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純電動(dòng)汽車(chē)道路滑行阻力試驗(yàn)影響因素淺析

2021-01-08 23:37:54·  來(lái)源：威馬汽車(chē)科技集團(tuán)成都研究院  
　
引言純電動(dòng)汽車(chē)道路滑行阻力試驗(yàn)是節(jié)能減排的一個(gè)基礎(chǔ)試驗(yàn)，電動(dòng)汽車(chē)能耗及續(xù)駛里程、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能的研究都是建立在滑行阻力試驗(yàn)的基礎(chǔ)前提下的。近年來(lái)，隨著各
引言

純電動(dòng)汽車(chē)道路滑行阻力試驗(yàn)是節(jié)能減排的一個(gè)基礎(chǔ)試驗(yàn)，電動(dòng)汽車(chē)能耗及續(xù)駛里程、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能的研究都是建立在滑行阻力試驗(yàn)的基礎(chǔ)前提下的。近年來(lái)，隨著各地加強(qiáng)排放實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)V向國(guó)VI的逐漸過(guò)渡，排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛，如何進(jìn)行精準(zhǔn)的道路滑行試驗(yàn)測(cè)定滑行阻力以及優(yōu)化汽車(chē)行駛阻力已經(jīng)成為了一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

1  電動(dòng)汽車(chē)道路滑行

1.1  滑行試驗(yàn)理論基礎(chǔ)

純電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，阻礙車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的阻力稱(chēng)之為行駛阻力，包括滾動(dòng)阻力Fr、空氣阻力Fa、坡道阻力Fg、電機(jī)和車(chē)輪等旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力（加速阻力），車(chē)輛行駛過(guò)程中的受力圖如圖1所示，不考慮慣性的驅(qū)動(dòng)力和阻力可用如下力學(xué)方程表示：
 
進(jìn)行道路滑行試驗(yàn)的主要意義在于測(cè)定行駛總阻力，運(yùn)用牛頓第二定律，實(shí)現(xiàn)將運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)連接轉(zhuǎn)換，將汽車(chē)行駛總阻力表征為速度的二元方程，如下：

F=av2+bv+c

目前，國(guó)內(nèi)汽車(chē)滑行測(cè)試主要是依據(jù)《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》(GB18352.5-2013)附件CH汽車(chē)道路載荷的測(cè)量以及《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》(GB18352.6-2016)附錄CC.4道路載荷的測(cè)定，在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)時(shí)大部分采用固定式風(fēng)速儀滑行法進(jìn)行測(cè)試，少數(shù)采用車(chē)載風(fēng)速儀法測(cè)試。

國(guó)V與國(guó)VI固定式風(fēng)速儀滑行法的主要差異在于對(duì)于時(shí)間值的計(jì)算前者采用算術(shù)平均值后者采用加權(quán)平均值、修正到基準(zhǔn)狀態(tài)的方法不同以及國(guó)VI中引入了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量（慣性力）的概念。國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)附錄CC.4中新增了車(chē)載風(fēng)速儀滑行法，與美標(biāo)SAEJ2263方法一致。
 
1.2  實(shí)車(chē)試驗(yàn)實(shí)施

本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是基于長(zhǎng)期積累的試車(chē)場(chǎng)的實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)GB18352.5-2013附件CH汽車(chē)道路載荷的測(cè)量，按照國(guó)V的方法進(jìn)行試驗(yàn)并修正到基準(zhǔn)狀態(tài)（20℃，100kPa）。試驗(yàn)樣車(chē)為多款純電動(dòng)SUV，基于長(zhǎng)期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，采用單一變量法對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)考證，主要研究了溫度、胎壓、輪轂封閉、輪胎磨損程度、滾阻系數(shù)、整備質(zhì)量等對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)滑行阻力的影響。試驗(yàn)多數(shù)在重慶西部綜合試驗(yàn)場(chǎng)完成，亦有在鹽城試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的實(shí)車(chē)測(cè)試，試驗(yàn)條件都完全滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求并按照國(guó)標(biāo)要求程序進(jìn)行。
試驗(yàn)設(shè)備主要采用Racelogic公司的VBOX3i數(shù)據(jù)采集器以及Dewesoft公司高精度100HzGPS接收機(jī)和慣性測(cè)量單元（IMU），支持最精確地基于位置的測(cè)試和測(cè)量。
 
