《北京汽車》2023年第5期

關(guān)永康，方普鋒等

摘 要：對越野車沙漠場景行駛工況進(jìn)行分析，將典型的沙漠穿越和玩沙工況重新組合，構(gòu)建一個比較合理的考核雙模越野車熱管理與保電性能的綜合工況。通過進(jìn)一步分析四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架與四電機(jī)能量流臺架的控制模式發(fā)現(xiàn)，將沙漠越野行駛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換后輸入臺架可實(shí)現(xiàn)工況復(fù)現(xiàn)測試；將臺架測試結(jié)果與實(shí)車數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，臺架測試的等效程度滿足預(yù)期，說明在臺架上復(fù)現(xiàn)復(fù)雜的沙漠越野行駛工況完全可行。

關(guān)鍵詞：越野車；沙漠工況；四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架；四電機(jī)能量流臺架

0 引 言

沙漠全地形越野過程中，坡度隨穿越沙山不同而快速動態(tài)變化，并且沙子軟硬程度不同會導(dǎo)致輪胎與路面的附著條件非常復(fù)雜。在沙漠越野時，由于陷沙、刨沙、推沙等情況導(dǎo)致車輛行駛阻力變大，輪端功率增加，這對車輛動力性提出很高要求；同時疊加強(qiáng)光照、高環(huán)境溫度、高地表溫度等因素，對雙模越野車的熱管理與保電性能提出嚴(yán)苛要求。

由于沙漠越野工況的標(biāo)定、匹配、驗(yàn)收等測試只能在現(xiàn)場完成，這會帶來試驗(yàn)周期長、人員及車輛安全風(fēng)險高、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)高等問題。將越野車沙漠工況試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為常規(guī)臺架試驗(yàn)顯得尤為重要，但將復(fù)雜的沙漠越野場景進(jìn)行臺架復(fù)現(xiàn)難度較大，本文驗(yàn)證了采用常用的轉(zhuǎn)鼓臺架和四電機(jī)臺架復(fù)現(xiàn)沙漠工況的可行性，使越野車可以在開發(fā)階段不受地域與環(huán)境影響開展沙漠工況測試，提前識別產(chǎn)品風(fēng)險點(diǎn)，進(jìn)而縮短開發(fā)周期。

1 沙漠工況

內(nèi)蒙古阿拉善騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠具有多條典型的沙漠穿越行駛路線，通過采集其中的穿越與玩沙工況，設(shè)計雙模越野車沙漠綜合工況，以考核雙模越野車的熱管理與保電性能。

圖1 為沙漠綜合工況，包括4 個典型越野行車場景（沙漠穿越、小V 溝刷鍋、大V 溝直拔沖坡、書記鍋往返沖坡） 和3 個沙地模式怠速發(fā)電場景，模擬越野玩家進(jìn)行沙漠全地形越野。

圖1 沙漠綜合工況

本次臺架模擬主要為考核車輛保電及熱管理性能，保電和熱管理性能的主要影響指標(biāo)為平均車速和平均輪端功率，最大輪端工況作為參考項(xiàng)?；谇捌诮?jīng)驗(yàn)，當(dāng)臺架實(shí)車對比平均車速誤差≤3%、平均輪端功率≤5%時即認(rèn)為臺架復(fù)現(xiàn)有效。

2 四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架試驗(yàn)

2.1 臺架控制模式

通過四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架可以進(jìn)行整車性能檢測。轉(zhuǎn)鼓臺架利用加載裝置模擬鋪裝路面（水泥或?yàn)r青） 的車輛行駛阻力，其主要控制模式有3 個[1]：（1） 恒轉(zhuǎn)速模式，轉(zhuǎn)鼓臺架在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速方向不變，負(fù)載大小和方向取決于測功機(jī)，該控制模式主要用于汽車驅(qū)動力的測試；（2） 恒轉(zhuǎn)矩模式，轉(zhuǎn)鼓臺架在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩方向不變，轉(zhuǎn)速大小取決于測功機(jī)，該控制模式主要用于汽車自動道路負(fù)載試驗(yàn)；（3） 慣量模擬模式：模擬鋪裝路面行駛，按照車輛滑行阻力方程式（1） 進(jìn)行阻力加載，其中需要為臺架輸入道路模擬譜，即車速V 和X 軸傾角α。

