龔春忠 ， 袁糧森 ， 陳 艾 ， 佟 坤 ， 劉多加

（1.合眾新能源汽車有限公司， 浙江 嘉興 314000；2.浙江大學， 浙江 杭州 310000）

近年來，汽車的動力系統(tǒng)變革迅速，內(nèi)燃機雖然占據(jù)汽車動力系統(tǒng)的核心位置，但是隨著節(jié)能減排的要求越來越高，只依靠改進發(fā)動機性能，已經(jīng)很難實現(xiàn)節(jié)能減排的要求［1］。因此，鋰離子動力電池的電動汽車、氫氧燃料電池的電動汽車［2］、非插電式混合動力汽車［3］、插電式混合動力汽車 （含增程式混合動力汽車）等一系列新型動力系統(tǒng)的車輛在該時期百家齊鳴［4］。然而，對車輛動力系統(tǒng)的仿真、測試、分析技術(shù)的發(fā)展卻相對滯后［5-6］。

該文以混合動力電動汽車為研究對象，首先分析混合動力電動汽車與純油動力車輛、純電動力車輛的動力系統(tǒng)特點，列舉對車輛動力性評價的影響因素；然后，以增程式混合動力電動汽車為例，分析各種驅(qū)動模式下的動力性影響因素；接著，通過動力性仿真模型，推導面積圖示法表達車輛加速時間，便于從圖示角度，直觀地分辨出不同影響因素的特點；最后，給出各影響因素對動力性參數(shù)影響的量化結(jié)果，并提出若干動力性經(jīng)濟性標準修訂的建議。將車輛加速性能表達為面積示例方法是本文最重要的研究內(nèi)容，在仿真、測試等車輛動力性開發(fā)工作中起到積極作用。

1 各類車輛的動力系統(tǒng)特點及動力性影響因素

各類動力系統(tǒng)的車輛，其動力性影響因素相同點均為道路阻力、慣性力，不同點是環(huán)境溫度對動力系統(tǒng)驅(qū)動力的影響。重力場與加速度場是等效的，在評價車輛動力性能中，不考慮打滑影響的情況下，爬坡性能與加速性能也可以等效。在底盤測功機摸底坡道阻力的時候，就忽略了在坡道上車輛垂直坡面的力與實際道路有差別的情況［7］。最高車速則是驅(qū)動力與道路阻力的平衡狀態(tài)對應(yīng)的車速，目前大多數(shù)車輛的最高車速均不以阻力與驅(qū)動力性能作為平衡點設(shè)計，而是由驅(qū)動系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速限制值確定，以往執(zhí)行過最高車速試驗的車輛極易報廢的情況越來越少［8］。綜上分析，車輛加速時間是車輛眾多動力性指標中的核心指標，也是分析車輛動力系統(tǒng)是否符合設(shè)計指標的重要方法。

車輛動力性設(shè)計時，需要考慮車輛的道路阻力、慣性力、動力系統(tǒng)驅(qū)動力。道路阻力又可細分為空氣阻力、滾動阻力、傳動系統(tǒng)阻力。慣性力可分為整備質(zhì)量、轉(zhuǎn)動部件等效慣量、載荷等效的慣性力。動力系統(tǒng)根據(jù)形勢不同，分為發(fā)動機動力、電動機動力、油電混合系統(tǒng)動力。車輛動力性測試時，需要從環(huán)境因素與車輛狀態(tài)兩個方面考慮。環(huán)境因素主要是環(huán)境溫度、氣壓、風速、道路平直度、路面附著性能等因素；車輛因素主要為車輛的機械系統(tǒng)預(yù)熱狀態(tài)、電池SOC （State Of Charge）狀態(tài)、輪胎附著性能。

