基于循環(huán)能量法的車輛機(jī)械阻力試驗(yàn)研究

孟凱 龔春忠 魯云 戴建新

孟? ?凱

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

摘? 要：本文闡述了循環(huán)能量法測試車輛機(jī)械阻力的基本原理。首先，描述機(jī)械阻力測量的若干方法，重點(diǎn)闡述循環(huán)能量法測量機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析;最后，對比各機(jī)械阻力測試方法的測試結(jié)果和優(yōu)缺點(diǎn)。循環(huán)能量法具有更合理的模擬用戶實(shí)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(jié)果不精確。在實(shí)際測試中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：循環(huán)能量;車輛機(jī)械阻力;底盤測功機(jī);低滾阻輪胎

中圖分類號：U467.1+2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)汽車機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)工作過程中，主要損耗是來自輪胎的滾動(dòng)阻力與卡鉗的拖滯力矩。其他因素中，傳動(dòng)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(bào)告，低滾阻輪胎市場有望達(dá)到680億美元，2018～2028年將以10.8%的驚人復(fù)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(dòng)阻力降低30%，實(shí)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(shù)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(jìn)一步檢測車輛的機(jī)械系統(tǒng)阻力，對汽車節(jié)能技術(shù)開發(fā)具有重要的意義。

當(dāng)前電動(dòng)汽車的發(fā)展和應(yīng)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(diǎn)，而采用低滾動(dòng)阻力輪胎是提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的一個(gè)快捷有效的方法[3]。電動(dòng)汽車機(jī)械阻力在能耗的占比中極大，如何精確測定機(jī)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(dòng)汽車節(jié)能技術(shù)開發(fā)意義重大。王延克在文獻(xiàn)[4]中提出了等速法驗(yàn)證不同低滾阻方案的等速工況能耗，付紅飛在文獻(xiàn)[5]更全面地提出以各類工況法作為能耗貢獻(xiàn)驗(yàn)證方法，且提出了輪胎對動(dòng)力性能的影響。實(shí)際上，GB/T18352.6-2016中就規(guī)定了循環(huán)能量的計(jì)算方法，但該方法是基于已知道路阻力系數(shù)的前提下計(jì)算的能耗，本文則直接測量獲取車輛機(jī)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(gè)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(guān)。計(jì)算方法如下：

（1）

式中，Ei ——試驗(yàn)車輛從i-1時(shí)刻到i時(shí)刻的能量需求，J;

Fi ——試驗(yàn)車輛從i-1時(shí)刻到i時(shí)刻的阻力，N;

di ——試驗(yàn)車輛從i-1時(shí)刻到i時(shí)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(jī)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(jì)算獲得該車的百公里能量消耗量。這屬于間接計(jì)算獲得的結(jié)果。而直接通過底盤測功機(jī)，也可獲得該值，此時(shí)需要改進(jìn)測試設(shè)備。當(dāng)前底盤測功機(jī)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(shí)候，需要底盤測功機(jī)增加一種模式：掃速模式。該模式下用戶可以輸入特定的時(shí)間-速度序列工況，底盤測功機(jī)根據(jù)該工況逐點(diǎn)掃速控制。掃速模式經(jīng)常在電機(jī)臺架工況仿真試驗(yàn)任務(wù)中應(yīng)用，但市面上大多數(shù)底盤測功機(jī)不具備該功能，需要重新開發(fā)。

在掃速模式下，底盤測功機(jī)記錄轉(zhuǎn)速與輪邊力的數(shù)據(jù)，其能耗試用（1）式積分計(jì)算。則當(dāng)沒有車輛在轉(zhuǎn)鼓上時(shí)，該值應(yīng)當(dāng)為0。當(dāng)有車輛在底盤測功機(jī)上時(shí)，所測值即為車輛的機(jī)械阻力損耗。

依據(jù)該循環(huán)原理可以制定如下試驗(yàn)規(guī)：冷態(tài)車輛在底盤測功機(jī)上固定，底盤測功機(jī)設(shè)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(jì)行駛里程達(dá)到車輛設(shè)計(jì)續(xù)駛里程。記錄下底盤測功機(jī)力傳感器數(shù)據(jù)與車速，按照式（1）計(jì)算車輛機(jī)械阻力下的百公里能量消耗量。

2? ? 循環(huán)能量法機(jī)械阻力測試流程設(shè)計(jì)

循環(huán)能量法最主要的特點(diǎn)是模擬車輛在實(shí)際道路上行駛的工況過程。可以保證測試過程中車輛的機(jī)械阻力損耗跟實(shí)際道路行駛更接近。特別適用于測量車輛半預(yù)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(shí)不能獲得較精確穩(wěn)定的道路阻力系數(shù)。最常用的應(yīng)用情況是：判斷某實(shí)際道路試驗(yàn)車輛能量消耗偏高時(shí)，將其轉(zhuǎn)至底盤測功機(jī)試驗(yàn)室，采用與其實(shí)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(zhǔn)，逆推減速法與等速法測量機(jī)械阻力時(shí)的冷態(tài)、熱態(tài)權(quán)重系數(shù)。循環(huán)能量法機(jī)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(jī)上，車輛設(shè)置為N檔或無驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)的狀態(tài);

