文 王璽

基于底盤測(cè)功機(jī)的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程研究

文 王璽

本文從底盤測(cè)功機(jī)模擬汽車行駛阻力的原理入手，通過(guò)理論分析以及在底盤測(cè)功機(jī)上的試驗(yàn)驗(yàn)證，分析了影響純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的幾個(gè)可能因素。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，汽車已成為家庭必需品，然而快速增長(zhǎng)的汽車保有量也帶來(lái)了嚴(yán)重的污染和能源危機(jī)。為了緩解這一問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)家加大了對(duì)新能源汽車的投入與補(bǔ)貼。作為新能源汽車發(fā)展的一個(gè)重要方向，純電動(dòng)汽車的開發(fā)與研究已成為新能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程則是研究中最受關(guān)注的一個(gè)項(xiàng)目。為此，本文基于底盤測(cè)功機(jī)就純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程試驗(yàn)進(jìn)行研究，分析并驗(yàn)證了影響續(xù)駛里程的幾個(gè)因素。

底盤測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定依據(jù)

車輛在路面行駛時(shí)的阻力

汽車在水平道路上等速行駛時(shí)，必須克服來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力和來(lái)自空氣的空氣阻力。當(dāng)汽車在坡道上上坡行駛時(shí)，還必須克服重力沿坡道的分力，稱為坡度阻力。汽車加速行駛時(shí)還需要克服加速阻力。因此汽車行駛時(shí)總阻力為：

其中： Ff——滾動(dòng)阻力

Fw——空氣阻力

Fi——坡度阻力

Fj——加速阻力

滾動(dòng)阻力

車輪滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及相應(yīng)的輪胎和支承路面的變形，輪胎和支承面的相對(duì)剛度決定了變形的特點(diǎn)。當(dāng)彈性輪胎在硬路面上滾動(dòng)時(shí)，輪胎的變形是主要的，此時(shí)由于輪胎有內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失，使輪胎變形時(shí)對(duì)它作的功不能全部回收。正是輪胎的這種彈性遲滯損失造成了滾動(dòng)阻力。汽車行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力等于滾動(dòng)阻力系數(shù)與汽車負(fù)荷之積，其計(jì)算公式為：

式中：W ——汽車負(fù)荷（N）；

f ——輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)

空氣阻力

汽車在直線行駛時(shí)所受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力?？諝庾枇εc汽車相對(duì)速度v^2成正比，其計(jì)算公式為：

A —— 汽車迎風(fēng)面積（m2）

V —— 汽車行駛速度（km/h）

坡度阻力

坡度阻力是汽車在坡道路面上行駛時(shí)，汽車的重力在汽車行駛方向上的分力，坡度阻力計(jì)算公式為：

式中： M —— 汽車的質(zhì)量（kg）

g —— 重力加速度（m/s2）

α —— 坡道路面與水平萬(wàn)向的坡度角（。）

加速阻力

當(dāng)汽車在加速行駛時(shí)，除了需要克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力外，還需要克服其自身質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，該慣性力即為加速阻力。汽車加速阻力可表示為：

式中：δ—— 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)（δ＞1）

M —— 汽車的質(zhì)量（kg）

底盤測(cè)功機(jī)上加載的阻力

汽車在道路上行駛時(shí)，其電動(dòng)機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)化成了汽車輪胎與地面間的滾動(dòng)阻力消耗的功率、汽車內(nèi)部傳動(dòng)系所損耗的功率以及汽車路面行駛時(shí)的空氣阻力消耗的功率；而汽車在底盤測(cè)功機(jī)上行駛時(shí)的電動(dòng)機(jī)輸出功率等于驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)轂表面上的滾動(dòng)阻力消耗的功率、底盤測(cè)功機(jī)自身內(nèi)阻損耗的功率、測(cè)功器所吸收的功率、汽車內(nèi)部傳動(dòng)系所損耗的功率和驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)轂表面打滑消耗的功率之和?？捎霉奖硎緸椋?/p>