測試影響因素實際上是改變設(shè)計影響因素的某些參數(shù)值，各影響因素之間有一定的對應(yīng)關(guān)系形成矩陣關(guān)系，如圖1所示，有圓點位置標示測試影響因素對相應(yīng)的設(shè)計影響因素產(chǎn)生數(shù)據(jù)變更，下部標注各測試影響因素的消除方法。

圖1 動力性影響因素

由圖1可知，在測試過程中，環(huán)境溫度對動力性測試結(jié)果的影響較多，對于增程式電動汽車或純電動汽車而言，動力電池的SOC狀態(tài)對驅(qū)動力的影響較大。其他的影響因素都可通過修正或者預(yù)處理的方法進行調(diào)整。風速限制在5m/s以內(nèi)，大氣壓力與通過限制空氣密度7.5%的范圍而有效控制，道路平直度與風速風向類似，通過往返測試降低其影響，道路附著性與車輪附著力則通過限定道路條件與車輛動力系統(tǒng)條件保證。根據(jù)目前的分析，環(huán)境溫度與SOC狀態(tài)是對車輛動力性影響最大的因素，設(shè)計與驗證時均要考慮。如果規(guī)定環(huán)境溫度條件太嚴格，則可能導致某些地區(qū)可以測量動力性的時間窗口較窄，用戶也難以創(chuàng)造相應(yīng)的環(huán)境條件復現(xiàn)測量動力性能。由于電池的SOC狀態(tài)、電池溫度狀態(tài)，對電池放電功率有較大影響，非常有必要在測試規(guī)范中限定對應(yīng)的SOC狀態(tài)。

2 增程式電動汽車加速性能仿真

增程式電動汽車是混合動力汽車的一類代表，其動力性能表現(xiàn)更偏向于純電動汽車。車輛道路阻力相關(guān)參數(shù)與傳統(tǒng)車輛一致，主要區(qū)別為動力系統(tǒng)。增程式電動汽車與純電動汽車類似，均采用電機作為動力源。在動力性能測試中，驅(qū)動電機所需求的功率由電池包與增程器共同提供。大多數(shù)情況，電機驅(qū)動功率均能覆蓋驅(qū)動電機需求，但某些追求強勁動力性的車輛，需要開發(fā)彈射模式，增程器也能提供一部分功率以滿足驅(qū)動電機的功率需求。綜上分析，本文進行兩種動力類型的車輛動力性能仿真。

2.1 動力系統(tǒng)建模

如第1節(jié)所述，模型需要參數(shù)及其符號定義見表1。車輛動力性仿真共涉及21項初始化參數(shù)，包括減速器、輪胎、驅(qū)動電機、發(fā)電機、動力電池等車身子系統(tǒng)。拓撲架構(gòu)如圖2所示。

表1 增程式電動汽車動力性仿真模型參數(shù)需求

圖2 增程式電動汽車拓撲架構(gòu)

以上參數(shù)中，坡度為正時，表示在上坡；風速為正時，表示為順風。道路附著性對各類車均有影響，輪胎附著力主要對動力性較強的車型示例2有影響。將環(huán)境因素引入車輛動力學模型中，車輛受到的道路阻力如式 （1）所示：

式中，Af——常數(shù)項阻力系數(shù)，N；Bf——一次項阻力系數(shù)，N/km/h；Cf——二次項阻力系數(shù)，N/（km/h）2；Fg——重力在坡向上的分力，N。

采用經(jīng)驗公式表達如式 （3）：

將環(huán)境溫度與氣壓影響因素帶入如式 （4）：

(4)提高產(chǎn)品的可設(shè)計性。CFRP性能多樣，其物理性能、化學性能、力學性能均可以通過合理選擇原材料的種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進行設(shè)計。由于樹脂基體材料種類很多，其選材設(shè)計的自由度很大，這是傳統(tǒng)的各向同性材料(比如鋼、鋁)所不具備的。另外，CFRP可以實現(xiàn)一體化制造，其制品是由材料和結(jié)構(gòu)同時完成，即通過合理的模具設(shè)計，把不同厚度的零件、凸起部分、筋和棱等全部一體成型。整體成型同時還能提高結(jié)構(gòu)的完整性、氣密性和保溫性，以及提高車輛舒適度。

