孟凱 龔春忠 魯云 戴建新

孟? ?凱

本科學歷，現(xiàn)就職于合眾新能源汽車有限公司研發(fā)驗證中心，任整車試驗部耐久試驗主管師，中級工程師，主要從事電動汽車整車性能試驗，三高環(huán)境試驗，軟件測試等。已發(fā)表文章3篇，已獲授權專利6項。

摘? 要：本文闡述了循環(huán)能量法測試車輛機械阻力的基本原理。首先，描述機械阻力測量的若干方法，重點闡述循環(huán)能量法測量機械阻力的原理與數(shù)據(jù)分析;接著，開展循環(huán)能量法的測試并進行數(shù)據(jù)分析;最后，對比各機械阻力測試方法的測試結果和優(yōu)缺點。循環(huán)能量法具有更合理的模擬用戶實際用車工況的特性，不足之處是分析獲得的不同車速下的阻力結果不精確。在實際測試中有一定的應用價值。

關鍵詞：循環(huán)能量;車輛機械阻力;底盤測功機;低滾阻輪胎

中圖分類號：U467.1+2? ? ? 文獻標識碼：J? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0082-05

Experimental Study On Vehicle Mechanical Resistance Based On Cyclic Energy Method

MENG Kai1， GONG Chun-zhong1，2， LU Yun1， DAI Jian-xin1

（ 1. Hozon New Energy Automobile Co.， Ltd， Jiaxing 314000， China;

2. Zhejiang University ， Hangzhou 310000， China ）

Abstract： This paper expounds the basic principle of measuring vehicle mechanical resistance by cyclic energy method. Firstly， several methods of measuring mechanical resistance are described， with emphasis on the principle and data analysis of measuring mechanical resistance by cyclic energy method; Then， carry out the test of cyclic energy method and analyze the data; Finally， the test results， advantages and disadvantages of various mechanical resistance test methods are compared. The cyclic energy method has the characteristics of more reasonable simulation of users' actual vehicle working conditions， but the disadvantage is that the resistance results obtained at different speeds are inaccurate. It has certain application value in practical testing.

Key Words： Cycle Energy; Vehicle Mechanical Resistance; Chassis Dynamometer; Low Rolling Resistance Tire

電動汽車機械傳動系統(tǒng)工作過程中，主要損耗是來自輪胎的滾動阻力與卡鉗的拖滯力矩。其他因素中，傳動軸、軸承、減速器與差速器等占比相對較少。根據(jù)“未來市場透視”（FMI）最近發(fā)布的研究報告，低滾阻輪胎市場有望達到680億美元，2018～2028年將以10.8%的驚人復合年增長率攀升[1]?！吨袊圃?025》對低滾阻輪胎也提出了明確的要求：國產(chǎn)節(jié)能輪胎濕滑、磨耗、噪聲性能持續(xù)改善，滾動阻力降低30%，實現(xiàn)節(jié)油6%以上，產(chǎn)品占自主市場份額超過50%[2]。在低拖滯卡鉗方面，技術也在不斷更新，已量產(chǎn)的低拖滯卡鉗的拖滯力低至1.5Nm，研發(fā)中的低拖滯卡鉗已逼近1Nm水平。如何進一步檢測車輛的機械系統(tǒng)阻力，對汽車節(jié)能技術開發(fā)具有重要的意義。

當前電動汽車的發(fā)展和應用受制于電池的能量密度偏低，如何降低整車能耗和提升續(xù)駛里程成為研究熱點，而采用低滾動阻力輪胎是提升電動汽車續(xù)駛里程的一個快捷有效的方法[3]。電動汽車機械阻力在能耗的占比中極大，如何精確測定機械阻力在用戶行駛過程中的損耗并針對性的采取節(jié)能措施，對電動汽車節(jié)能技術開發(fā)意義重大。王延克在文獻[4]中提出了等速法驗證不同低滾阻方案的等速工況能耗，付紅飛在文獻[5]更全面地提出以各類工況法作為能耗貢獻驗證方法，且提出了輪胎對動力性能的影響。實際上，GB/T18352.6-2016中就規(guī)定了循環(huán)能量的計算方法，但該方法是基于已知道路阻力系數(shù)的前提下計算的能耗，本文則直接測量獲取車輛機械系統(tǒng)的循環(huán)能量。

1? ? 循環(huán)能量法原理

循環(huán)能量E指在整個測試循環(huán)中車輛所需要的能量[6]，與車輛的行駛阻力和行駛距離有關。計算方法如下：

（1）

式中，Ei ——試驗車輛從i-1時刻到i時刻的能量需求，J;

