基于底盤測功機的純電動汽車續駛里程研究

文 王璽

基于底盤測功機的純電動汽車續駛里程研究

文 王璽

本文從底盤測功機模擬汽車行駛阻力的原理入手，通過理論分析以及在底盤測功機上的試驗驗證，分析了影響純電動汽車續駛里程的幾個可能因素。

隨著我國經濟與社會的發展，汽車已成為家庭必需品，然而快速增長的汽車保有量也帶來了嚴重的污染和能源危機。為了緩解這一問題，近年來國家加大了對新能源汽車的投入與補貼。作為新能源汽車發展的一個重要方向，純電動汽車的開發與研究已成為新能源領域的熱點，而純電動汽車的續駛里程則是研究中最受關注的一個項目。為此，本文基于底盤測功機就純電動汽車續駛里程試驗進行研究，分析并驗證了影響續駛里程的幾個因素。

底盤測功機阻力設定依據

車輛在路面行駛時的阻力

汽車在水平道路上等速行駛時，必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。當汽車在坡道上上坡行駛時，還必須克服重力沿坡道的分力，稱為坡度阻力。汽車加速行駛時還需要克服加速阻力。因此汽車行駛時總阻力為：

其中： Ff——滾動阻力

Fw——空氣阻力

Fi——坡度阻力

Fj——加速阻力

滾動阻力

車輪滾動時，輪胎與路面的接觸區域產生法向、切向的相互作用力以及相應的輪胎和支承路面的變形，輪胎和支承面的相對剛度決定了變形的特點。當彈性輪胎在硬路面上滾動時，輪胎的變形是主要的，此時由于輪胎有內部摩擦產生彈性遲滯損失，使輪胎變形時對它作的功不能全部回收。正是輪胎的這種彈性遲滯損失造成了滾動阻力。汽車行駛時的滾動阻力等于滾動阻力系數與汽車負荷之積，其計算公式為：

式中：W ——汽車負荷（N）；

f ——輪胎滾動阻力系數

空氣阻力

汽車在直線行駛時所受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。空氣阻力與汽車相對速度v^2成正比，其計算公式為：

A —— 汽車迎風面積（m2）

V —— 汽車行駛速度（km/h）

坡度阻力

坡度阻力是汽車在坡道路面上行駛時，汽車的重力在汽車行駛方向上的分力，坡度阻力計算公式為：

式中： M —— 汽車的質量（kg）

g —— 重力加速度（m/s2）

α —— 坡道路面與水平萬向的坡度角（。）

加速阻力

當汽車在加速行駛時，除了需要克服滾動阻力和空氣阻力外，還需要克服其自身質量加速運動時的慣性力，該慣性力即為加速阻力。汽車加速阻力可表示為：

式中：δ—— 汽車旋轉質量換算系數（δ＞1）

M —— 汽車的質量（kg）

底盤測功機上加載的阻力

汽車在道路上行駛時，其電動機輸出功率轉化成了汽車輪胎與地面間的滾動阻力消耗的功率、汽車內部傳動系所損耗的功率以及汽車路面行駛時的空氣阻力消耗的功率；而汽車在底盤測功機上行駛時的電動機輸出功率等于驅動輪在轉轂表面上的滾動阻力消耗的功率、底盤測功機自身內阻損耗的功率、測功器所吸收的功率、汽車內部傳動系所損耗的功率和驅動輪在轉轂表面打滑消耗的功率之和。可用公式表示為：

式中： P ——電動機的輸出功率

Pt——路面行駛時汽車內部傳動系所損耗的功率；

Pf——汽車輪胎與地面間的滾動阻力消耗的功率；

Pw——汽車路面行駛時空氣阻力消耗的功率；

Pt′——底盤測功機上行駛時汽車內部傳動系所損耗的功率；

Pfc——汽車驅動輪在轉轂表面上的滾動阻力消耗的功率；

Po——底盤測功機自身內阻損耗的功率；

Pdy——測功器所吸收的功率即加載阻力所消耗的功率；

Ps——驅動輪在轉轂表面打滑消耗的功率。

由于路面行駛時汽車內部傳動系所損耗的功率與在底盤測功機上行駛時汽車內部傳動系所損耗的功率相等，且驅動輪在轉轂表面打滑消耗的功率非常小，可以忽略不計，因此式（6）可簡化為：

