熊福明，崔川揚(yáng)，黃俊

純電動(dòng)汽車(chē)道路滑行阻力試驗(yàn)影響因素淺析

熊福明，崔川揚(yáng)，黃俊

（威馬汽車(chē)科技集團(tuán)成都研究院，四川 成都 610000）

汽車(chē)道路滑行阻力測(cè)試是研究電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、能耗及續(xù)駛里程的基礎(chǔ)試驗(yàn)，文章主要通過(guò)實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)研究影響道路滑行阻力的因素，通過(guò)控制變量法進(jìn)行道路試驗(yàn)，改變?cè)囼?yàn)參數(shù)，分別驗(yàn)證四輪定位、輪胎氣壓、是否封閉輪轂、整備質(zhì)量、輪胎寬度、橡膠材料、地面摩擦系數(shù)、溫度等等因素對(duì)于滑行阻力的影響。最終通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析、曲線對(duì)比等得出了結(jié)論：輪胎氣壓、封閉輪轂、整備質(zhì)量、輪胎寬度、橡膠材料、地面摩擦系數(shù)、溫度等主要因素對(duì)滑行阻力都有一定的影響，正常范圍值內(nèi)的四輪定位的影響極其微小。

滑行阻力；電動(dòng)汽車(chē)；道路試驗(yàn)；整車(chē)性能

引言

隨著氣候變化和城市污染問(wèn)題日益突出，為節(jié)能減排，我國(guó)大力發(fā)展新能源汽車(chē)，特別是純電動(dòng)汽車(chē)這一領(lǐng)域。而純電動(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)的阻力稱之為行駛阻力，包括滾動(dòng)阻力F、空氣阻力F、坡道阻力F、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：

考慮慣性力的力平衡關(guān)系如下：

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：

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）》( GB 18352.5-2013) 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）》( GB 18352.6-2016) 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)SAE J2263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VBOX 3i數(shù)據(jù)采集器以及Dewesoft公司高精度100Hz GPS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。

圖2 VBOX 3i示意圖

圖3 Dewesoft GPS及IMU圖

表1 VBOX 3i GPS規(guī)格表

備注：** CEP = Circle of Error Probable圓概率誤差，95% CEP表示95%的位置讀數(shù)會(huì)在一個(gè)給定直徑的圓圈之內(nèi)。

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：

表2 四輪定位參數(shù)

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。

表3 不同前束角滑行阻力表

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）。

表4 不同胎壓阻力表

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：

表5 輪轂封閉與不封閉滑行阻力表

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）。

表6 不同整備質(zhì)量滑行阻力

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215/60 R17、B品牌215/60 R17、B品牌225/55 R18進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。三種輪胎摩擦系數(shù)對(duì)比如下：

表7 不同輪胎摩擦系數(shù)

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225/55 R18與B品牌215/60 R17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。

表8 不同輪胎滑行阻力

不同品牌相同輪胎寬度的A品牌215/60 R17與B品牌215/60 R17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%?？梢缘贸觯谳喬挾群捅馄奖认嗤那闆r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：

表9 不同場(chǎng)地滑行結(jié)果

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。

表10 不同地表溫度滑行阻力

圖11 輪胎損耗因子與應(yīng)變、溫度的關(guān)系

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）封閉輪轂可以優(yōu)化汽車(chē)高速滑行阻力。具體表現(xiàn)為：速度大于100km/h，封閉輪轂可以優(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?/p>

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。

[1] 孫硯田.輪胎滾動(dòng)阻力分析及其性能優(yōu)化方法研究[D].江蘇:江蘇大學(xué),2016.

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[6] GB18352.6,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）[S].

Analysis of the Influence Factors of Pure Electric Vehicle Road Coast Test

Xiong Fuming, Cui Chuanyang, Huang Jun

( WM Technology Group Co., Ltd Chengdu institute, Sichuan Chengdu 610000 )

Vehicle road coast down test is a basic test which is relevant to dynamic economics and energy consumption of electric vehicle. This paper makes a research on the influence factors of road coast test through real vehicle test. By using variable-controlling approach, this paper analyzes the influence of wheel alignment, tire pressure, sealed or unsealed hubs, vehicle mass, tire width, rubber material, coefficient of road, temperature. At the end, by comparing the test data and diagram makes the conclusion that tire pressure, vehicle mass, tire width, rubber material, coefficient of road and temperature, these factors matter a lot. But wheel alignment, these factors make little effect.

Coast resistance; Electric vehicle; Road test; Vehicle performance

A

1671-7988(2020)24-08-06

U467.1+1

A

1671-7988(2020)24-08-06

熊福明（1993.12-），男，工程師，工學(xué)學(xué)士，就職于威馬汽車(chē)科技集團(tuán)成都研究院，研究方向：汽車(chē)整車(chē)性能測(cè)試評(píng)價(jià)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.004

CLC NO.: U467.1+1