 
2  數(shù)據(jù)處理及驗(yàn)證滑行影響因素分析

2.1  四輪定位的影響

試驗(yàn)樣車(chē)為4×2前橫置前驅(qū)、5門(mén)5座純電SUV，承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，匹配單級(jí)減速器。因車(chē)輛出廠后只能調(diào)節(jié)前束角，在保持其它參數(shù)一致且在正常范圍值內(nèi)的條件下調(diào)整左右輪前束為0分和12分，分別進(jìn)行了一次試驗(yàn)，詳細(xì)四輪定位參數(shù)如下：

 
在0’和12’前束角分別進(jìn)行滑行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度32度，整備質(zhì)量1742kg，試驗(yàn)質(zhì)量1842kg，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理擬合并按照國(guó)V方法修正至基準(zhǔn)狀（20℃，100kPa），各速度點(diǎn)對(duì)應(yīng)阻力及曲線如圖X。
 
 
綜合表3以及圖4可以得出，0’和12’前束角在滑行阻力差異均值為0.52%，由圖4看出兩條曲線差異極小，引入試驗(yàn)誤差的影響，可以認(rèn)為，在前束角正常值范圍內(nèi)，前束角的大小對(duì)于滑行阻力的影響極其微小。

2.2  輪胎氣壓影響

本次試驗(yàn)采用一臺(tái)純電SUV，試驗(yàn)質(zhì)量1993kg，試驗(yàn)平均溫度28℃，兩次試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，僅胎壓改變，阻力按國(guó)V校準(zhǔn)至基準(zhǔn)狀態(tài)（20℃，100kPa）。

 
為了便于更為直觀地在試驗(yàn)中體現(xiàn)胎壓對(duì)于滑行阻力的影響，試驗(yàn)選取了相差0.8bar的低胎壓1.8bar和正常范圍的胎壓2.4bar進(jìn)行試驗(yàn)，這是因?yàn)楫?dāng)胎壓在推薦值范圍內(nèi)且差距太小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果并沒(méi)有明顯的差異。從表4和圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，胎壓對(duì)于滑行阻力實(shí)際是存在影響的，胎壓越高，滑行阻力越小。從表中數(shù)據(jù)可以得出，胎壓1.8bar與2.4bar，升高0.6bar，滑行阻力平均降低5.8%。根據(jù)實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)胎壓高于2.4bar以后繼續(xù)升高胎壓對(duì)于滑行阻力的影響將會(huì)變得很小，這一點(diǎn)從文獻(xiàn)4中的胎壓測(cè)試也可以得到驗(yàn)證。對(duì)于不同速度點(diǎn)的滑行阻力，胎壓的影響隨著速度的增大而逐漸降低。其根本原因在于，胎壓過(guò)低，輪胎與地面的接觸面積變大，變形量增大，從而增加了由遲滯損失形成的滾動(dòng)阻力。

2.3  封閉輪轂的影響

本次試驗(yàn)使用同一臺(tái)純電SUV進(jìn)行，試驗(yàn)質(zhì)量1842kg，采用控制變量法，兩次試驗(yàn)分別輪轂封閉與不封閉進(jìn)行，得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

 
從表5和圖6中可以得出，封閉輪轂與不封閉輪轂相比，其滑行阻力在速度80km/h以上開(kāi)始明顯減小，且速度越高降幅越大，在速度大于100km/h以上封閉輪轂對(duì)于滑行阻力的優(yōu)化能達(dá)到2%以上。封閉輪轂主要因?yàn)闅饬髟蚪档土丝諝庾枇^而減小了高速段滑行阻力，但對(duì)低于速度80km/h的滑行阻力封閉輪轂影響不夠明顯。

2.4  整備質(zhì)量的影響

通過(guò)同一臺(tái)試驗(yàn)車(chē)配重到不同重量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)在同一天進(jìn)行。試驗(yàn)溫度23~27℃。阻力按國(guó)V校準(zhǔn)至基準(zhǔn)狀態(tài)（20℃，100kPa）。
 