式中： P ——電動(dòng)機(jī)的輸出功率

Pt——路面行駛時(shí)汽車內(nèi)部傳動(dòng)系所損耗的功率；

Pf——汽車輪胎與地面間的滾動(dòng)阻力消耗的功率；

Pw——汽車路面行駛時(shí)空氣阻力消耗的功率；

Pt′——底盤測(cè)功機(jī)上行駛時(shí)汽車內(nèi)部傳動(dòng)系所損耗的功率；

Pfc——汽車驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)轂表面上的滾動(dòng)阻力消耗的功率；

Po——底盤測(cè)功機(jī)自身內(nèi)阻損耗的功率；

Pdy——測(cè)功器所吸收的功率即加載阻力所消耗的功率；

Ps——驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)轂表面打滑消耗的功率。

由于路面行駛時(shí)汽車內(nèi)部傳動(dòng)系所損耗的功率與在底盤測(cè)功機(jī)上行駛時(shí)汽車內(nèi)部傳動(dòng)系所損耗的功率相等，且驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)轂表面打滑消耗的功率非常小，可以忽略不計(jì)，因此式（6）可簡(jiǎn)化為：

根據(jù)功率與力的關(guān)系：功率等于力與速度的乘積，所以當(dāng)汽車在道路路面行駛速度與汽車在底盤測(cè)功機(jī)上行駛速度一樣時(shí)，可以對(duì)式（7）轉(zhuǎn)換成力的關(guān)系式，如下式所示：

式中：Ff——汽車在實(shí)際道路路面滑行時(shí)的滾動(dòng)阻力

Fw——汽車在實(shí)際道路路面滑行時(shí)的空氣阻力

Ffc——驅(qū)動(dòng)輪在底盤測(cè)功機(jī)上的滾動(dòng)阻力

Fo——臺(tái)架內(nèi)阻

Fdy——臺(tái)架加載阻力

因此底盤測(cè)功機(jī)上應(yīng)設(shè)定的阻力為：

底盤測(cè)功機(jī)阻力的加載方式

根據(jù)GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》要求，可采用標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力（F=a+bv2）和車輛實(shí)際道路滑行阻力對(duì)底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行設(shè)定。使用標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力進(jìn)行加載時(shí)，系數(shù)a、b由車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量決定（表1），其中車輛基準(zhǔn)質(zhì)量為汽車的整備質(zhì)量加100kg。由式（8）可知，采用車輛實(shí)際道路滑行阻力進(jìn)行加載時(shí)，車輛在道路上的阻力與底盤測(cè)功機(jī)上的阻力存在差異。車輛在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)阻力由兩部分組成，分別為車輛內(nèi)阻和底盤測(cè)功機(jī)設(shè)定阻力。車輛內(nèi)阻可由底盤測(cè)功機(jī)滑行測(cè)得，因此道路滑行總阻力減去車輛的內(nèi)阻即為式（9）中底盤測(cè)功機(jī)的設(shè)定阻力Fdy。

表1 標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力

影響續(xù)駛里程的原因分析

為了驗(yàn)證各因素對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)采用控制變量法。每一組試驗(yàn)均選用同一輛樣車，除被研究的影響因素不同外，其他因素均保持一致。

工況不同

車輛在道路上的行駛狀況可用加速、減速、勻速和怠速等一些參數(shù)來(lái)反映，通過(guò)對(duì)這種運(yùn)動(dòng)特征的調(diào)查和解析，繪制出能夠代表車輛運(yùn)動(dòng)狀況，表達(dá)形式為速度——時(shí)間的曲線，即為車輛工況工況圖。

根據(jù)GB/T18386-2005《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》要求，M1類純電動(dòng)汽車可采用工況法（NEDC工況）和等速法（60km/h等速工況）進(jìn)行續(xù)駛里程試驗(yàn)。同時(shí)，在一定條件下也允許只采用市區(qū)循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 不同工況下續(xù)駛里程比較