步驟2：底盤測功機(jī)設(shè)置以中國工況（或用戶工況）掃速模式帶動(dòng)車輛行駛;

步驟3：行駛里程與車輛設(shè)計(jì)續(xù)駛里程相同;

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

步驟5：數(shù)據(jù)處理與分析。

按照以上步驟，實(shí)際測試某車輛在5個(gè)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(zhǔn)確，是因?yàn)橛傻妆P測功機(jī)帶動(dòng)車輛運(yùn)行。

底盤測功機(jī)的拉力傳感器零點(diǎn)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(jī)，測得的機(jī)械阻力使用GB18352.6的半徑修正公式修正。測得各車速下的機(jī)械阻力采用斜線擬合，獲得常數(shù)項(xiàng)道路阻力系數(shù)與一次項(xiàng)道路阻力系數(shù)，適用于使用式（1）計(jì)算測量循環(huán)能量消耗量。

3? ? 測試實(shí)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(jī)上，測試NEDC工況下后輪部分的機(jī)械系統(tǒng)百公里能量消耗量。按照第2節(jié)所述試驗(yàn)步驟在底盤測功機(jī)上執(zhí)行5個(gè)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(jì)循環(huán)能量消耗量、阻力系數(shù)、權(quán)重等計(jì)算結(jié)果如下：

3.1? ?循環(huán)能量消耗量的計(jì)算

循環(huán)能量可根據(jù)式（1）計(jì)算，循環(huán)百公里能量消耗量計(jì)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(shí)刻測試的車速，m/s;

ti ——第i時(shí)刻的采樣時(shí)間間隔，s;

Fi ——第i實(shí)測測試的機(jī)械阻力，N;

Si ——第i時(shí)刻累計(jì)行駛里程，m;

Ei ——第i時(shí)刻累計(jì)損耗能量，J;

Ci ——第i時(shí)刻車輛累計(jì)百公里能量消耗量，J/m，換算為kWh/100km時(shí)需要除以36。

該車最終計(jì)算得百公里能量消耗量為：0.7366 kWh/100km。

3.2? ?累計(jì)循環(huán)能量及其趨勢

采用式（2）可獲得各時(shí)刻對應(yīng)的里程與車輛累計(jì)平均機(jī)械阻力損耗。因?yàn)檐囕v從冷態(tài)開始被底盤測功機(jī)帶著拖動(dòng)，隨著車輛機(jī)械系統(tǒng)預(yù)熱，車輛的機(jī)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(jī)械阻力損耗也會產(chǎn)生影響。所以，繪制累計(jì)行駛里程與平均百公里機(jī)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(shí)，主要是因?yàn)檫M(jìn)入高速區(qū)，車輛的機(jī)械阻力增加。在5個(gè)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(jī)械系統(tǒng)隨著預(yù)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(yīng)不同阻力的估算

理論上可以獲得不同車速下對應(yīng)的車輛機(jī)械阻力值，但實(shí)際上由于是工況仿真過程，受限于設(shè)備精度，難以分解精確地獲得各速度點(diǎn)對應(yīng)的穩(wěn)定機(jī)械阻力值。但可以通過擬合獲得機(jī)械阻力常數(shù)項(xiàng)系數(shù)與一次項(xiàng)系數(shù)，如圖3所示。擬合得，常數(shù)項(xiàng)阻力系數(shù)為：25.01N，一次項(xiàng)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(jìn)行擬合和循環(huán)能耗分析，可獲得5組結(jié)果，如表1所示。采用式（2）計(jì)算各循環(huán)的循環(huán)能耗值，得到5組結(jié)果的循環(huán)能耗值均值為0.76kWh/100km，標(biāo)準(zhǔn)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(yù)熱前后的權(quán)重經(jīng)驗(yàn)值

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

4? ? 各車輛機(jī)械阻力測試方法對比

車輛機(jī)械阻力測試方法主要有實(shí)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(yù)熱狀態(tài)及工況特點(diǎn)的測試方法，應(yīng)當(dāng)以循環(huán)能量法為基準(zhǔn)。

4.1? ?各車輛機(jī)械阻力測試方法結(jié)果對比

同在底盤測功機(jī)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(shè)置與循環(huán)能耗法車輛設(shè)置相同，均設(shè)置為N檔，底盤測功機(jī)帶動(dòng)車輛運(yùn)行。等速法為底盤測功機(jī)設(shè)置為各速度下的等速模式，減速法底盤測功機(jī)先將車輛帶至最高車速，然后設(shè)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(jié)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(jié)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(jī)械阻力測試方法優(yōu)缺點(diǎn)對比

不同方法的可以測量的結(jié)果及其有點(diǎn)對比如表3所示。

5? ? 結(jié)論

循環(huán)能量的概念是其他車輛機(jī)械阻力測試方法獲得阻力系數(shù)后的理論測試結(jié)果，本文所述循環(huán)能量法可模擬工況，底盤測功機(jī)帶動(dòng)被測車輛，直接測得循環(huán)能量結(jié)果。而道路阻力系數(shù)值則是采用較粗糙的點(diǎn)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(jī)不具備掃速模式，導(dǎo)致循環(huán)能量法測量車輛機(jī)械阻力在實(shí)際應(yīng)用中較少。但因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以更合理的估算實(shí)際用戶的機(jī)械阻力損耗，因此，該方法具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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