純電動汽車行駛阻力影響因素和高低溫阻力修正因子研究

李 博 張 朋 徐軍輝 孫 龍

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

我國新能源汽車在近幾年發展勢頭強勁，純電動汽車的銷量逐年攀升。截至2019 年底，國內純電動乘用車產銷量共計高達120 萬輛，比2016 年的20多萬輛增長近5 倍之多[1]。車輛續駛里程是消費者購買純電動汽車的一項重要性能參考指標。純電動汽車續駛里程的影響因素主要包括電池包性能、車輛設計最大總質量、輔助系統能耗、環境溫度、道路狀況、行駛工況以及駕駛習慣等[2]，其中，車輛行駛阻力是其續航里程的一項主要影響因素。車輛行駛阻力主要包括輪胎滾動阻力、空氣阻力、變速系統傳動阻力和坡道阻力，而輪胎、氣壓、風速、環境溫度等因素會對行駛阻力造成一定影響。

中國汽車技術研究中心有限公司的EV-TEST測評管理規則（2019 版）中，對于總質量小于3 500 kg的純電動汽車行駛阻力的測試是按照GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（簡稱國六標準）中附件CC 的規定進行道路載荷測量。國六標準中，對-7℃環境下的車輛行駛阻力的測試規定是：用底盤測功機模擬-7℃環境下汽車在道路上的運行狀況，可以基于-7 ℃環境下確定的道路負荷的變化，也可以按照附件CH 確定的行駛阻力，將汽車滑行時間減少10%后得到的阻力作為道路負荷替代值[3]。即在不進行實際道路低溫環境滑行的情況下，如需在底盤測功機上模擬行駛阻力，可以將常溫下的道路行駛阻力乘以1.1 的系數作為-7 ℃環境下的車輛行駛阻力。但是，這里將常溫下的行駛阻力增加10%的具體原因并未作合理解釋。因此，本文對純電動汽車在-7.5 ℃和31 ℃環境下的行駛阻力與常溫下的行駛阻力進行對比，得到準確的純電動汽車的高低溫行駛阻力修正系數。同時，本文對熱車時間和胎壓2 種影響因素也做了比對。

1 滑行法行駛阻力測定

滑行能量變化法（簡稱滑行法）是車輛按照一定條件充分熱車之后，在干燥、平直的道路上加速到一定初速度，掛入N 檔（純電動汽車關閉制動能量回收開關），測試車輛自由減速到各車速的實際時間，從而計算不同車速下的行駛阻力，通過擬合確定道路行駛阻力方程[4]。滑行法計算得到的各車速下的行駛阻力擬合方程為：

式中：F 為行駛阻力，N；V 為車速，km/h；f0、f1、f2均為道路載荷系數。

2 滑行試驗條件和計算理論

2.1 試驗道路

試驗道路為鹽城試驗場干燥、平直的性能測試道路，縱坡度小于1%，長度為3 km 左右。

2.2 標準依據

依據國六標準中附件CC 的規定進行測試。

2.3 氣象條件

選擇在晴朗無雨雪、風速小于3 m/s 的氣象條件下進行試驗，每次試驗的最高溫度與最低溫度差不大于5 ℃。

2.4 車輛準備

試驗車輛進行了至少3 000 km 的磨合，試驗前后均對車輛進行稱重，計算質量取車輛試驗前后的算術平均值。正式滑行前，以接近120 km/h 的速度對車輛進行30 min 充分預熱，使其狀態達到穩定。

2.5 試驗和結果計算

正式測試時，車輛加速到140 km/h 并維持該車速大約10 s 后開始空檔滑行，測試車速從（V+5）km/h 降至（V-5）km/h 的時間。測試過程中，車輛盡量不轉動方向，不進行制動操作。受路段長度的限制，單向滑行試驗分為2 段進行，每輛車的往返測試共進行6 組，計算車輛滑行時間的統計精度。均小于0.03。

式中：Pj為速度Vj下的統計精度；Fj為速度Vj下的行駛阻力，N；n 為測試組數；σj為標準偏差；Δtj為速度Vj下的調和平均滑行時間，s；mav為試驗前后車輛質量平均值，kg；mr為轉動零部件等效有效質量，kg。

通過公式（3）計算出130～20 km/h 各車速下的行駛阻力后，擬合得到測試所得的道路載荷系數f2、f1、f0，然后分別按以下公式修正得到最終基準狀態（大氣壓力為100 kPa、溫度為293 K）下的道路載荷系數A、B、C。

