为什么一些电动车比其他电动汽车更有效?

电动汽车的关键性能指标之一是给定电池容量的可达到范围。电池是电动汽车中最昂贵的部件,约占总材料成本的60%。即使以被广泛谈论的每千瓦时100美元的电池成本为目标(换算成每千瓦时150美元),100千瓦时电池的成品包装成本将为1.5万美元。

Generally speaking, electric vehicle users don’t really care how big the battery is, what they care about is how far it will get them, getting the most range we can from the smallest possible battery capacity is the goal, as this will deliver the most competitive overall EV package. It is this challenge which brings up the problem of efficiency, as improving efficiency by just 10% could take $1,500 out of the costs of the car, which in automotive margin terms is huge.

我们现在被几个听众询问了我们的播客;“效率差异的主要原因是什么?”有些人问道;“为什么欧洲和美国之间发表的效率有所不同”,其他人一直有兴趣了解;“为什么看似类似的汽车之间存在如此巨大的变化?”换句话说,为什么现代IONIQ具有11.5kwh / 100km的发布效率,而类似的尺寸芽叶具有15kWh / 100km的效率,这意味着IONIQ使用超过叶子的电量超过20%的电量,因此理论,可以有20%较小的电池组,但提供相同的范围?

日产叶电池组

所有电动乘用车都有一个发布的效率数字,通常这是在每100公里的KWH中表示。这代表了用于行驶100km的能量量,换句话说,效率为20kwh / 100km,您将能够在100kwh电池组上行驶500km。在欧洲和美国,通过将汽车进行标准化驾驶测试循环来获得已发表的数字。这就是出版号码之间存在一些差异以及在现实生活中实现的差异。目前在欧洲和美国之间使用的测试周期不同。在美国,使用EPA测试周期,而在欧洲,直到最近,使用相对温和的NEDC循环,这是相同的官方测试周期,用于测试内燃机的排放和燃料消耗。这现在已经移动到了新的和更苛刻的WLTP测试周期,也包括充电器的转换效率,意味着值,而仍然不同,现在越来越近。

在未来,RDE或真实驾驶条件将用于电动汽车和ICE汽车,这将缩小公布的数据和现实世界的性能之间的差距。但就目前而言,值得记住的是,就像汽油或柴油一样,要想达到公布的数据所显示的效率,就需要谨慎驾驶。

在这些测试中获得一个好的结果对制造商来说是一件大事,人们开始意识到要获得最佳结果所需要的工作和优化的范围。

在电动汽车中有五个主要的提高效率的来源:

  1. 电池和充电
  2. 牵引电机和电力电子
  3. 辅助系统
  4. 空气动力学
  5. 车重

电池和充电

每个测试周期都考虑到充电过程的效率。这将包括板载电池充电器的效率以及电池。EV中的板载电池充电器将电源交流电转换为DC以对电池组充电,必须能够精确地控制其输出直流电压和直流电流,以允许锂电池组的有效充电。它还必须具有大型过滤器,确保没有不需要的电网返回到本地电网。这涉及电池充电器内的多个转换过程。首先,AC转换为DC,通常这是使用PFC升压转换器完成的,然后有辅助DC / DC转换器该拓扑允许控制输出电压和电流。

这些转换器使用高压开关器件,如igbt,以及二极管、电感、电容器和变压器。所有这些器件都有与其工作相关的损耗,因为高频工作减少了电感和变压器的损耗,但增加了IGBT的开关损耗。所以在设计上需要权衡和考虑。

当充电时,我们将电流传递到电池组,在此期间,由于电池内阻,并且在用于传输电源的电缆和汇流条件中,电池组中存在内部欧姆损耗。优化包装和充电器的布局,以最大限度地减少这些损失可以提供一些大的收益。

牵引电机和电力电子

在驱动电动汽车时,蓄电池中存储的直流电转化为交流电驱动电动牵引电机。这是通过一个叫做逆变器的设备来实现的,它同样使用IGBT之类的开关设备来产生具有电压和电流控制的正弦交流电气输出。交流电压在驱动轮子的电机中产生扭矩。因此,逆变器的效率在创造这个交流输出和牵引电机在转换这个交流电气输入到一个转矩输出是至关重要的,因为是逆变器和电机之间的相互作用。这是可能的设计一个高效率的电机,导致大量的损失在逆变器。