Fi ——試驗車輛從i-1時刻到i時刻的阻力，N;

di ——試驗車輛從i-1時刻到i時刻的行駛距離，m。

為了與整車能耗相匹配，本文使用百公里能量消耗量的概念替換循環(huán)能量，用于衡量車輛機械阻力的大小。

已知阻力系數(shù)A與B的情況下，可以通過計算獲得該車的百公里能量消耗量。這屬于間接計算獲得的結果。而直接通過底盤測功機，也可獲得該值，此時需要改進測試設備。當前底盤測功機通常只有兩種模式：道路阻力模擬模式、恒速模式。而在測試循環(huán)能量消耗量的時候，需要底盤測功機增加一種模式：掃速模式。該模式下用戶可以輸入特定的時間-速度序列工況，底盤測功機根據(jù)該工況逐點掃速控制。掃速模式經(jīng)常在電機臺架工況仿真試驗任務中應用，但市面上大多數(shù)底盤測功機不具備該功能，需要重新開發(fā)。

在掃速模式下，底盤測功機記錄轉(zhuǎn)速與輪邊力的數(shù)據(jù)，其能耗試用（1）式積分計算。則當沒有車輛在轉(zhuǎn)鼓上時，該值應當為0。當有車輛在底盤測功機上時，所測值即為車輛的機械阻力損耗。

依據(jù)該循環(huán)原理可以制定如下試驗規(guī)：冷態(tài)車輛在底盤測功機上固定，底盤測功機設置為掃速模式，循環(huán)測試若干中國工況循環(huán)或者特定用戶工況循環(huán)，直到累計行駛里程達到車輛設計續(xù)駛里程。記錄下底盤測功機力傳感器數(shù)據(jù)與車速，按照式（1）計算車輛機械阻力下的百公里能量消耗量。

2? ? 循環(huán)能量法機械阻力測試流程設計

循環(huán)能量法最主要的特點是模擬車輛在實際道路上行駛的工況過程?？梢员ＷC測試過程中車輛的機械阻力損耗跟實際道路行駛更接近。特別適用于測量車輛半預熱狀態(tài)對能耗的影響變化趨勢。但該方法在逆推車輛道路阻力系數(shù)時不能獲得較精確穩(wěn)定的道路阻力系數(shù)。最常用的應用情況是：判斷某實際道路試驗車輛能量消耗偏高時，將其轉(zhuǎn)至底盤測功機試驗室，采用與其實際道路相同的工況，測試其在該工況下的能量消耗值。也可依此為基準，逆推減速法與等速法測量機械阻力時的冷態(tài)、熱態(tài)權重系數(shù)。循環(huán)能量法機械阻力測試步驟如下：

步驟1：將冷態(tài)車輛固定在底盤測功機上，車輛設置為N檔或無驅(qū)動、制動的狀態(tài);

步驟2：底盤測功機設置以中國工況（或用戶工況）掃速模式帶動車輛行駛;

步驟3：行駛里程與車輛設計續(xù)駛里程相同;

步驟4：無車狀態(tài)重復步驟2至步驟3，空載測試獲得底盤測功機零點誤差，可選測;

步驟5：數(shù)據(jù)處理與分析。

按照以上步驟，實際測試某車輛在5個NEDC工況下的循環(huán)能量，測試過程的車速與里程信息如圖1所示。該圖中，工況跟隨很準確，是因為由底盤測功機帶動車輛運行。

底盤測功機的拉力傳感器零點漂移可用步驟4的選測方式獲得。如果使用滾筒式底盤測功機，測得的機械阻力使用GB18352.6的半徑修正公式修正。測得各車速下的機械阻力采用斜線擬合，獲得常數(shù)項道路阻力系數(shù)與一次項道路阻力系數(shù)，適用于使用式（1）計算測量循環(huán)能量消耗量。

3? ? 測試實例

以合眾新能源汽車有限公司哪吒V車型為例，在兩驅(qū)底盤測功機上，測試NEDC工況下后輪部分的機械系統(tǒng)百公里能量消耗量。按照第2節(jié)所述試驗步驟在底盤測功機上執(zhí)行5個NEDC工況循環(huán)，獲得輪邊速度、輪邊阻力信號。分析得循環(huán)能量消耗量、累計循環(huán)能量消耗量、阻力系數(shù)、權重等計算結果如下：

3.1? ?循環(huán)能量消耗量的計算

循環(huán)能量可根據(jù)式（1）計算，循環(huán)百公里能量消耗量計算方式則將能耗處理行駛里程，如式（2）所示：

（2）

式中，Vi ——第i時刻測試的車速，m/s;

ti ——第i時刻的采樣時間間隔，s;

Fi ——第i實測測試的機械阻力，N;

Si ——第i時刻累計行駛里程，m;

Ei ——第i時刻累計損耗能量，J;