式中：T 為環境溫度，℃；K0為滾動阻力修正因子，K0=8.6×10-3K-1；K1為測試質量修正因子，N；K2為空氣阻力校正因子；w1為風阻修正值，N。K1、K2、w1的計算公式分別如下：

式中：TMh為測試質量，kg；p 為大氣壓力算術平均值，kPa；vw為試驗道路旁2 個方向的風速中，相對較低的風速算術平均值，m/s。

3 行駛阻力測試

3.1 不同熱車時間和胎壓的行駛阻力

試驗對A 車進行了不同熱車時間和胎壓的行駛阻力測試，由于車輛的行駛阻力受路面、胎壓、風速和氣溫等多種因素的影響，在進行不同熱車時間的測試中，保證車輛胎壓、車輛測試質量相同，試驗盡量選擇在風速較小的條件下進行，試驗路面干燥清潔。在進行不同胎壓的測試時，除胎壓以外的其他因素盡可能保持一致。A 車的試驗條件和環境如表1所示。

表1 A 車的試驗條件和環境

按照國六標準要求，滑行試驗前，以90%的基準車速（118 km/h）熱車，時間不少于20 min，直到車輛達到穩定狀態。按照測試經驗，本文以30 min 熱車時間作為一個標準熱車時間。此時，車輛的潤滑油溫度和冷卻液溫度均能達到穩定狀態。其余試驗均以30min 熱車時間作為參照。A 車進行了5 組測試，各條件下修正后的行駛阻力如表2 所示。

表2 A 車修正到基準狀態下的行駛阻力

圖1 為A 車不熱車的行駛阻力和60min 熱車時間的行駛阻力與標準熱車30min（簡稱為標準狀態）的行駛阻力差值比較。

圖1 A 車不同熱車時間的行駛阻力與標準狀態的行駛阻力差值比較

從圖1 可以看出，A 車不熱車的車輛行駛阻力均高于60 min 熱車，在充分熱車60 min 的情況下，各速度下的行駛阻力平均降低12 N。

圖2 為A 車在（胎壓-0.02 MPa）下的行駛阻力和（胎壓+0.02 MPa）下的行駛阻力與標準狀態的行駛阻力差值比較。

從圖2 可以看出，各胎壓減小0.02 MPa，各車速下的行駛阻力平均增加8.1 N。而各胎壓增加0.02 MPa，各車速下的行駛阻力均有所減小，平均減小19.2 N。可見，各胎壓在增減幅度相同的情況下，與減小胎壓相比，增加胎壓，行駛阻力減小近27N。

圖2 A 車不同胎壓下的行駛阻力與標準狀態的行駛阻力差值比較

因此，車輛熱車時間充分與否以及胎壓大小對車輛的行駛阻力影響較大。車輛熱車充分的條件下，由于動力系統和傳動系統的潤滑油溫度達到正常工作溫度，車輛內阻相應降低。而胎壓對車輛行駛阻力的影響主要是輪胎與路面的接觸面積變化所致，氣壓增加的情況下，輪胎與路面的有效接觸面積減小，從而減小了車輛的摩擦阻力。因此，在進行行駛阻力測定前，應按照國六標準中附件CC 的規定充分熱車并調整胎壓，盡量減小操作因素對車輛行駛阻力的影響。

3.2 低溫行駛阻力

由于車輛的行駛阻力受路面、胎壓、風速和氣溫等多種因素的影響，為了排除胎壓、風速和路面粗糙度等因素的影響，盡量將環境溫度作為單一影響因素，每次試驗都保證各車輛的胎壓保持一致，車輛試驗質量相同，試驗盡量選擇風速小于1 m/s 的條件下進行，試驗路面干燥清潔。B 車的試驗條件如表3 所示，可認為環境溫度為單一影響因素。

表3 B 車的試驗條件和環境

常溫和低溫的行駛阻力試驗分別在秋冬兩季完成，表4 為B 車的測試結果，包括車輛從基準速度降低至各速度下的時間和通過滾動阻力、測試質量、空氣阻力和風速綜合修正到基準狀態的行駛阻力。

