基于低滾阻輪胎的能耗收益分析及多性能平衡

陳福震 馬海峰 孫立志 孫躍輝

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315300

1 引言

根據(jù)新能源正積分可抵消平均燃油消耗負(fù)積分的規(guī)則，2020年，中國乘用車市場(chǎng)“雙積分”存在-338萬分的缺口。而據(jù)興業(yè)證券發(fā)布的研報(bào)顯示，當(dāng)前新能源積分交易價(jià)格已從最初的300～500元/分上漲到2500～3000元/分，達(dá)到近10倍的增長速度。近日，有媒體爆出一汽-大眾將從特斯拉購買碳積分的消息，出價(jià)約為每個(gè)積分3000元人民幣，以幫助其滿足環(huán)保規(guī)定。

面對(duì)日趨嚴(yán)格的雙積分政策，降低油耗/電耗已成為各車企的不二選擇?；谝酝鶖?shù)據(jù)研究表明，輪胎滾動(dòng)阻力造成的燃料消耗占總消耗量的14%～20%。此外，在當(dāng)前純電動(dòng)車的研發(fā)難點(diǎn)普遍集中在續(xù)航里程的提升上，而一時(shí)間受困于成本壓力又找不到特別行之有效的解決方法時(shí)，針對(duì)純電動(dòng)車型采用更低滾阻輪胎成為提升電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程一個(gè)簡單直接的手段。

2 低滾阻輪胎的發(fā)展趨勢(shì)

為應(yīng)對(duì)整車廠通過使用低滾阻輪胎，實(shí)現(xiàn)降低油耗，增加續(xù)航里程的要求，各輪胎供應(yīng)商正在著力布局未來輪胎低滾阻規(guī)劃。如某品牌輪胎，規(guī)劃在2022年底，實(shí)現(xiàn)5.5‰的低滾阻輪胎，在2024年底，達(dá)成5‰的目標(biāo)，同時(shí)保證其他性能。相較于當(dāng)前市場(chǎng)普遍7‰左右的滾阻，有較大提升。

圖1 某品牌輪胎滾阻現(xiàn)狀及規(guī)劃

3 低滾阻輪胎油耗、電耗收益

3.1 低滾阻對(duì)于滑行阻力的影響（乘用車子午線輪胎）

通常我們用整車滑行阻力，代表汽車行駛需克服阻力的大小。汽車行駛阻力一般包括輪胎阻力（摩擦力）、卡鉗拖滯力、傳動(dòng)系統(tǒng)阻力、空氣阻力等?；谘芯勘砻?，在中低車速下，汽車的油耗電耗有70%-80%用來克服輪胎滾動(dòng)阻力，而在高車速情況下，風(fēng)阻成為了影響阻力的又一關(guān)鍵因素。

乘用車滑行阻力中滾動(dòng)阻力參考如下公式：

P：胎壓，單位：kPa

α：滾動(dòng)阻力胎壓修正系數(shù)，參考值：-0.485386

β：正壓力修正系數(shù)，參考值：1.1001

M：測(cè)試質(zhì)量；單位Kg

a：滾動(dòng)阻力修正系數(shù)，參考值：0.0286276

b：滾 動(dòng) 阻 力 修 正 系 數(shù)，參 考 值：9.52476E-05

c：滾 動(dòng) 阻 力 修 正 系 數(shù)，參 考 值：-8.7253E-08

V：車速，單位：km/h

如圖2所示：橫向看來，隨著車輛整備質(zhì)量的增加，車輛滑行時(shí)的平均阻力也隨之增加，對(duì)應(yīng)的整車油耗、電耗亦增加；縱向看來，相同整備質(zhì)量的車輛，在10-120km/h車速下的平均阻力隨著輪胎滾動(dòng)阻力的增加而增加，輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)每降低0.5‰，阻力約下降10N。

圖2 平均阻力隨車重變化和滾阻差異的變化(10-120km/h)

圖3為某一車輛（1750Kg級(jí)別的SUV）在不同車速及不同輪胎滾阻條件下，車輛實(shí)際的滑行阻力曲線?？梢钥闯?，隨著車速增加，行駛阻力逐漸加大，同時(shí)，車速越高，行駛阻力的增加更快，主要為風(fēng)阻影響；也再次證明，滾阻降低，整車整體阻力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 行駛阻力隨車速及滾阻變化趨勢(shì)（10-120km/h）

3.2 低滾阻輪胎對(duì)乘用車的油耗影響（以某1750kg級(jí)別SUV為例，對(duì)比滾阻6.3‰和6.8‰）

3.2.1 低滾阻對(duì)于汽油車/混動(dòng)車的油耗影響（WLTC）

如圖4所示，為某車型分別使用滾阻6.3‰和6.8‰滾阻的輪胎，進(jìn)行WLTC循環(huán)工況轉(zhuǎn)轂測(cè)試，實(shí)際測(cè)得的輪端驅(qū)動(dòng)能量對(duì)比。