 
從表6和圖7中可以看出，整備質(zhì)量與滑行阻力的關(guān)系是正相關(guān)的，但是在整備質(zhì)量差異超過(guò)100kg以上時(shí)，試驗(yàn)所得出的滑行阻力差異才會(huì)相對(duì)明顯；由于試驗(yàn)誤差的存在，微小的差異無(wú)法在試驗(yàn)中準(zhǔn)確得到，可輔之以軟件仿真驗(yàn)證。對(duì)比1800kg與1920kg的滑行阻力差異，其在速度20~120km/h，步長(zhǎng)為10km/h下的滑行阻力增加分別為：11.12%、6.75%、7.01%、6.79%6.32%、5.77%、5.19%、4.64%、4.12%、3.65%、3.22%，平均增幅5.87%，由此可以得出，整備質(zhì)量增加120kg，滑行阻力平均增幅約5%。

2.5  輪胎寬度、橡膠材料的影響

同一試驗(yàn)樣車(chē)，更換已磨合3000km以上，輪胎花紋深度≥75%的不同滾阻的輪胎依次進(jìn)行輪胎對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)使用A品牌215/60R17、B品牌215/60R17、B品牌225/55R18進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。三種輪胎摩擦系數(shù)對(duì)比如下：

 
從表8和圖8中可以看出，使用三種輪胎滑行阻力大小依次為：A品牌R17＞B品牌R18＞B品牌R17，這與表4中三種輪胎的摩擦系數(shù)大小也是非常吻合的，說(shuō)明輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)與滑行阻力是正相關(guān)的，滾阻系數(shù)每增大0.3‰，滑行阻力平均增幅約3%~5%。

同品牌的B品牌輪胎225/55R18與B品牌215/60R17相比，其在速度20~120km/h，步長(zhǎng)為10km/h下的滑行阻力增加分別為8.04%、5.58%、3.93%、2.93%、2.39%、2.15%、2.09%、2.14%、2.24%、2.38%、2.54%，平均增幅3.31%，

這表明輪胎寬度越寬滑行阻力越大，且輪胎寬度對(duì)滑行阻力的影響隨著速度增加逐漸減小，這是因?yàn)樵诘退俣位凶枇χ袧L阻占比較大，而輪胎寬度的增大主要通過(guò)增大與地面的接觸面積從而增加了輪胎的遲滯損失，繼而使?jié)L動(dòng)阻力增大。
 
不同品牌相同輪胎寬度的A品牌215/60R17與B品牌215/60R17相比，其在速度20~120km/h，步長(zhǎng)為10km/h下的滑行阻力增加分別為:12.7%、10.10%、7.92、6.23%、5.00%、4.10%、3.46%、3.00%、2.66%、2.42%、2.25%，平均增幅5.44%。可以得出，在輪胎寬度和扁平比相同的情況下，A品牌輪胎由于橡膠材料損耗因子大而導(dǎo)致了更多的遲滯損失，使得其滑行阻力相比低滾阻的B品牌輪胎要大許多；同時(shí)，也由于二者輪胎的結(jié)構(gòu)特性差異也對(duì)之產(chǎn)生了影響。

2.6  不同試驗(yàn)場(chǎng)的影響

試驗(yàn)車(chē)輛為同一輛純電SUV，在重慶西部試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)后，運(yùn)輸往鹽城汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)都選在早晨或傍晚進(jìn)行以避免過(guò)大的太陽(yáng)暴曬路面產(chǎn)生影響而產(chǎn)生修正偏差，試驗(yàn)平均風(fēng)速均小于3m/s，試驗(yàn)條件符合國(guó)標(biāo)要求。將試驗(yàn)結(jié)果校準(zhǔn)溫度和氣壓到基準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如下：
 
從圖9中可以看出，同一臺(tái)車(chē)在兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)大氣壓和溫度的修正，可以認(rèn)為這二者的影響是微乎其微的，試驗(yàn)結(jié)果的差異主要在于兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的路面附著系數(shù)不一樣，鹽城試驗(yàn)場(chǎng)的附著系數(shù)較西部試驗(yàn)場(chǎng)大。

