摘要：探討了電動汽車低溫環(huán)境下續(xù)航里程衰減的關鍵因素及改進策略，分析了電池性能變化、行駛阻力增加、熱管理系統(tǒng)效率及測試評價技術，并提出了一系列創(chuàng)新解決方案。通過電池熱調(diào)控、行駛效率提高及高精度測試技術的應用，有效應對了低溫環(huán)境挑戰(zhàn)，為提升電動車寒季性能和推動產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展提供了科學路徑。

關鍵詞：低溫環(huán)境；電動汽車；續(xù)航衰減；電池性能；行駛阻力；測試技術

中圖分類號：U467.5 收稿日期：2024-03-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408016

1 前言

隨著全球對節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，電動汽車作為新能源汽車的主力軍，其市場占有率正逐年攀升。然而，低溫環(huán)境下電動汽車續(xù)航里程的顯著衰減，一直是制約其廣泛應用的關鍵瓶頸[1]。這一問題不僅關乎技術層面的電池性能、熱管理效率，還涉及用戶體驗與市場接受度。因此，系統(tǒng)性地研究低溫對電動汽車性能的具體影響，提出有效的應對措施，對促進電動汽車技術革新和市場拓展具有重大意義。

2 電池性能衰減與優(yōu)化策略

21 低溫電池特性的深入解析

鋰離子電池是目前電動汽車最常用的電池類型，其工作原理基于鋰離子在正負極間的穿梭。在低溫環(huán)境下，電解液的黏度增加，鋰離子在電解液中的擴散速度大幅減慢，這直接阻礙了鋰離子在正負極間快速、高效的遷移，導致電池內(nèi)部化學oUIlzuCLdHigs+FyKQzunfrIlPQOf7sFnMTBJGmP8ZE=反應速率顯著下降。此外，低溫還可能引起電解液結晶，進一步阻礙鋰離子通道，影響電池的充放電性能[2]。

低溫環(huán)境下，電池的可用容量會明顯降低，這是由于鋰離子在低溫下嵌入/脫嵌活性物質(zhì)的反應速度變慢，導致可參與電化學反應的鋰離子數(shù)量減少。研究表明，在-20 ℃時，某些類型的鋰離子電池容量可能會損失高達50%以上。同時，電池內(nèi)阻在低溫下顯著增加，這是由于電解液黏度增加、電極材料電阻增大以及SEI膜（固體電解質(zhì)界面膜）的阻抗增加，這不僅降低了電池的充放電效率，還可能引發(fā)電池過熱，影響電池安全。

為緩解低溫帶來的負面影響，預熱技術和保溫策略成為提升電池低溫性能的關鍵。預熱技術主要包括電池包外部加熱（如PTC加熱片）、電池內(nèi)部自發(fā)熱（如低電流預充加熱）以及熱泵輔助加熱等。這些方法能夠有效提升電池溫度，加速內(nèi)部化學反應，減少初始充放電過程中的能量損失。而保溫策略則側重于減少外界低溫對電池的影響，如采用高性能保溫材料包裹電池包、優(yōu)化車輛結構設計以減少熱交換等，從而在不使用或少量使用外部能源的情況下保持電池溫度。

22 電池熱管理的前沿探索

221 熱泵系統(tǒng)高效熱能回收與利用

熱泵系統(tǒng)作為一種高效的能量回收技術，能夠從外部環(huán)境中吸收熱量，通過壓縮機做功提升至所需溫度后用于電池加熱，相比傳統(tǒng)的PTC加熱，其能效比更高，減少了對電池電量的直接消耗，從而間接提升了續(xù)航能力。熱泵系統(tǒng)在電動汽車上的應用日益廣泛，特別是在極端低溫條件下，其優(yōu)勢更為明顯[3]。

222 智能溫控系統(tǒng)在電池保護中的應用

智能溫控系統(tǒng)通過集成多種傳感器和算法，實時監(jiān)測電池溫度、電流、電壓等狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)電池的加熱或冷卻策略，確保電池工作在最適宜的溫度區(qū)間。例如，當檢測到電池溫度過低時，系統(tǒng)會啟動加熱機制，反之則啟動冷卻機制，這樣既能防止電池過熱導致的安全風險，又能最大限度地減小低溫對電池性能的影響。