對于驅(qū)動電機，仿真模型可將其近似為恒扭矩段和恒功率段，計算公式如式 （6），此外，對于動力性較強的車輛，還應(yīng)當考慮打滑極限的限制：

驅(qū)動力與阻力構(gòu)成動力性方程，如式 （7）所示，在MATLAB中用仿真工具解該微分方程，求取加速曲線。

2.2 加速時間面積表示法

由動量守恒定律可知，速度、時間、質(zhì)量、驅(qū)動力之間的關(guān)系如式 （8）所示。

以速度為研究對象，則式 （8）變換為：

橫坐標是時間，縱坐標是加速度，坐標軸與曲線的面積表示車速。而車輛動力性指標的定義通常用固定速度下的時間指標，而不是固定時間下的車速指標。因此，要將時間表達為面積，需要將式 （9）進行變換，如式 （10）所示：

橫坐標為速度，縱坐標為加速度的倒數(shù)，則曲線與坐標軸圍成的面積物理意義為加速時間。將影響因素表達為面積，則可形象看出各影響因素對加速時間的影響大小。當橫坐標速度的量綱用km/h時，縱坐標加速度的倒數(shù)用s·h/km。

3 不同影響因素調(diào)整對動力性結(jié)果的影響仿真分析

如表1所示的兩個示例車型，對其進行動力性仿真，改變不同影響因素觀察各影響因素對加速時間的影響。

3.1 環(huán)境影響因素

首先分析測試過程中，主要影響車輛加速時間結(jié)果的影響因素，包括試驗前車輛載荷是否配置準確、車輛動力性測試時是否進行了預(yù)熱工作、測試過程中電池SOC值等車輛因素；環(huán)境因素則為：不同環(huán)境溫度下、不同路面附著性、有風和小坡路面等。各因素對不同車型的動力性參數(shù)影響見表2。

表2 各變化因素對車輛動力系統(tǒng)影響說明

將2個車型進行百公里加速時間仿真，并繪制各因素變化下的v-1/a曲線，用面積表示車輛加速時間，對比如圖3～圖9所示。

由圖3可知，車輛是否預(yù)熱對其動力性影響較小，尤其是動力性較強的車輛。

由圖4可知，環(huán)境溫度對車輛動力性影響較大，低溫下道路阻力變大是一方面原因但其影響等同于車輛是否預(yù)熱，環(huán)境溫度主要是改變了動力電池放電性能影響其動力性。當通過人為給電池加熱后，其影響等效于圖3。

圖3 冷態(tài)/熱態(tài)加速時間對比

圖4 在25℃/-7℃加速時間對比

由圖5可知，道路附著性能主要影響動力性較強的車輛的性能表現(xiàn)，且主要影響車速≤50km/h的起步段。

圖5 路面附著力下降10%加速時間對比

由圖6可知，載荷質(zhì)量對動力性影響約為1%～3%，車輛較輕的車型，加載精度對其動力性測試結(jié)果影響較大。對動力性低速段或高速段均有影響。

圖6 載荷變化±50kg加速時間對比

由圖7可知，電池SOC對車輛動力性影響明顯，尤其是對動力性較強的車型，SOC低于50%時，開啟增程器也難以滿足驅(qū)動電機峰值功率需求。SOC低于20%時，車輛動力性能均明顯降低，這也是電動汽車與燃油車在動力性方面較大的區(qū)別。

圖7 SOC=80%/60%/20%加速時間對比

由圖8可知，風速對動力性較弱的車型1影響更明顯，所以測試環(huán)境需要限制一定的風速條件。另外，順風和逆風的影響差異較大，不能簡單地通過求取算數(shù)平均值抵消風速對加速時間測試結(jié)果的影響。