F滑行阻力=A+BV+CV 2          （1）

式中：F滑行阻力為車輛滑行阻力；A 為滾動阻力系數(shù)；B 為傳動阻力一次項(xiàng)系數(shù)；C 為空氣阻力二次項(xiàng)系數(shù)；V為車速。

2.2 臺架參數(shù)

為使轉(zhuǎn)鼓臺架適于模擬沙漠越野行駛工況，臺架控制模式選取慣量模擬模式。為考核車輛電量平衡和熱管理性能，臺架加載車速應(yīng)和道路實(shí)測車速一致，并通過調(diào)整臺架加載F滑行阻力和X 軸傾角確保車輛平均輪端功率與實(shí)測一致。

測量車輛滑行阻力的方法主要有道路滑行法和等速下扭矩測量法兩種，目前較多采用道路滑行法[2]。汽車在鋪裝水平路面的滑行阻力主要包括輪胎阻力、傳動系阻力和空氣阻力，式（1） 中阻力系數(shù)A、B、C值確定后可以計算任意車速下滑行阻力值。

圖2 為雙模越野車型在阿拉善沙漠天鵝湖和鋪裝公路實(shí)測的滑行阻力曲線對比，前者滑行阻力曲線為y=3588+11x+0.12x2，后者滑行阻力曲線為y=304+1.81x+0.12x2，其中x 為車速，y 為滑行阻力，可以看出，沙漠工況的滾動阻力系數(shù)A 和傳動阻力一次項(xiàng)系數(shù)B 均大于公路鋪裝路面，空氣阻力二次項(xiàng)系數(shù)二者相同。沙漠不屬于鋪裝路面，其車輛滑行阻力影響因素多，包括沙子深淺、濕度、軟硬、車輛胎壓、車重等，各種因素綜合作用，圖2 中滑行阻力曲線僅表示阿拉善沙漠天鵝湖的特點(diǎn)，不代表其他沙漠工況，因此臺架模擬選用圖2 中沙漠工況滑行阻力會存在一定誤差。

臺架控制模式僅可以加載固定滑行阻力，參考圖2 中曲線進(jìn)行加載，并通過修正X 軸傾角α 實(shí)現(xiàn)輪端驅(qū)動力等效以彌補(bǔ)上述誤差。

圖2 不同路面的滑行阻力曲線

臺架加載X 軸傾角α 可通過式（2） 汽車動力學(xué)公式 [3] 計算得到

Ft=F滑行阻力+Fi+Fj              （2）

式中：Ft為車輛驅(qū)動力；F滑行阻力可由式（1） 計算得到；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

坡度阻力Fi為

Fi=mg·sinα                       （3）

式中：m為雙模越野車質(zhì)量，取值3 550 kg；g 為重力加速度，取值9.8 m/s2；α 為X軸傾角。

加速阻力Fj 為

Fj  = ma                            （4）

式中：a為車輛加速度，通過車速對時間求導(dǎo)計算得到。

通過式（2）、（3） 仿真計算得到修正后臺架加載X軸傾角α。

以小V 溝刷鍋工況為例，得到實(shí)車測試與臺架加載的路譜曲線，如圖3、4 所示。

圖3 實(shí)車車速及臺架加載車速

圖4 實(shí)車X 軸傾角及臺架加載X 軸傾角

2.3 實(shí)車對比

采用雙模越野車沙漠滑行阻力曲線、車速和X軸傾角曲線進(jìn)行四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架試驗(yàn)，并對比實(shí)車試驗(yàn)，結(jié)果如圖5、6 所示。圖5 中臺架測試車速基本跟隨實(shí)車車速，平均車速偏差為3%，符合試驗(yàn)預(yù)期；圖6 中臺架的輪端功率基本跟隨實(shí)車測試結(jié)果，輪端平均功率的臺架測試值為147 kW，與實(shí)車測試值144 kW基本一致，符合預(yù)期，但最大輪端功率臺架測試值為350 kW，與實(shí)車測試值450 kW差異較大。臺架測試可用于開發(fā)與驗(yàn)證越野車型的沙漠越野熱管理性能和電平衡能力，但無法復(fù)現(xiàn)車輪瞬態(tài)打滑導(dǎo)致的輪端功率突升工況。

