汽車動(dòng)力性測(cè)試研究

孫艷妮 曹亞楠 袁月會(huì) 蘇娜

摘要：針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性能測(cè)試可分析性差、測(cè)試結(jié)果精確性不高以及測(cè)試方法單一的突出問題，采用Lab-VIEW汽車動(dòng)力性測(cè)試系統(tǒng)軟件，從“汽車最高車速”“最大爬坡度”和“加速能力”測(cè)試三個(gè)維度，并基于虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行汽車動(dòng)力性測(cè)試分析，提出了具體的測(cè)試試驗(yàn)方法和注意事項(xiàng)，同時(shí)對(duì)兩種不同類型的汽車動(dòng)力性測(cè)試的方式和具體差異進(jìn)行總結(jié)梳理，以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力性改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究提供一定的啟發(fā)與思路參考。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車；虛擬儀器技術(shù)；動(dòng)力性能；測(cè)試

中圖分類號(hào)：U467? 收稿日期：2023-04-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.029

1 研究背景

汽車所有的性能指標(biāo)中，“動(dòng)力性能”是影響汽車使用價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它也是汽車各大性能指標(biāo)中最重要的一種測(cè)試指標(biāo)[1]。一般來講，衡量和評(píng)價(jià)一款汽車工作效能的核心指標(biāo)就是汽車動(dòng)力性能的高低。以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車為例，它的動(dòng)力性能指標(biāo)主要由三個(gè)維度的內(nèi)容構(gòu)成，分別是汽車的加速能力、最大爬坡度和最高車速，但是對(duì)于目前新上市的純電動(dòng)汽車而言，一般在評(píng)價(jià)和衡量該類汽車動(dòng)力性能高低時(shí)，除了引入上述三個(gè)方面的指標(biāo)外，還需通過充放電試驗(yàn)來測(cè)試汽車的蓄電池耗能情況[2]。

2 研究方案設(shè)計(jì)

在汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究和開發(fā)過程中，動(dòng)力性指標(biāo)值計(jì)算分析的結(jié)果是否準(zhǔn)確有效至關(guān)重要。傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力性能指標(biāo)檢測(cè)儀器在產(chǎn)品出廠之前已經(jīng)被廠家定義好，所以在后期使用過程中，用戶無法自行更改相關(guān)參數(shù)，這就導(dǎo)致某些測(cè)試功能存在一定的局限性，只能對(duì)汽車某些特定的動(dòng)力性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析。

為了提高汽車動(dòng)力性能測(cè)試效能，本研究基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)了一款汽車動(dòng)力性測(cè)試分析系統(tǒng)，結(jié)合NI公司的軟、硬件設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力性測(cè)試儀器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，該測(cè)試分析系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性、數(shù)據(jù)測(cè)試準(zhǔn)確度、測(cè)試效率、數(shù)據(jù)分析速度等方面均能夠滿足當(dāng)前的需要。該動(dòng)力性測(cè)試分析系統(tǒng)具有開放性好、擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了汽車動(dòng)力性能主觀與客觀評(píng)價(jià)效能。該測(cè)試方案通過虛擬儀器技術(shù)來完成對(duì)傳感器發(fā)出的速度信號(hào)的采集、處理和分析，借助軟件來實(shí)現(xiàn)采集、顯示、分析等功能。該測(cè)試系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分構(gòu)成，其中硬件部分主要由OES-Ⅱ非接觸測(cè)長測(cè)速傳感器、DAQ card-AI-16E-4（NI-6041E）數(shù)據(jù)采集卡、SC-2040數(shù)據(jù)保持卡、自行設(shè)計(jì)制作的電壓轉(zhuǎn)換器和筆記本電腦組成；軟件部分是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)速度傳感器信號(hào)的采集、分析并顯示車輛行駛的實(shí)時(shí)速度、路程、最大加速度。測(cè)試系統(tǒng)以圖形化編程語言Lab VIEW為工具，編寫汽車動(dòng)力性測(cè)試系統(tǒng)程序。某新能源汽車的常規(guī)參數(shù)如表1所示。