表4 B 車的試驗結果

從表4 可以看出，低溫條件下，B 車從基準車速降至各車速的滑行時間均小于常溫。根據牛頓第二定律F=ma 可知，在質量和速度不變的情況下，時間越短，F 越大。

圖3 為B 車在2 種環境溫度下修正后的行駛阻力對比曲線。可以看出，-7.5℃環境溫度下，車輛修正到基準狀態下的行駛阻力均高于15.0℃環境溫度。

圖3 B 車修正后行駛阻力

圖4 為B 車低溫與常溫下的行駛阻力之比。

由圖4 可以看出，低溫狀態下，B 車各車速下的行駛阻力為常溫狀態下行駛阻力的1.14～1.34 倍，阻力倍數調和平均值為1.21。由此可以驗證，B 車的低溫行駛阻力并不是常溫狀態下的行駛阻力整體增加1.1 倍，低溫行駛阻力隨車速降低呈現增加趨勢。

圖4 B 車低溫行駛阻力與常溫行駛阻力之比

圖5 為B 車低溫行駛阻力的增加倍數與車速的關系柱狀圖。

圖5 B 車低溫行駛阻力增加倍數與車速的關系柱狀圖

從圖5 可以看出，低溫環境下，車輛的行駛阻力整體增加。但是，增幅隨車速降低呈現增加趨勢，B車行駛阻力的增幅為0.14～0.34 倍。由于車輛在行駛過程中的阻力主要由滾動阻力、空氣阻力和機械阻力構成，車輛在高速段的行駛阻力中空氣阻力占主導作用，車輛在低速段的行駛阻力中滾動阻力和機械阻力占主導作用，因此，從B 車的行駛阻力增加趨勢可以得到，低溫環境下，車輛的滾動阻力和機械阻力增幅較大，即低溫環境主要影響車輛的滾動阻力和機械阻力。

綜上所述，將B 車從130～20 km/h 的低溫和常溫的行駛阻力之比進行擬合，可得到B 車低溫行駛阻力修正系數的方程為：

式中：X 為當前車速，km/h。

因此，B 車在不同車速下的低溫行駛阻力與常溫行駛阻力之比可按照該擬合公式進行修正。

3.3 高溫行駛阻力

C 車的高溫行駛阻力和常溫行駛阻力比對試驗分別在夏、春兩季完成，表5 為C 車行駛阻力測試場地的環境條件，試驗風速在1 m/s 以內，盡量減小風速差異對試驗結果的影響。

試驗結果如表6 所示。

C 車在31 ℃環境溫度下的滑行時間均大于23.1 ℃環境溫度，因此，高溫環境下，C 車各車速下修正到基準狀態下的行駛阻力小于常溫環境。從2 者行駛阻力比對結果可以看出，C 車在常溫環境下各車速的行駛阻力為高溫行駛阻力的1.02～1.07 倍，阻力比的調和平均值為1.05。C 車在高溫環境下的行駛阻力均較常溫環境有所減小，其阻力減小平均值為5%。可以認為，與常溫環境相比，高溫環境下車輛的行駛阻力減小量在工程允許誤差以內，無需進行修正。

圖6 為C 車高溫行駛阻力的減小倍數與車速的關系柱狀圖。

圖6 C 車高溫行駛阻力減小倍數

從圖6 可以看出，高溫環境下，車輛的行駛阻力整體減小。但是，減幅隨車速降低呈現先增加后下降趨勢。

3 結論

1）車輛行駛阻力的影響因素諸多，將環境溫度作為單一影響因子的前提是保證風速、氣壓和路面粗糙度在2 組試驗前后盡可能保持一致，盡量減小除環境溫度以外的其它因素對車輛行駛阻力的影響。

2）車輛在高溫環境下的行駛阻力整體減小，但平均減幅不超過5%，不建議對其進行行駛阻力修正。

3）低溫環境主要影響車輛的滾動阻力和機械阻力，隨著車速的降低，車輛行駛阻力增幅呈增加趨勢，其行駛阻力是常溫環境下的1.14～1.34 倍，各車速調和平均行駛阻力為常溫環境的1.21 倍，不推薦-7℃環境下純電動車的行駛阻力系數按照常溫行駛阻力整體乘以1.1 的倍數進行計算，車輛的低溫行駛阻力應按照車速逐個修正。

4）充分熱車可以降低車輛內阻，從而降低行駛阻力。胎壓對車輛行駛阻力的影響主要是輪胎與路面的接觸面積變化所致，各胎壓在增減幅度為0.02MPa 的情況下，增加胎壓的行駛阻力比減小胎壓降低近27N。