圖4 WLTC循環(huán)工況驅(qū)動(dòng)能量對(duì)比

可以看出，同一車輛只更換不同滾阻輪胎：6.3‰輪胎滾阻對(duì)應(yīng)的整車驅(qū)動(dòng)能量需求為4.136kWh，而6.8‰輪胎滾阻對(duì)應(yīng)的整車驅(qū)動(dòng)能量需求為4.191kWh。故輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)降低0.5‰，輪端能量需求可以降低0.055kWh；

基于此，對(duì)于傳統(tǒng)燃油車及混合動(dòng)力車型，下降0.5‰的輪胎滾阻在WLTC循環(huán)中的節(jié)油貢獻(xiàn)：

（1）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率為36%（傳統(tǒng)燃油車）：WLTC循環(huán)工況節(jié)油=驅(qū)動(dòng)能量/轉(zhuǎn)化系數(shù)/發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)平均效率*100/循環(huán)里 程=0.055/8.6/0.36*100/23.7=0.075L/100km

（2）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率為40%（混合動(dòng)力車）：WLTC工況節(jié)油=驅(qū)動(dòng)能量/轉(zhuǎn)化系數(shù)/發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)平均效率*100/循環(huán)里程=0.055/8.6/0.4*100/23.7=0.067L/100km

計(jì)算公式：油耗（L/100km）=驅(qū)動(dòng)能量/轉(zhuǎn)化系數(shù)/發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)平均效率★100/循環(huán)里程（WLTC：23.7Km）

轉(zhuǎn)化系數(shù)=汽油熱值（KJ/Kg）★密度（g/ml）/3600（kWh/KJ）=8.6

基于以上計(jì)算，輪胎滾阻從6.8‰降低到6.3‰，對(duì)傳統(tǒng)燃油車，WLTC循環(huán)工況可降低油耗0.075L/100Km，對(duì)于HEV等熱效率較高的車型，可降低油耗0.067L/100Km。

3.2.2 輪胎滾阻對(duì)插電混合動(dòng)力車及純電動(dòng)車的電耗影響（WLTP）

使用相同測(cè)試方法，在某車輛上更換不同滾阻的輪胎，6.3‰滾阻對(duì)應(yīng)的整車循環(huán)能量需求為3.776kWh；6.8‰滾阻對(duì)應(yīng)的整車循環(huán)能量需求為3.857kWh；

故可計(jì)算循環(huán)電耗如下：

6.3‰滾阻對(duì)應(yīng)的電耗＝能量/電驅(qū)系統(tǒng)循環(huán)平均效率（0.7～0.85）*100/循環(huán)里程（23.7）＝18.74 kWh/100km；

6.8‰滾阻對(duì)應(yīng)的電耗＝能量/電驅(qū)系統(tǒng)循環(huán)平均效率（0.7～0.85）*100/循環(huán)里程（23.7）＝19.15 kWh/100km；

經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：電耗（Kwh/100km）=能量/電驅(qū)系統(tǒng)循環(huán)平均效率（0.7～0.85）*100/循環(huán)里程

若電池可用電量為100kWh，則對(duì)應(yīng)增加續(xù)航里程為

4 低滾阻輪胎性能平衡

4.1 輪胎性能目標(biāo)定義

考慮汽車輪胎影響車輛的多個(gè)性能，如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操控穩(wěn)定性、舒適性、制動(dòng)性能、耐磨、抗沖擊等。降低輪胎滾阻，將會(huì)導(dǎo)致其他性能的降低，但是隨著技術(shù)的升級(jí)，新輪胎材料及花紋的應(yīng)用，性能降低量會(huì)逐漸減小，直到達(dá)到或者超越原始輪胎性能。

基于市場(chǎng)定位及客戶可感知度，在保證耐磨及抗沖擊性能的前提下，針對(duì)其他性能，滾阻為必須保證項(xiàng)，NVH及舒適性為客戶易于感知項(xiàng)，且容易產(chǎn)生抱怨，應(yīng)優(yōu)先保障；操控為非常用工況且一般客戶較難感受差異，但是對(duì)緊急情況及敏感客戶又有價(jià)值，可優(yōu)先級(jí)略靠后；制動(dòng)距離需保證在一定安全范圍內(nèi)必須達(dá)成，考慮標(biāo)桿胎制動(dòng)水平較好，距離安全范圍有一定預(yù)留，故制動(dòng)可適量放寬；動(dòng)力性同時(shí)收到動(dòng)力性能能力，在輸出扭矩不超越輪胎打滑極限時(shí)，可不做考慮。

基于以上分析，排除a.必須保證性能項(xiàng)-耐磨及抗沖擊性能，b.不需考慮性能-動(dòng)力性后，輪胎性能優(yōu)先級(jí)排序：滾阻＞NVH=舒適性＞操控＞制動(dòng)。故低滾阻輪胎需重點(diǎn)保證滾阻、NVH及舒適性。考慮標(biāo)桿胎性能水平及市場(chǎng)反饋，兼顧低滾阻輪胎可達(dá)成情況，初步定義輪胎性能目標(biāo)按照參考胎水平設(shè)定，同時(shí)，基于性能優(yōu)先級(jí)，在調(diào)校過程中，重點(diǎn)保證高關(guān)注項(xiàng)目。