Ci ——第i時刻車輛累計百公里能量消耗量，J/m，換算為kWh/100km時需要除以36。

該車最終計算得百公里能量消耗量為：0.7366 kWh/100km。

3.2? ?累計循環(huán)能量及其趨勢

采用式（2）可獲得各時刻對應的里程與車輛累計平均機械阻力損耗。因為車輛從冷態(tài)開始被底盤測功機帶著拖動，隨著車輛機械系統(tǒng)預熱，車輛的機械阻力會發(fā)生變化。另外，隨著工況的變化，工作在低速區(qū)與高速區(qū)對車輛的機械阻力損耗也會產(chǎn)生影響。所以，繪制累計行駛里程與平均百公里機械阻力損耗有重要的參考意義，如圖2所示。車輛行駛6km～10km時，主要是因為進入高速區(qū)，車輛的機械阻力增加。在5個循環(huán)中，循環(huán)能耗值在0.69至0.84kWh/100km之間。而往后，則車輛機械系統(tǒng)隨著預熱越來越充分，則趨向于阻力降低且穩(wěn)定狀態(tài)，最終穩(wěn)定在約0.73至0.74kWh/100km。

3.3? ?各車速下對應不同阻力的估算

理論上可以獲得不同車速下對應的車輛機械阻力值，但實際上由于是工況仿真過程，受限于設備精度，難以分解精確地獲得各速度點對應的穩(wěn)定機械阻力值。但可以通過擬合獲得機械阻力常數(shù)項系數(shù)與一次項系數(shù)，如圖3所示。擬合得，常數(shù)項阻力系數(shù)為：25.01N，一次項阻力系數(shù)為：0.0264N/km/h。

3.4? ?瞬態(tài)工況測量積分求和的誤差分析

如第2節(jié)所述，總共測試了5組工況循環(huán)數(shù)據(jù)，將各組數(shù)據(jù)均進行擬合和循環(huán)能耗分析，可獲得5組結果，如表1所示。采用式（2）計算各循環(huán)的循環(huán)能耗值，得到5組結果的循環(huán)能耗值均值為0.76kWh/100km，標準差為0.04kWh/100km，誤差為5.1%。將阻力系數(shù)A與阻力系數(shù)B的數(shù)值也求解出來，發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)B穩(wěn)定性較差，主要是B比較靠近0。

3.5? ?等速法與減速法預熱前后的權重經(jīng)驗值

等速法與減速法測量車輛的機械阻力，都避免不了預熱問題。盡管采用一定的預熱措施保證車輛在熱態(tài)測試的結果更穩(wěn)定，但是原理上與車輛實際道路中的機械阻力損耗預熱狀態(tài)還是不能吻合的，且難以獲得逐漸預熱過程中的機械損耗變化值。因此，可以使用預熱前后的等速法、減速法測試結果通過加權方式，獲得與實際道路工況下車輛的機械阻力損耗更接近的結果。

4? ? 各車輛機械阻力測試方法對比

車輛機械阻力測試方法主要有實際道路滑行法[7]、等速法、減速法[8]和循環(huán)能量法。其中，考慮車輛預熱狀態(tài)及工況特點的測試方法，應當以循環(huán)能量法為基準。

4.1? ?各車輛機械阻力測試方法結果對比

同在底盤測功機上測試的方法還有等速法與減速法。等速法與減速法分別測試5組，測試過程中車輛設置與循環(huán)能耗法車輛設置相同，均設置為N檔，底盤測功機帶動車輛運行。等速法為底盤測功機設置為各速度下的等速模式，減速法底盤測功機先將車輛帶至最高車速，然后設置為道路阻力模擬模式。等速法測試工況曲線如圖4所示，減速法測試工況曲線如圖5所示：

測試結果如表2所示，等速法與減速法相對來說，B系數(shù)穩(wěn)定性稍好，但循環(huán)能耗結果穩(wěn)定性分別為5.9%與4.9%，相對于循環(huán)能耗法的5.1%量級相同。

4.2? ?各車輛機械阻力測試方法優(yōu)缺點對比

不同方法的可以測量的結果及其有點對比如表3所示。

5? ? 結論

循環(huán)能量的概念是其他車輛機械阻力測試方法獲得阻力系數(shù)后的理論測試結果，本文所述循環(huán)能量法可模擬工況，底盤測功機帶動被測車輛，直接測得循環(huán)能量結果。而道路阻力系數(shù)值則是采用較粗糙的點云擬合獲得，與傳統(tǒng)的等速法與減速法具有一定的互不性。由于一般的底盤測功機不具備掃速模式，導致循環(huán)能量法測量車輛機械阻力在實際應用中較少。但因其獨特的優(yōu)點，可以更合理的估算實際用戶的機械阻力損耗，因此，該方法具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻：

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