根據功率與力的關系：功率等于力與速度的乘積，所以當汽車在道路路面行駛速度與汽車在底盤測功機上行駛速度一樣時，可以對式（7）轉換成力的關系式，如下式所示：

式中：Ff——汽車在實際道路路面滑行時的滾動阻力

Fw——汽車在實際道路路面滑行時的空氣阻力

Ffc——驅動輪在底盤測功機上的滾動阻力

Fo——臺架內阻

Fdy——臺架加載阻力

因此底盤測功機上應設定的阻力為：

底盤測功機阻力的加載方式

根據GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》要求，可采用標準推薦阻力（F=a+bv2）和車輛實際道路滑行阻力對底盤測功機進行設定。使用標準推薦阻力進行加載時，系數a、b由車輛的基準質量決定（表1），其中車輛基準質量為汽車的整備質量加100kg。由式（8）可知，采用車輛實際道路滑行阻力進行加載時，車輛在道路上的阻力與底盤測功機上的阻力存在差異。車輛在底盤測功機上進行試驗時阻力由兩部分組成，分別為車輛內阻和底盤測功機設定阻力。車輛內阻可由底盤測功機滑行測得，因此道路滑行總阻力減去車輛的內阻即為式（9）中底盤測功機的設定阻力Fdy。

表1 標準推薦阻力

影響續駛里程的原因分析

為了驗證各因素對純電動汽車續駛里程產生的影響，試驗采用控制變量法。每一組試驗均選用同一輛樣車，除被研究的影響因素不同外，其他因素均保持一致。

工況不同

車輛在道路上的行駛狀況可用加速、減速、勻速和怠速等一些參數來反映，通過對這種運動特征的調查和解析，繪制出能夠代表車輛運動狀況，表達形式為速度——時間的曲線，即為車輛工況工況圖。

根據GB/T18386-2005《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》要求，M1類純電動汽車可采用工況法（NEDC工況）和等速法（60km/h等速工況）進行續駛里程試驗。同時，在一定條件下也允許只采用市區循環進行試驗。

表2 不同工況下續駛里程比較

表2為奇瑞SQR6440BEVK06在兩種不同工況下的續駛里程及能量消耗率，其中60km/h等速工況的能量消耗率相對較小，續駛里程長達278km，而NEDC工況下的續駛里程為204km。NEDC工況下雖然平均車速較低僅為33.6km/h，但由于工況中剎車和啟動較為頻繁，增加了能量的損耗，因此續駛里程低于60km/h等速工況。

加載方式不同

根據GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》要求，可采用標準推薦阻力（F=a+bv2）和車輛實際道路滑行阻力對底盤測功機上的阻力進行設定。圖1為啟辰E30純電動汽車采用兩種不同加載方式時的速度——阻力圖，采用標準推薦阻力在底盤測功機上完成的續駛里程為174km，采用實際道路滑行阻力在底盤測功機上完成的續駛里程為186km。

圖1 標準推薦阻力和道路滑行阻力速度曲線

由圖1可知，樣車標準推薦阻力和車輛實際道路滑行阻力之間存在較大差異，標準推薦阻力在低速段阻力小于實際道路滑行阻力，車速為0km/h時差值最大，約為70N；標準推薦阻力在中高速段阻力大于實際道路滑行阻力，車速為120km/h時差值最大，約為170N，兩曲線交點在70km/h左右。如根據GB/T18386-2005《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》進行試驗，采用60km/h等速法進行試驗時，由圖1可知兩者阻力相差不大，若采用NEDC工況法進行試驗，無論市區循環還是市郊循環，阻力均存在較大差異。由表3統計可知，NEDC市郊工況所占理論行駛里程占據整個NEDC工況約63%的理論行駛距離，由此可見，市郊工況的能耗高低對樣車的續駛里程產生更大的影響。另一方面，樣車在高速段時兩種加載方式的差值大于低速段的差值，因此與實際滑行阻力相比，標準推薦阻力在低速段少消耗的能量小于在高速段多消耗的能量。綜上所述，采用標準推薦阻力加載進行NEDC工況試驗時，消耗的能量大于實際道路滑行阻力，而車輛的續駛里程也隨著能量消耗量的增加而減小。

表3 NEDC市區工況和市郊工況數據統計

行駛車速不同

表4為長城CC7000CE02BEV分別在NEDC市區工況和NEDC市郊工況下，采用標準推薦阻力進行加載后在底盤測功機上完成的續駛里程及能量消耗率。其中，市郊工況續駛里程為135km，比市區工況續駛里程少了20%。由表3可知，市郊工況的平均車速為62.6km/h，遠大于市區的19.0km/h。在高速運行時，由于純電動汽車大多未配備變速箱，電機接近于最大功率輸出，能量消耗巨大，與此同時大功率輸出時電機發熱相應提升，降低了電機的工作效率，也縮短了車輛的續駛里程。

表4 續駛里程及能量消耗率

結束語

影響純電動汽車續駛里程的因素有很多，本文通過樣車在底盤測功機上的試驗，并對試驗數據進行分析后得出以下結論：相同條件下，在車速較為穩定的工況下行駛，采用車輛實際道路滑行阻力對底盤測功機進行加載，以較低的車速行駛都將提高轎車的續駛里程。

（作者就職于上海機動車檢測中心新能源機動車檢測技術研究所）