3 汽車動(dòng)力性測(cè)試方案實(shí)施與結(jié)果驗(yàn)證分析

3.1 最高車速試驗(yàn)測(cè)試

在汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，首先需要測(cè)試汽車的最高車速。這一指標(biāo)并非是一個(gè)瞬時(shí)值，相反它指的是汽車在良好、水平的直線路段上保持一定動(dòng)力行駛時(shí)所能達(dá)到的最高車速。由于目前市場(chǎng)上常見的車型有兩種，一種是純電動(dòng)汽車，另一種是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，二者由于動(dòng)力來源不同，所以在汽車的動(dòng)力性能測(cè)試試驗(yàn)過程中，應(yīng)注意二者的試驗(yàn)測(cè)試區(qū)別。首先是在選擇測(cè)試道路時(shí)，純電動(dòng)汽車最高車速試驗(yàn)測(cè)試時(shí)的跑道直線長度應(yīng)在1 200 m以上，測(cè)試跑道環(huán)線長度應(yīng)在1 300 m以上，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車最高車速試驗(yàn)測(cè)試時(shí)的跑道直線長度與跑道環(huán)線長度分別應(yīng)≥250 m和≥2 500 m。在車輛預(yù)熱過程中，純電動(dòng)汽車需要保持既定的運(yùn)行時(shí)長與速度，但傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車對(duì)于車輛的預(yù)熱溫度只需要滿足汽車制造廠規(guī)定的溫度[3]。所以在計(jì)算這兩種不同類型的汽車最高車速時(shí)，要注意汽車車速測(cè)試詳細(xì)測(cè)試方法、指標(biāo)與具體要求，具體如下：

a.測(cè)試跑道直線長度：純電動(dòng)汽車≥1 200 m；內(nèi)燃機(jī)汽車≥250 m。

b.測(cè)試跑道環(huán)線長度：純電動(dòng)汽車≥1 300 m；內(nèi)燃機(jī)汽車≥2 500 m。

c.測(cè)試加速區(qū)縱坡角度：純電動(dòng)汽車≤3.5%；內(nèi)燃機(jī)汽車≤0.6%。

d.測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱要求：純電動(dòng)汽車，在30 min之內(nèi)，嚴(yán)格按照純電動(dòng)汽車80%的最高車速勻速行駛約5 km，保證汽車傳動(dòng)系統(tǒng)以及電機(jī)系統(tǒng)充分預(yù)熱；內(nèi)燃機(jī)汽車，其動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)零部件必須達(dá)到相應(yīng)汽車生產(chǎn)廠商穩(wěn)定的溫度標(biāo)準(zhǔn)。

e.單一方向汽車最高車速測(cè)試試驗(yàn)條件：純電動(dòng)汽車，連續(xù)進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn)，且在任一測(cè)試時(shí)段節(jié)點(diǎn)中，汽車最高車速值須≤1 m[4]；內(nèi)燃機(jī)汽車，連續(xù)進(jìn)行6次重復(fù)試驗(yàn)，且在任一測(cè)試時(shí)段節(jié)點(diǎn)中，汽車最高車速值須≤1.5 m。

f.雙方向汽車最高車速測(cè)試試驗(yàn)條件及汽車最高車速計(jì)算方法：純電動(dòng)汽車，vmax=（v1max+vQmax）/2；內(nèi)燃機(jī)汽車，[vmax=1313v1]。

g.汽車以最高車速行駛時(shí)的整車動(dòng)力要求：純電動(dòng)汽車蓄電池處于完全充電的85%左右。

3.2 最大爬坡度試驗(yàn)測(cè)試

一般來講，汽車的最大爬坡度指的是汽車在滿載符合狀態(tài)下于良好路面上所要通過的極限坡道，該數(shù)值通常采用“%”來表示，闡述的是汽車在良好路面上的坡道垂直高度與汽車在滿載狀態(tài)下勻速通過極限坡道時(shí)的水平距離的比值。但是在實(shí)際測(cè)試過程中，由于車輛動(dòng)力性能來源不同，所以導(dǎo)致汽車最大爬坡度試驗(yàn)實(shí)際測(cè)試方法也有所不同[4]。