圖8 風速為±5m/s加速時間對比

由圖9可知，道路坡度對車輛動力性的影響與載荷變化對車輛動力性的影響類似，實際上是增加了如式 （5）所示的坡道力。

圖9 坡度為±1%加速時間對比

3.2 加速時間面積圖示法與瀑布圖

設(shè)置某一基準狀態(tài)為車輛動力性設(shè)計值，然后加入各種影響因素，往逐漸惡化的方向調(diào)整，構(gòu)建面積圖和加速時間瀑布圖，可以得出不同影響因素對動力性影響大小。該分析方法前提是車輛電機外特性、整備質(zhì)量已固定。各因素分別為空氣阻力、傳動效率、滾動阻力、旋轉(zhuǎn)慣量、配載質(zhì)量、整備質(zhì)量。適用于前期仿真分析。結(jié)果如圖10與圖11所示。

圖10 各影響因素面積占比

圖11 各影響因素瀑布圖

由圖10與圖11可知，空氣阻力、輪胎滾阻、傳動系統(tǒng)效率等道路阻力因素對加速時間影響占比相對較小。通過不同面積比較可知，配重與旋轉(zhuǎn)慣量對車輛加速時間影響相對較大。對動力性較強的車型2，道路阻力對其影響更小。基礎(chǔ)動力與整備質(zhì)量對百公里加速時間的影響就已經(jīng)確定了87.78%的比重。

4 對動力性測試的若干建議

綜合以上仿真結(jié)論，給出以下車輛動力性測試建議。

1）動力性測試指標：建議只保留加速時間和最高車速兩項。對于動力性較強的車輛，不太關(guān)心坡度的限制，因附著力不足而限扭的情況將不再考慮。對于動力性一般的乘用車，加速慣性力與質(zhì)量的坡道分力等效，無需重復測量。

2）車輛測試模式：隨著動力系統(tǒng)越來越復雜，車輛的驅(qū)動模式也逐漸多樣化。以增程式電動汽車為例，驅(qū)動方式有純電、純油、普通油電混合、油電混合彈射模式這4種模式。對于車輛動力性而言，建議只考核極限條件下的動力性能，避免各種組合模式太多引起動力性指結(jié)果太多而混亂。

5 結(jié)論

本文采用坐標軸圍成的面積物理意義為時間的圖示，對兩款增程式電動汽車動力性進行仿真對比。分析結(jié)果表明，影響車輛動力性的因素眾多，采用等效面積表示加速時間，有利于判斷整車動力性影響因素類型，并針對性地進行動力性問題排查和優(yōu)化。通過對仿真結(jié)果的分析，可獲得如下結(jié)論。

1）道路阻力、空氣阻力等因素對整車動力性影響較小，尤其是對動力性較強的車輛影響較小。

2）整車動力性較大的影響因素是車輛驅(qū)動力和整備質(zhì)量、載荷，尤其是對動力性較強的車輛，溫度較低或者SOC較低引起的限功率都較為明顯。增程器在電池SOC較低或者溫度較低電池放電功率較小時，對動力性提升的影響較為明顯。

3）車輛與路面之間的附著性能對動力性較弱的車輛影響不大，但對動力性較強的車輛影響明顯，尤其是驅(qū)動電機為恒扭矩段的過程。驅(qū)動扭矩與車輛附著力對車輛動力性的影響均為車速較低段。

4）整備質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)慣量、附加載荷、道路坡道，是對車輛動力性能影響同一類型的因素，對動力性低速段或高速段均有影響。

5）風速對動力性的影響約為1%～2%，速度越高，影響越大。順風和逆風方向、上坡和下坡方向往返執(zhí)行加速性能試驗，加速時間的差異不能直接取算數(shù)平均數(shù)抵消。但分析精度要求較高時，可進行單向修正后再求取算數(shù)平均值。