現(xiàn)代電動汽車的熱管理系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)高度集成，實現(xiàn)對電池的全方位健康管理。這種集成優(yōu)化不僅包括溫度控制，還包括電池荷電狀態(tài)（SOC）的精確估算、電池老化狀態(tài)監(jiān)測以及故障預警等功能。通過大數(shù)據(jù)分析和機器學習技術，系統(tǒng)能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預測電池未來狀態(tài)，提前采取維護措施，延長電池使用壽命。

23 電池管理系統(tǒng)（BMS）的低溫適應性強化

在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)SOC估算算法的準確性會受到影響，因為低溫導致電池內(nèi)阻變化、電壓平臺偏移等。因此，研發(fā)適用于低溫環(huán)境的SOC估算算法至關重要。這包括引入溫度補償因子、利用電池模型進行狀態(tài)估計以及結合歷史數(shù)據(jù)的機器學習算法，以提高估算精度，確保BMS能準確反映電池的真實狀態(tài)，為駕駛員提供可靠的續(xù)航信息。

電池組中各個電池單元的溫度和性能可能存在差異，特別是在低溫環(huán)境下，這種差異更加明顯。動態(tài)熱均衡技術通過內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)或主動控制策略，調(diào)節(jié)電池單元間的熱量分配，確保每個電池單元都能在接近的最佳溫度下工作，減少局部過熱或過冷現(xiàn)象，提高整體電池包的性能和壽命。同時，結合健康狀態(tài)監(jiān)測技術，定期評估電池的衰退程度，及時調(diào)整充放電策略，預防電池性能的快速下降。

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，BMS能夠根據(jù)實時的環(huán)境條件、車輛運行狀態(tài)以及用戶駕駛習慣等多維度數(shù)據(jù)，智能化調(diào)整充放電策略和熱管理策略。例如，當預測到即將進入低溫環(huán)境時，BMS可以預先加熱電池，減小突然降溫對電池性能的影響；在行駛過程中，根據(jù)實時路況和剩余電量，動態(tài)調(diào)整電機功率輸出，優(yōu)化能量分配，以達到最佳的續(xù)航效果。這種智能化調(diào)整策略，使得電動汽車在低溫環(huán)境下也能保持較高的性能和續(xù)航穩(wěn)定性。

3 行駛阻力與能耗增加的機理與對策

31 低溫對行駛阻力的多維度分析

311 低溫下輪胎滾動阻力與路面附著力變化

低溫導致輪胎橡膠硬化，彈性減小，與地面接觸面積的變形減小，從而增加了輪胎與路面間的滾動阻力。此外，冰雪覆蓋的路面會進一步增大摩擦因數(shù)的不確定性，降低輪胎的抓地力和路面附著力，這對電動汽車的行駛安全與能耗均構成挑戰(zhàn)。為緩解這一問題，可采用特殊配方的低溫輪胎，這些輪胎在低溫下仍能保持較好的柔軟度和抓地力，減少滾動阻力的同時提高安全性。

312 空氣阻力增加與空氣動力學優(yōu)化策略

隨著溫度降低，空氣密度增加，根據(jù)空氣動力學原理，電動汽車在行駛中遇到的空氣阻力也會相應增大。這意味著，即使在相同速度下，低溫環(huán)境中的車輛需要克服更大的空氣阻力，消耗更多能量。因此，優(yōu)化車輛的空氣動力學設計顯得尤為重要，包括采用流線型車身、主動進氣格柵、低風阻輪轂等設計，以減少空氣阻力，提升低溫環(huán)境下的能效[4]。

313 減少行駛阻力的創(chuàng)新材料與設計

采用輕量化材料如碳纖維、鋁合金等減輕車體重量，是降低行駛阻力、減少能耗的有效途徑。此外，低摩擦涂層、自適應懸掛系統(tǒng)等先進技術的應用，能進一步減少行駛中的機械損耗，提高車輛在低溫環(huán)境下的運行效率。

