度的限制，过去一百年采用以内燃机为核心的动力源可能更是一种不得已而为之的结果。然而当前的电池技术突飞猛进，最新的量产化电池包能量密度已经足够支撑电动汽车日常的续航应用，尽管长途行驶仍不够理想，但随着快速充电技术的完善和充电-换电基础设施的补充，纯电动汽车长途行驶时的续航焦虑问题相信能够有效缓解。

以上是从整车功率需求角度分析了电动汽车高速行驶工况下续航里程“缩水”的现象，但分析的前提是忽略了电机效率变化的影响。尽管通常认为电机效率普遍较高，从Map图上来看似乎也确是如此，但在反复启停的城市工况中，这种由低效区向高效区过渡过程仍有可能对结论产生影响。因此，图7仿真了纯电动汽车在城市工况和高速工况下电机功率消耗的变化情况。由于汽车传动效率和电机效率的原因，实际消耗的电功率要略大于整车需求功率，在城市和高速工况下，驱动效率分别是77.4%和82%，因此之前设定的电机效率变化不大的前提是合理的，由此可以进一步确认所得结论的正确性。最后，图8从单位行驶里程耗电量角度给出了分析结果。从前三项的仿真数据可以看出，高速工况的百公里耗电量大约比城市工况高15%，这也印证了纯电动汽车高速行驶续航里程缩减现象。第四项数据是该纯电动汽车的实车测试数据，该数据比计算结果要低15%~20%，这是由于仿真中未考虑再生制动的能量回馈，由此反映出再生制动引入能够有效延长电动汽车的续航里程。至此我们已经能够明确这样一个观点：纯电动汽车高速下的续航里程比城市工况下缩短既是客观存在的，也是合情合理的，由于整车需求功率的大幅提升致使纯电动汽车高速工况下续航里程减少。

至此，问题的原因已经找到了，然而影响因素还尚未分析完全。有的人认为，高速下整车需求功率大幅提升的原因就是风阻显著增大。这个观点狭义来看是正确的，因为就高速的巡航场景来的确是这样。但是如果考虑到整个高速的行驶过程是动态变化的，这个结论就有失偏颇了。因为在高速下，加速阻力所消耗的功率依然是占据主导地位的。重新回到前面的图3和图5，在城市工况下汽车总需求平均功率为3.8kW，而风阻消耗的平均功率却仅有0.28kW，占比7.3%；高速工况下，汽车总需求平均功率为11.7kW，而风阻消耗的平均功率仅有3.8kW，占比32.5%。由于汽车滚阻很小，和风阻、加速阻力相比完全可以忽略不计，因此剩下的占比就都是汽车加速所消耗的功率了。由此可见，无论在高速还是城市工况下，加速阻力才是耗能的关键因素，但高速工况下风阻的影响程度显著增加。由此我们不难产生这样一种想法，如果汽车在行驶中能够尽量保持匀速行驶，那么在相同时间行驶过相同路程时，能够比存在加减速过程的驾驶行为要更加节能。为了验证这一想法，图9按照NEDC高速工况的平均车速行驶仿真了纯电动汽车的整车需求功率和电机消耗功率情况，可以发现按照匀速行驶能够使得整车需求功率减少3.4kW，减幅达到30%，使电机消耗功率减少3.8kW，减幅达到27%。由此不难得出结论，尽量保持匀速行驶能够有效减少行驶电耗。注意电机功率减少量和整车需求功率减少量，还能发现电机耗能在整车需求功率减少的前提下还额外节约了0.4kW的功率，这是由于电机在这样的车速工作效率更高。因此，如果能结合电机的效率特性对行驶车速进行规划，使其落在电机Map图的最高效区间内，有望进一步提高整车能量利用效率。

最后，根据上述的分析结果，能够总结出指导如何在高速工况下驾驶纯电动汽车，充分管理整车能量的几点方法：

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