2.7  溫度的影響

本次試驗(yàn)采用一款純電SUV，試驗(yàn)質(zhì)量1993kg。試驗(yàn)同一天進(jìn)行，大氣溫度恒為30±2℃，試驗(yàn)分別在中午陽(yáng)光直射地面溫度達(dá)到60℃以上與傍晚無(wú)陽(yáng)光地面溫度降低至35℃左右進(jìn)行。在5~40℃大氣溫度、地表溫度與大氣溫度接近的情況下，同一車(chē)輛滑行阻力按照國(guó)V的公式修正到基準(zhǔn)狀態(tài)是可以修正到基本一致的。本次試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證路面溫度與大氣溫度差異過(guò)大時(shí)的影響。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理擬合并按照國(guó)V方法修正至基準(zhǔn)狀（20℃，100kPa），各速度點(diǎn)對(duì)應(yīng)阻力及曲線如下：

 
從表10和圖10中可以得出，當(dāng)路面受太陽(yáng)直射路面溫度高于大氣溫度很多時(shí)，對(duì)滑行阻力有影響，具體表現(xiàn)為路面溫度越高，滑行阻力越小，且這種影響速度低于80km/h的滑行阻力影響更加明顯，平均阻力變化率超過(guò)7.6%。這是因?yàn)椋环矫媸荜?yáng)光直射暴曬影響，瀝青路面會(huì)軟化導(dǎo)致路面附著系數(shù)降低；另一方面，從文獻(xiàn)1中得到的圖11分析出，當(dāng)路面溫度過(guò)高于大氣溫度時(shí)，輪胎的損耗因子也會(huì)急劇降低進(jìn)而導(dǎo)致輪胎滾阻減小。而國(guó)V的修正公式是基于大氣溫度修正滑行阻力的，當(dāng)路面溫度超出大氣溫度過(guò)多時(shí)，已經(jīng)無(wú)法準(zhǔn)確修正滑行阻力。綜合以上原因，導(dǎo)致了陽(yáng)光暴曬下的路面滑行阻力比無(wú)陽(yáng)光照射路面滑行阻力要小。
 
3  總結(jié)

本文通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)研究驗(yàn)證了四輪定位、輪胎氣壓、是否封閉輪轂、整備質(zhì)量、輪胎寬度、橡膠材料、不同試驗(yàn)場(chǎng)、溫度等因素對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)滑行阻力的影響，除此之外，對(duì)于純電車(chē)型，涉及到電機(jī)和能量回收，傳動(dòng)系內(nèi)部阻力也是影響滑行阻力的一個(gè)重要因素，這一點(diǎn)還有待研究考證。本文主要試驗(yàn)研究結(jié)論如下：

1）四輪定位前束角在正常值范圍內(nèi)對(duì)于滑行阻力的影響極其微小，可以忽略。

2）輪胎氣壓越高，滑行阻力越小。輪胎推薦胎壓以上繼續(xù)增加胎壓試驗(yàn)研究顯示對(duì)阻力影響程度較小；低于推薦胎壓值以下降低胎壓影響較為顯著，升高0.6bar，阻力平均降幅約5.8%。

3）整備質(zhì)量越大，滑行阻力越大。但整備質(zhì)量差異過(guò)小試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法體現(xiàn)，試驗(yàn)顯示，整備質(zhì)量增加120kg，20～120km/h，各速度點(diǎn)滑行阻力增幅在11%～3%不等，阻力平均增幅約5%。

4）封閉輪轂可以?xún)?yōu)化汽車(chē)高速滑行阻力。具體表現(xiàn)為：速度大于100km/h，封閉輪轂可以?xún)?yōu)化阻力2%以上。

5）輪胎寬度越寬，滑行阻力越大；橡膠材料損耗因子越大，滑行阻力越大。直接體現(xiàn)在滾阻系數(shù)上，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，滾阻系數(shù)每增大0.3‰，滑行阻力平均增幅約3%~5%。

6）不同試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果不一，主要由于地面附著系數(shù)與路面坡度原因?qū)е隆?/div>

7）無(wú)修正前提下，溫度越高滑行阻力越小。而基于國(guó)五公式的修正前提下，環(huán)境溫度在5～40℃無(wú)太陽(yáng)暴曬情況下路面試驗(yàn)，滑行阻力可以修正到基準(zhǔn)狀態(tài)且差異不明顯；另一方面，有太陽(yáng)暴曬的情況下的路面試驗(yàn)修正結(jié)果會(huì)偏小。
 
 
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