32 熱管理系統(tǒng)與能耗控制

在寒冷天氣，電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)成為主要的能耗來源之一。傳統(tǒng)的PTC加熱器能耗高，效率低，而熱泵系統(tǒng)通過吸取外界低溫環(huán)境中的熱量來加熱車廂，能效比遠高于PTC。先進的熱泵系統(tǒng)還能實現(xiàn)熱量的雙向流動，夏季用于制冷，冬季用于制熱，極大提高了能效，減少了對電池電量的消耗[5]。

低溫下，制動系統(tǒng)中的液壓油或電子部件性能可能下降，影響制動能量回收系統(tǒng)的效率。采用耐低溫材料、優(yōu)化控制系統(tǒng)邏輯、增強電池快速充電能力等措施，可以有效提升低溫條件下的能量回收效率，減少能量損失。

除空調(diào)外，其他如座椅加熱、擋風玻璃除霜等附件也是能耗大戶。通過智能電源管理系統(tǒng)，根據(jù)車輛狀態(tài)和環(huán)境溫度，動態(tài)調(diào)整附件的工作狀態(tài)，如在電池電量低或環(huán)境溫度特別低時限制非必要的高能耗附件使用，以保障核心行駛功能的能源供應。

33 傳動系統(tǒng)與附件的低溫適應性改造

低溫對傳動系統(tǒng)中潤滑油的流動性影響顯著，可能導致摩擦增大，傳動效率下降。選用低溫性能優(yōu)異的合成潤滑油，可以在更低的溫度下保持良好的流動性，減少摩擦損失。同時，新型低摩擦材料的研發(fā)，如納米復合涂層、自潤滑材料的應用，進一步減少了低溫條件下的機械損耗。

優(yōu)化齒輪設計、采用高效變速器和差速器，減少傳動過程中的機械摩擦和能量損失。在低溫環(huán)境下，確保傳動系統(tǒng)部件的快速預熱，也是提升傳動效率的有效手段，例如利用電機廢熱進行加熱，縮短冷啟動階段，快速達到最佳工作溫度。

現(xiàn)代電動汽車普遍配備了先進的能耗管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)車輛狀態(tài)、環(huán)境條件和駕駛行為，智能調(diào)節(jié)各部件的能耗。例如，通過預測性算法，提前預判附件使用需求，合理分配電池能量，避免不必要的能耗。此外，系統(tǒng)還能學習駕駛員習慣，優(yōu)化充電策略，確保在必要時有足夠的電能供給高能耗附件使用，從而在低溫條件下最大化續(xù)航里程。

4 低溫環(huán)境測試技術的創(chuàng)新與發(fā)展

41 低溫工況測試標準與方法論

CLTC（China Light Vehicle Test Cycle）是中國最新的輕型車測試循環(huán)標準，其低溫循環(huán)測試部分專為評估電動汽車在低溫條件下的能耗和續(xù)航能力而設計。與之前的NEDC標準相比，CLTC更貼近中國實際道路駕駛情況，包含城市、郊區(qū)和高速等多種工況，對車輛的動態(tài)性能要求更高。低溫測試標準要求在模擬的-7℃環(huán)境中進行，以反映電動汽車在冬季的真實使用場景。通過對CLTC低溫循環(huán)的深度解讀，可確保測試結果的準確性和代表性，為車輛性能優(yōu)化提供科學依據(jù)。

為了高效、可控地評估電動汽車低溫性能，實驗室模擬測試成為主流方法。采用先進的環(huán)境模擬艙，可以精確控制溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，確保測試條件的一致性。然而，實驗室測試結果與真實環(huán)境下的表現(xiàn)可能存在差異。因此，開展實驗室模擬與真實環(huán)境測試的對比研究，不僅能驗證實驗室測試的有效性，還能揭示特定條件下可能被忽視的性能特征，為后續(xù)測試方法的改進提供參考。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集與處理技術在低溫測試中的應用日益成熟。采用高精度傳感器陣列，如溫度、壓力、電流、電壓傳感器等，可以實時監(jiān)測車輛及電池系統(tǒng)的各項參數(shù)。先進的數(shù)據(jù)處理算法，如邊緣計算、人工智能分析，能夠快速提取有價值的信息，減少數(shù)據(jù)噪聲，提高測試數(shù)據(jù)的準確性和分析效率，為后續(xù)的性能優(yōu)化提供堅實的數(shù)據(jù)支撐。