除了有效加速车辆的能力,电动机和逆变器能够有效地减慢车辆的能力,并将这种运动转换回能量也是至关重要的。其中一些效率与设备的功能有关,但也特别是来自布局的观点。如果EV是后轮驱动,则只有在车辆动态的权衡时,再生制动可能会受到损害 - 在后轮上具有强大的制动效果,只能对处理具有非常负面影响。

辅助系统

所有车辆都有许多辅助系统,如动力系统冷却、信息娱乐、照明、加热、通风和空调,这些系统会通过电池产生电力负载。这些负载通常被称为寄生负载,并可负责驱动循环能耗的很大一部分。此外,一辆电动汽车或卡车在慢车路上行驶,但在炎热或寒冷的天气中,用于暖通空调的电力与用于牵引的电力一样多。如果汽车动力系统的热管理系统没有得到很好的优化,那么其耗电量将高达驱动车辆所需能量的15%。这里也有一些其他的车辆设计元素的馈电,例如真正高效的马达和逆变器将需要更少的冷却,从而降低寄生功耗的好处。

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一些发动机需要特殊的油冷却系统,以冷却和润滑,而这导致一个真正有效的电机给予车辆更大的寄生负载。一些制造商正在热泵代替传统的浸没式加热器为居住者提供热空气,甚至简单的事情像暖通空调系统的自动控制一组温度而不是热变红和蓝色的冷简单的控制可以产生很大的影响。也会影响车身设计的车辆,不需要保温冰车辆由于大量的废热但在电动车妥善绝缘工具在当外面很冷和热限制太阳能获得阳光是非常重要的。

空气动力学

在之前的一期播客中,我们谈到了与传统发动机汽车相比,采用电动传动系统的卡车在空气动力学方面效率更高的可能性,因为这大大降低了动力系统的热管理要求,并且可以改变驾驶室的位置,而大型ICE发动机无需为此工作。乘用车的情况也类似,根据车辆平台的起源,有些车辆比其他车辆更有潜力。

从造型的角度来看,多年来,类似赛车的车辆一直很受欢迎,具有侵略性的大型开放式格栅和前部通风口,甚至在许多公路汽车上有“假”格栅和风管,在赛车中,这是冷却引擎所需要的,刹车和产生下压力但这是以空气阻力为代价的。在电动汽车中,如果热系统的设计和优化正确,通过汽车前部热交换器的气流需求就会大大减少。此外,在汽车的前部也没有内燃机,这意味着可以创造出更高效的空气动力学轮廓。与专用电动汽车平台相比,在一款最初设计为内燃机的电动汽车中,调整车辆空气动力学以提高效率的机会可能更有限,这取决于最初考虑的程度。

车重

最后一个围绕效率的区域是车辆重量;在某种程度上,这是所有其他领域的结合。简单地说,重型车辆和电池比轻型车辆需要更多的能量来移动。优化所有车辆部件以减少动力总成重量和整车重量是至关重要的,也会带来很大的回报。这意味着在系统级别上考虑如何优化组件的性能和权重。这不仅适用于设备,也适用于电缆和互连系统,因为良好的组件布局优化和设备集成可以为中型电动汽车的线束节省近25公斤的重量。

通过更高效的整体动力系统来减轻电池组重量的机会是重大的。改善电池组本身重量的机会也很重要,因为目前在最佳和最差的电池重量之间有高达25%的差异。未来的一些发展可能会将电池的重量减半,如果一个典型的电动乘用车电池组的重量在300至500公斤左右,这将大大减轻重量。

综上所述,这五个原因是围绕电动汽车效率最常见的因素,所有这五个因素都对汽车的行驶里程有巨大的影响,因此它的可用性。随着每年越来越多的电动汽车进入市场,我们肯定会在不久的将来看到电动汽车效率的巨大进步。

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