在測(cè)試汽車的最大爬坡度路段實(shí)際長度上，純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車規(guī)定的實(shí)際數(shù)值完全不同，基于此，在試驗(yàn)測(cè)試最大爬坡度這一指標(biāo)時(shí)，需要嚴(yán)格根據(jù)車輛動(dòng)力性差異來選擇實(shí)際的測(cè)試路段長度[5]。除了路段實(shí)際長度之外，在測(cè)試環(huán)節(jié)，還應(yīng)注意不同車輛的輪胎氣壓，在標(biāo)準(zhǔn)要求上，純電動(dòng)汽車無特殊規(guī)定，但是對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車來講，必須要按照廠家規(guī)定的明確氣壓要求對(duì)汽車動(dòng)力性進(jìn)行測(cè)試。

此外，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車并沒有嚴(yán)格規(guī)定汽車的實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試速度，一般情況下，只需要確保汽車保持低速勻速行駛即可，但需要將汽車油門開至最大，與此同時(shí)，在數(shù)據(jù)收集過程中，純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車分別需要收集車輛速度數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)和汽車爬坡時(shí)以10 m/min速度行駛時(shí)通過測(cè)量區(qū)域的時(shí)間數(shù)據(jù)。

根據(jù)這一要求和規(guī)定，在測(cè)試汽車爬坡度指標(biāo)時(shí)，必須要保證純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車都要達(dá)到此要求。需要注意的是，在二者實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果數(shù)值計(jì)算過程中，需要采用如下公式來計(jì)算純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的爬坡度[6-7]，純電動(dòng)汽車的爬坡度計(jì)算如下：

式中，F(xiàn)t為平衡純電動(dòng)汽車行駛載荷所需“牽引力矩”；M為純電動(dòng)汽車出廠時(shí)整車最大質(zhì)量；g為純電動(dòng)汽車行駛過程中的重力加速度。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的爬坡度計(jì)算如下：

式中，D為傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車行駛過程中的動(dòng)力因數(shù)；f為傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車行駛過程中的路面滾動(dòng)阻力系數(shù)。

3.3 加速能力實(shí)驗(yàn)測(cè)試

提到汽車加速時(shí)間，汽車?yán)碚搶?duì)該測(cè)試指標(biāo)有兩項(xiàng)要求，分別是測(cè)試汽車的超車加速時(shí)間與原地起步加速時(shí)間。另外，汽車加速能力實(shí)驗(yàn)測(cè)試也包含兩項(xiàng)基本內(nèi)容，分別是汽車固定擋和起步連續(xù)換擋加速性能試驗(yàn)，在試驗(yàn)測(cè)試過程中，上述兩項(xiàng)基本的試驗(yàn)測(cè)試過程都是從汽車由低速全力向高速全力加速開始測(cè)量，這一過程的耗時(shí)即為汽車加速時(shí)間。通過上述分析可以看出，在汽車加速能力測(cè)試環(huán)節(jié)，純電動(dòng)汽車的試驗(yàn)測(cè)試方法與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車存在一定的差別，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)維度[8]：

a.在試驗(yàn)測(cè)試汽車的起步加速性能時(shí)，純電動(dòng)汽車的加速時(shí)間指的是汽車由靜止加速到汽車實(shí)際行駛速度保持在50 km/h時(shí)的耗時(shí)，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的加速時(shí)間指的是汽車由靜止加速到汽車實(shí)際行駛速度保持在100 km/h時(shí)的實(shí)際耗時(shí)。

b.在試驗(yàn)測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)收集過程中，還需測(cè)試收集傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車由靜止到全加速通過400 m的時(shí)間數(shù)據(jù)，但純電動(dòng)汽車則無需收集這一數(shù)據(jù)指標(biāo)。

c.在試驗(yàn)測(cè)試次數(shù)方面，純電動(dòng)汽車只需要往返各測(cè)試一次，但一般要求對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行三次以上的往返測(cè)試。