表1 輪胎調(diào)校性能目標(biāo)

4.2 低滾阻輪胎性能調(diào)教與平衡

首輪樣件，輪胎使用低滾阻配方，提供AB兩個(gè)方案，A方案輪胎滾阻達(dá)到了5.9‰，B方案輪胎滾阻6.1‰。舒適性上兩方案對(duì)比，B方案同A方案相比，柔和感、包覆感、觸感稍微更好，車輛更舒適，余振稍微偏多，但是整體感覺非常接近。在操控方面，B方案的附著力稍好于A方案，響應(yīng)兩者基本相當(dāng)，極限操控B方案稍好。與標(biāo)桿胎對(duì)比，A方案操控有0.5分差距，平順性有0.5分差距，柔和感、隔離感接近，主要是彈跳和余振控制不足。B方案操控與標(biāo)桿胎有0.5分差距，平順性有0.25分差距。就噪聲而言，A方案不可行，粗糙路面的空腔音（200-250Hz）無法接受；B方案，路噪總值噪聲高出0.8dB左右，空腔音及水泥刻槽路面嘯叫音需要繼續(xù)優(yōu)化。A方案及B方案制動(dòng)經(jīng)測(cè)試均滿足整車性能目標(biāo)＜38m的要求。

綜合此輪調(diào)校結(jié)果，要求下輪樣胎放開滾阻到6.3‰，同時(shí)通過輪胎內(nèi)層厚度增加，冠帶密度增加，三角膠高度降低等方案，重點(diǎn)優(yōu)化平順性及NVH，提升操控性能。

第二輪調(diào)校，供應(yīng)商將輪胎滾阻控制在6.4‰以內(nèi)，各項(xiàng)性能同首輪樣胎相比已經(jīng)有較大提升，二輪A方案平順性水平已同標(biāo)桿胎一致，操控性能略低于標(biāo)桿胎0.25分，NVH整體性能較標(biāo)桿胎差異小于0.25分，其中200-250Hz空腔音甚至優(yōu)于標(biāo)桿胎0.6dB。

通過此輪調(diào)校及評(píng)價(jià)測(cè)試，A方案各項(xiàng)性能距離目標(biāo)差異較小，評(píng)估針對(duì)薄弱項(xiàng)目還有可優(yōu)化空間，故鎖定方案A，并在A方案的基礎(chǔ)上略微降低滾阻，繼續(xù)優(yōu)化操控并提升NVH性能。

4.3 性能驗(yàn)收

進(jìn)入性能驗(yàn)收階段，并結(jié)合前兩輪開發(fā)結(jié)果及優(yōu)化措施，最終確定量產(chǎn)低滾阻輪胎性能參數(shù)：

表2 首輪調(diào)校性能結(jié)果

在最終鎖定輪胎方案中，操控?zé)o法再進(jìn)一步提升，與標(biāo)桿胎始終有0.25分的差異，雖然后續(xù)又針對(duì)性進(jìn)行了優(yōu)化，但是會(huì)導(dǎo)致其他性能降低或者滾阻上升?？紤]性能優(yōu)先級(jí)，且主要問題為極限操控下的輪胎側(cè)滑增加，為客戶的非常用工況，故認(rèn)可此偏差。

從原理上看，輪胎滾動(dòng)阻力降低，則地面與輪胎的附著系數(shù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致輪胎與地面的附著力降低，而輪胎附著力影響著車輛操控時(shí)的橫向及縱向滑移控制，制動(dòng)時(shí)的摩擦力，加速時(shí)候的打滑等。雖然通過輪胎優(yōu)化能夠有一些附著力提升的方案，但是仍舊會(huì)有差異。

5 結(jié)語

本文通過低滾阻輪胎的阻力差異，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)能量差異的測(cè)試，并最終據(jù)此計(jì)算出滾阻降低對(duì)車輛油耗電耗的收益：車速120km/h，輪胎滾動(dòng)阻力每降低0.5‰，行駛阻力下降約10N；同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)燃油車，WLTC循環(huán)工況每100km可降低油耗0.075L；對(duì)于純電車輛，輪胎滾阻降低0.5‰，可增加續(xù)航里程11.4Km。

在低滾阻輪胎調(diào)校過程中，需要特別注意的是滾阻降低，帶來的其他性能的降低，特別是和附著力相關(guān)的性能，只有做到充分平衡，多次優(yōu)化，最終才能得到相對(duì)較好的結(jié)果。低滾阻輪胎更適用于對(duì)油耗、電耗敏感的經(jīng)濟(jì)型車輛，對(duì)整車碳排放降低有貢獻(xiàn)。但若是性能車，更加關(guān)注車輛的操控、制動(dòng)、加速性能，就不推薦使用低滾阻輪胎了，這時(shí)候保證輪胎附著力是最關(guān)鍵的。