表2為奇瑞SQR6440BEVK06在兩種不同工況下的續(xù)駛里程及能量消耗率，其中60km/h等速工況的能量消耗率相對(duì)較小，續(xù)駛里程長(zhǎng)達(dá)278km，而NEDC工況下的續(xù)駛里程為204km。NEDC工況下雖然平均車速較低僅為33.6km/h，但由于工況中剎車和啟動(dòng)較為頻繁，增加了能量的損耗，因此續(xù)駛里程低于60km/h等速工況。

加載方式不同

根據(jù)GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》要求，可采用標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力（F=a+bv2）和車輛實(shí)際道路滑行阻力對(duì)底盤測(cè)功機(jī)上的阻力進(jìn)行設(shè)定。圖1為啟辰E30純電動(dòng)汽車采用兩種不同加載方式時(shí)的速度——阻力圖，采用標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力在底盤測(cè)功機(jī)上完成的續(xù)駛里程為174km，采用實(shí)際道路滑行阻力在底盤測(cè)功機(jī)上完成的續(xù)駛里程為186km。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力和道路滑行阻力速度曲線

由圖1可知，樣車標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力和車輛實(shí)際道路滑行阻力之間存在較大差異，標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力在低速段阻力小于實(shí)際道路滑行阻力，車速為0km/h時(shí)差值最大，約為70N；標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力在中高速段阻力大于實(shí)際道路滑行阻力，車速為120km/h時(shí)差值最大，約為170N，兩曲線交點(diǎn)在70km/h左右。如根據(jù)GB/T18386-2005《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，采用60km/h等速法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由圖1可知兩者阻力相差不大，若采用NEDC工況法進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)論市區(qū)循環(huán)還是市郊循環(huán)，阻力均存在較大差異。由表3統(tǒng)計(jì)可知，NEDC市郊工況所占理論行駛里程占據(jù)整個(gè)NEDC工況約63%的理論行駛距離，由此可見，市郊工況的能耗高低對(duì)樣車的續(xù)駛里程產(chǎn)生更大的影響。另一方面，樣車在高速段時(shí)兩種加載方式的差值大于低速段的差值，因此與實(shí)際滑行阻力相比，標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力在低速段少消耗的能量小于在高速段多消耗的能量。綜上所述，采用標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力加載進(jìn)行NEDC工況試驗(yàn)時(shí)，消耗的能量大于實(shí)際道路滑行阻力，而車輛的續(xù)駛里程也隨著能量消耗量的增加而減小。

表3 NEDC市區(qū)工況和市郊工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

行駛車速不同

表4為長(zhǎng)城CC7000CE02BEV分別在NEDC市區(qū)工況和NEDC市郊工況下，采用標(biāo)準(zhǔn)推薦阻力進(jìn)行加載后在底盤測(cè)功機(jī)上完成的續(xù)駛里程及能量消耗率。其中，市郊工況續(xù)駛里程為135km，比市區(qū)工況續(xù)駛里程少了20%。由表3可知，市郊工況的平均車速為62.6km/h，遠(yuǎn)大于市區(qū)的19.0km/h。在高速運(yùn)行時(shí)，由于純電動(dòng)汽車大多未配備變速箱，電機(jī)接近于最大功率輸出，能量消耗巨大，與此同時(shí)大功率輸出時(shí)電機(jī)發(fā)熱相應(yīng)提升，降低了電機(jī)的工作效率，也縮短了車輛的續(xù)駛里程。

表4 續(xù)駛里程及能量消耗率

結(jié)束語(yǔ)

影響純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的因素有很多，本文通過(guò)樣車在底盤測(cè)功機(jī)上的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出以下結(jié)論：相同條件下，在車速較為穩(wěn)定的工況下行駛，采用車輛實(shí)際道路滑行阻力對(duì)底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載，以較低的車速行駛都將提高轎車的續(xù)駛里程。

（作者就職于上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心新能源機(jī)動(dòng)車檢測(cè)技術(shù)研究所）