许多新能源车车主在高速行驶时都会注意到一个现象:随着车速的提升,电池的耗电量也在显著增加。特别是在车速从80km/h增至120km/h的稳定行驶过程中,电耗功率的上升尤为明显,这导致了新能源车在高速路上需要更频繁的充电。
对于这一问题,我们不应质疑汽车制造商的技术实力,因为这并非单纯的技术问题。高速行驶时电池耗电量的快速上升,主要是由于车辆所受风阻的作用。
汽车在行驶过程中需要克服四种主要的阻力,分别是风阻、轮胎与地面的滚动阻力、加速时产生的阻力以及爬坡时的重力阻力。其中,加速和爬坡时的电耗增加是容易理解的,例如电动车在爬坡时为了克服重力,必须加大电力输出,同样的情况也发生在加速过程中。然而,风阻的作用方式则有所不同。
风阻的计算公式如下:
从这个公式中我们可以看出,空气阻力、空气密度以及车辆的投影面积都与阻力成正比,而车速的影响则是平方关系。这意味着,如果车速增加一倍,风阻将增大到原来的四倍;如果车速增加四倍,风阻将激增到原来的十六倍。因此,当车速从60km/h提升到120km/h时,车辆需要克服的风阻将是60km/h时的四倍。
上面的图表展示了风阻与车速之间的关系(不考虑加速和爬坡情况)。可以清晰地看到,随着车速从60km/h提升到120km/h,风阻从50牛迅速增加到200牛。当车速超过一定数值后,风阻成为影响车辆行驶的主要阻力来源。
因此,对于电动车而言,随着车速的提升,风阻增大,电池的耗电量也会相应加快。下面的实测图进一步印证了我们的分析:
接下来,我们再来探讨一下燃油车车主可能感到困惑的一个问题:为什么燃油车在60km/h和120km/h行驶时,油耗的变化似乎并不像电动车那样明显?为了解答这个问题,我们需要引入一个新的概念——电机与发动机效率曲线的差异。
以下是某台电动车动力电机的效率曲线图。这里的效率指的是给电机输入一定量的电能时,电机能够向车轮输出的驱动力比例。而损失的电能则主要转化为铜损、铁损以及机械损耗。
从图中可以看出,电机在低转速时的效率为80%,而在2300转/分钟左右时达到最高效率94%。电机从最低效率到最高效率的差异相对较小,仅为0.175倍(94%÷80%-1)。那么,汽油发动机的效率曲线又是怎样的呢?
汽油发动机的效率曲线描述的是给发动机输入一定量的燃油时,发动机能够向车轮输出的驱动力比例。与电机不同,汽油发动机在运行过程中会有大量的能量损失,包括排气损失、冷却损失、机械损失以及泵气损失等。
为了更直观地说明问题,我们可以以一台汽油车和一台电动车为例进行比较。假设汽油车装有50升的油箱,而电动车则搭载有50度电的电池。
首先,两者携带的能量是不同的。50升的汽油大约相当于450度电的能量,而电动车的50度电仅相当于5升多的汽油能量。
其次,随着车速的提升,电动车的能耗会显著增加。例如,在某款电动车中,当车速为60km/h时,百公里耗能约为3千瓦;而当车速提升至120km/h时,百公里耗能则增至10千瓦。
最后,电动车在不同车速下都能保持较高的效率,而燃油车的效率则普遍较低,且在低速行驶时效率更低。例如,在30-40km/h和100km/h的车速下,电动车的效率都能保持在80%-95%之间;而燃油车在相同的车速下,效率仅在5%-35%左右徘徊,且还需要考虑变速箱的效率损失。
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