汽車加速能力試驗(yàn)詳細(xì)測(cè)試要求如下：

a.測(cè)試加速時(shí)間1：純電動(dòng)第一次加速所需時(shí)速為50 km/h；傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車第一次加速所需時(shí)速為100 km/h，往返測(cè)試三次，取平均值。

b.測(cè)試汽車加速時(shí)間2：純電動(dòng)汽車第二次加速反方向行駛所需時(shí)速為50 km/h；傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車第二次加速由靜止到全速通過400 m時(shí)所需時(shí)速為100 km/h，汽車往返測(cè)試三次，取平均值。

c.測(cè)試前所要達(dá)到的速度：純電動(dòng)測(cè)試前車速需要達(dá)到50km/h，且連續(xù)保持行駛500 m的距離；傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車在測(cè)試前需要達(dá)到60 km/h，且需要連續(xù)保持行駛2 s以上。

d.測(cè)試時(shí)的汽車加速時(shí)間采集：純電動(dòng)汽車反方向70 km/h與50 km/h所需時(shí)間；傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車行駛80 km/h所需時(shí)間。

e.能力試驗(yàn)其他要求：純電動(dòng)汽車加速能力測(cè)試時(shí)蓄電池處于完全充電的55%以上[9]；傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車超越加速能力測(cè)試時(shí)汽車輪胎至少需要連續(xù)經(jīng)過100 km的磨合。

另外，兩者在汽車起步加速性能試驗(yàn)測(cè)試和汽車超越加速性能試驗(yàn)測(cè)試次數(shù)方面，要求均一致。

綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，汽車的動(dòng)力電池最大持續(xù)放電電流和瞬間放電電流這兩項(xiàng)指標(biāo)都會(huì)嚴(yán)重影響和干擾純電動(dòng)車的加速能力測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車是目前市面上常見的主流車型，但是這類汽車與新型的純電動(dòng)汽車相比，二者在整車動(dòng)力性能方面尚存在較大差異，由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車對(duì)環(huán)境的污染較大，且能耗較高，因此純電動(dòng)汽車日益受到廣大汽車用戶、汽車制造商與測(cè)試研究者的重視和關(guān)注。通過本文的研究與論述可以看出，汽車動(dòng)力性測(cè)試主要包含汽車最高車速、最大爬坡度和加速能力三項(xiàng)指標(biāo)，由于車輛動(dòng)力性能存在差異，所以具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法與內(nèi)容也有較大區(qū)別，因此試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與仿真值的對(duì)比可以更加全面、客觀地評(píng)價(jià)和衡量車輛的整車動(dòng)力性能差異，并有效地指導(dǎo)純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的設(shè)計(jì)、整車目標(biāo)的制定、動(dòng)力系統(tǒng)的選擇以及政策性能預(yù)測(cè)和分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜銀煥.基于ADVISOR的汽車動(dòng)力性仿真研究[J].新型工業(yè)化，2021，11（5）：139-140.

[2]范青海.純電動(dòng)汽車動(dòng)力性標(biāo)定方法研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020，45（21）：5-7.

[3]王一博.汽車動(dòng)力性能主觀與客觀評(píng)價(jià)相關(guān)性研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（24）：101-103.

[4]蔣玉爽.某純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及整車性能仿真與測(cè)試[D].長春：吉林大學(xué)，2018.

[5]王國軍，王磊，李遠(yuǎn).汽車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性開發(fā)及其影響因素[J].汽車工程師，2015（7）：17-20.

[6]張宏超，馬俊達(dá)，李克，等.基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)（EIL）測(cè)試的車輛傳動(dòng)系最優(yōu)匹配的研究[J].汽車工程，2014，36（8）：1019-1023.

[7]王云龍，張洪田.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)模糊控制器研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2013，37（4）：733-736.

[8]盤朝奉，徐興，廖學(xué)良，等.基于動(dòng)態(tài)建模仿真的純電動(dòng)汽車動(dòng)力性分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31（2）：335-338.

[9]劉忠途，伍慶龍，宗志堅(jiān).純電動(dòng)汽車動(dòng)力性與能耗靈敏度分析[J].上海汽車，2010（12）：8-11.

作者簡介：

孫艷妮，女，1991年生，講師，研究方向?yàn)槟茉磁c動(dòng)力。