42 高精度測試儀器與數(shù)據(jù)分析

421 多傳感器融合技術在能耗測試中的應用

在電動汽車低溫性能測試中，多傳感器融合技術的應用是提升測試精度的關鍵。通過整合不同類型的傳感器數(shù)據(jù)，如電池狀態(tài)、車輛動力系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境條件等，可以構建更加全面的能耗模型。這種技術不僅能夠更精細地識別能耗變化的細微差異，還可以通過交叉驗證減少單一傳感器的誤差，提高測試結果的可靠性。

422 實時監(jiān)控與遠程診斷系統(tǒng)的效能評估

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術的普及，實時監(jiān)控與遠程診斷系統(tǒng)成為測試與維護電動汽車的重要工具。這些系統(tǒng)能在測試過程中實時傳輸車輛數(shù)據(jù)至云端，進行遠程分析與診斷，快速識別潛在故障或性能瓶頸。評估這些系統(tǒng)的效能，如數(shù)據(jù)傳輸延遲、診斷準確率、系統(tǒng)響應時間等，對于提升測試效率和準確性至關重要。

423 數(shù)據(jù)處理算法對續(xù)航預測精度的提升

通過機器學習和深度學習算法對大量測試數(shù)據(jù)進行分析，可以構建更加精確的續(xù)航預測模型。這些算法能夠學習歷史數(shù)據(jù)中的模式，識別影響續(xù)航的關鍵因素，并在新測試中實時調(diào)整預測模型，顯著提高預測的準確性，幫助制造商優(yōu)化產(chǎn)品設計，減少用戶“里程焦慮”。

43 綜合性能評價體系的構建

431 綜合續(xù)航能力與低溫適應性的評價指標

構建一套全面的評價指標體系是衡量電動汽車低溫性能的基礎。這套體系應當涵蓋續(xù)航里程、電池低溫充放電效率、熱管理系統(tǒng)效能、駕駛舒適性等多個維度，通過量化指標反映車輛在低溫條件下的整體適應性。例如，引入低溫下電池容量保持率、熱管理系統(tǒng)能耗比等專項指標，可以更準確地評估車輛在低溫環(huán)境下的綜合表現(xiàn)。

432 用戶體驗導向的測試與評價模型

在低溫環(huán)境下，電動汽車的用戶體驗往往受到較大影響。因此，構建以用戶體驗為中心的測試模型，如模擬日常駕駛場景中的空調(diào)使用、急加速與減速等操作，能夠更直觀地反映出車輛在實際使用中的性能表現(xiàn)。通過用戶調(diào)研和反饋，不斷優(yōu)化測試方案，確保測試結果貼近真實使用感受。

433 測試結果反饋機制與產(chǎn)品迭代優(yōu)化

建立高效的測試結果反饋機制，將測試數(shù)據(jù)快速反饋給設計與研發(fā)團隊，對于產(chǎn)品迭代優(yōu)化至關重要。通過分析低溫測試中發(fā)現(xiàn)的問題，如電池性能下降、能耗異常增加等，可以針對性地進行技術改良或零部件升級。同時，結合市場反饋和用戶需求，不斷調(diào)整產(chǎn)品策略，確保新車型能夠更好地適應低溫環(huán)境，提升市場競爭力。

5 結語

電動汽車在低溫環(huán)境下的性能優(yōu)化是一個系統(tǒng)性工程，涉及電池性能、行駛阻力、熱管理、測試技術與綜合評價等多方面的深入研究與技術創(chuàng)新。通過解析電池低溫特性，采用先進的熱管理策略與智能電池管理系統(tǒng)，結合行駛阻力的降低與能耗控制，以及發(fā)展高精度測試技術與構建全面的性能評價體系，正逐步攻克低溫帶來的挑戰(zhàn)，推動電動汽車技術不斷向前。這些努力不僅緩解了用戶的續(xù)航焦慮，也為電動汽車的廣泛普及與可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎。展望未來，隨著科技的不斷進步和跨領域協(xié)作的加強，電動汽車的低溫適應性將得到顯著提升，成為無懼四季變換、引領綠色出行新時代的重要力量。

參考文獻：

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作者簡介：

李奎奎，男，1993年生，助理工程師，研究方向為交通部安全達標檢測、工信部強制性檢驗檢測。