圖5 實(shí)車與臺架測試車速對比

圖6 實(shí)車與臺架測試輪端功率對比

3 四電機(jī)能量流臺架試驗(yàn)

3.1 臺架控制模式

四電機(jī)能量流臺架通過拆除車輪并使用工裝與傳動軸連接，即將臺架的4 個電機(jī)作為車輪，通過加載裝置為轉(zhuǎn)鼓施加負(fù)載模擬車輛在鋪裝道路的行駛阻力，其主要控制模式有3 個：（1） 加速踏板速度模式，加速踏板控制驅(qū)動電機(jī)，速度控制負(fù)載電機(jī)；（2） 扭矩速度模式，扭矩控制驅(qū)動電機(jī)，速度控制負(fù)載電機(jī)；（3） 慣量模擬模式，按照車輛滑行阻力方程式（1） 進(jìn)行力加載，其中需要為臺架輸入道路模擬譜，即車速V和X軸傾角α。

3.2 臺架參數(shù)

臺架測試采用加速踏板速度模式，通過控制車速和加速踏板深度實(shí)現(xiàn)沙漠越野工況復(fù)現(xiàn)。臺架加載車速與實(shí)車測試車速保持一致，臺架加載加速踏板深度可通過車輛加速踏板MAP 表得到，雙模越野車沙地模式加速踏板MAP如圖7 所示。

圖7 雙模越野車沙地模式加速踏板MAP

以沙漠刷鍋工況為例，將車速與加速踏板深度信號去除尖點(diǎn)、毛刺等異常數(shù)據(jù)，得到車速、加速踏板深度曲線，如圖8、9 所示。

圖8 臺架加載車速曲線

圖9 臺架加載加速踏板深度曲線

3.3 實(shí)車對比

將車速和加速踏板深度信號輸入四電機(jī)能量流臺架進(jìn)行測試，如圖10、11 所示，圖10 中臺架測試車速基本跟隨實(shí)車車速，平均車速偏差為1%，符合試驗(yàn)預(yù)期；圖11 為臺架輪端功率趨勢與峰值跟隨實(shí)車測試結(jié)果的情況，輪端平均功率臺架測試值為141 kW，與實(shí)車測試值144 kW基本一致，符合預(yù)期。通過臺架測試可以復(fù)現(xiàn)沙漠越野工況車速及輪端功率動態(tài)變化過程，能夠真實(shí)地驗(yàn)證熱管理與保電性能，尤其可復(fù)現(xiàn)車輪瞬態(tài)打滑導(dǎo)致輪端功率突升的工況。

圖10 實(shí)車與臺架測試車速對比

圖11 實(shí)車與臺架測試輪端功率對比

4 兩臺架試驗(yàn)對比

轉(zhuǎn)鼓臺架與四電機(jī)能量流臺架復(fù)現(xiàn)沙漠工況結(jié)果對比見表1。

表1 兩臺架復(fù)現(xiàn)沙漠工況結(jié)果對比

由表1 可知，四電機(jī)能量流臺架復(fù)現(xiàn)沙漠工況的能力明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)鼓臺架，并且可以復(fù)現(xiàn)車輪瞬態(tài)打滑導(dǎo)致輪端功率突升的工況，可進(jìn)一步考核車輛動力性能。對轉(zhuǎn)鼓臺架與四電機(jī)能量流臺架復(fù)現(xiàn)的沙漠工況進(jìn)行整車保電和熱管理性能考核，均符合預(yù)期要求，為有效驗(yàn)證這兩項(xiàng)性能提供可能。

5 結(jié)束語

通過分析越野車沙漠行駛工況構(gòu)建一個比較合理的沙漠越野綜合工況，并通過分析四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架與四電機(jī)能量流臺架的控制模式，對沙漠越野綜合工況進(jìn)行臺架測試，結(jié)果表明，臺架測試的等效程度符合預(yù)期要求，為驗(yàn)證雙模越野車熱管理與保電性能提供可能。

參考文獻(xiàn)

[1]姜玉萍. 交流電力式底盤測功機(jī)的研究與開發(fā)[D]. 煙臺：煙臺大學(xué)，2017.

[2]王甲. 汽車道路阻力測算方法研究[J]. 北京汽車，2018 （5）：6-10，46.

[3]劉會康 . 輪轂電機(jī)驅(qū)動混合動力越野車能量管理策略研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2019.