環(huán)境因素對(duì)電動(dòng)汽車雨刮系統(tǒng)能效的影響研究

中圖分類號(hào)：U463 DOl：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.003

Abstract：Thisstudyfocuses ontheimpactofenvironmentalfactorsontheenergyeficiencyof electricvehicle wipersystems.By analyzingkeoattueitynfalddditdt motoreffciecyateralpropertsndsoccracyoftirstm，tebtinrallrgficeice explores theinternal mechanismof energyconsumptionchangesinwiper systemscaused byenvironmentalfactors.Basedonthis， mutipleresponsestrategiesavebeenproposed，udingthealicationofwatherresstantmaterialsupradingoftelint sensingtechnolgdptieustmentagoritsndrcturltiationiedatimproingtegefiecyd ofwipersystemsindiferentenvironments.Thisartcleotonlyprovidestheoreticalsupportfotedesinoptimiatioofelectricveicle wipersystems，butalsopointsoutthedirectionforachievingmoreenvironmentallfriendlyandeffcientautomotivewipersystems. Keywords： Environmental factors; Electric vehicles;Wiper system; Energy eficiency; Influence

0 引言

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，雨刮系統(tǒng)（也稱：雨刷系統(tǒng)、刮水器）作為確保行車安全的核心組件，其效能表現(xiàn)逐漸成為業(yè)界焦點(diǎn)1。多種外部環(huán)境因素，包括溫度、濕度、降水量、風(fēng)速以及光照強(qiáng)度，對(duì)電動(dòng)汽車雨刮系統(tǒng)的能效產(chǎn)生顯著影響。這些環(huán)境條件不僅直接影響著雨刮電機(jī)的工作效率，而且通過調(diào)整雨刮片與擋風(fēng)玻璃之間的摩擦系數(shù)、影響傳感器的準(zhǔn)確性等途徑，間接地對(duì)整個(gè)雨刮系統(tǒng)的能耗施加作用。因此，深入探討環(huán)境因素對(duì)電動(dòng)汽車雨刮系統(tǒng)能效的影響，尋求有效的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)于提升電動(dòng)汽車的整體能效、延長(zhǎng)行駛里程并增強(qiáng)行車安全性至關(guān)重要。

此外，高溫不僅加速了雨刮片（也稱：雨刷片）的老化過程，而且有可能引起雨刮電機(jī)過熱，從而降低電機(jī)的工作效率[2。相比之下，在低溫條件下，雨刮片則可能變得過于僵硬，同樣影響其擦拭效果。

1.2濕度與降雨

當(dāng)空氣濕度較高時(shí)，空氣中所含水分可能加重電池的負(fù)擔(dān)，促使電池能量消耗加速，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)車輛的續(xù)航里程產(chǎn)生不利影響。在降雨期間，雨刷系統(tǒng)需頻繁運(yùn)作以清除擋風(fēng)玻璃上的雨水，確保駕駛者擁有清晰視野{3。然而，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨可能導(dǎo)致雨刮片加速磨損，尤其在干燥環(huán)境下進(jìn)行干刮時(shí)，磨損速度會(huì)顯著加快。

1.3風(fēng)速與風(fēng)向

1環(huán)境因素對(duì)電動(dòng)汽車雨刮系統(tǒng)能效的影響

1.1溫度

在高溫環(huán)境下，采用橡膠材料的雨刮片容易發(fā)生老化、硬化并失去彈性，這進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致雨刮片擦拭效果及壽命的減退。

在高速行進(jìn)中，風(fēng)力會(huì)增加雨刮片所面臨的阻力，嚴(yán)重時(shí)甚至可能將雨刮片從擋風(fēng)玻璃表面吹離，導(dǎo)致刮拭功能喪失，直接威脅行車安全。因此，在研發(fā)雨刮系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮其在高速狀態(tài)下的抗飄性能，確保即使在高速運(yùn)行期間也能保持穩(wěn)定運(yùn)行[4。同時(shí)，風(fēng)向的變化也會(huì)影響雨刮片的擦拭效果，尤其是在遭遇較強(qiáng)側(cè)風(fēng)時(shí)，雨刮片可能發(fā)生偏移或震動(dòng)，進(jìn)而降低擦拭效率。

2 應(yīng)對(duì)策略

2.1 材料與技術(shù)革新

第一，耐候性材料應(yīng)用。傳統(tǒng)雨刮片常使用普通橡膠材料，這類材料在耐候性與耐磨性方面存在局限，尤其是在遭遇極端溫度時(shí)，容易發(fā)生硬化或軟化，從而影響其清潔效能。為了提升雨刮片的耐候性，可選用高品質(zhì)橡膠材料，比如硅橡膠或熱塑性彈性體（TPE）。這些材料展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫耐受、低溫適應(yīng)及抗老化特性，在廣泛的溫度范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的物理與化學(xué)性能，進(jìn)而延長(zhǎng)雨刮片的使用壽命。

第二，智能傳感技術(shù)升級(jí)。傳統(tǒng)的雨刮系統(tǒng)常依賴單一雨量感應(yīng)器來識(shí)別降雨?duì)顩r，然而，這類系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)環(huán)境變化時(shí)的響應(yīng)速度與精確度存在局限性。為了提升雨刮系統(tǒng)的智能化程度，一種可行的方法是實(shí)施多感應(yīng)器整合策略，將雨量感應(yīng)器、風(fēng)速感應(yīng)器、溫度感應(yīng)器、濕度感應(yīng)器等多元化的感應(yīng)器集成應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)全方位的環(huán)境因素監(jiān)控。通過算法對(duì)這些多源感應(yīng)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，能夠更為精準(zhǔn)且迅速地判定降雨?duì)顟B(tài)，進(jìn)而適時(shí)調(diào)整雨刮系統(tǒng)的工作模式。

2.2 控制策略優(yōu)化

首先，自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法。通過采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)以前的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練與解析，能夠構(gòu)建出降雨預(yù)報(bào)模型。借助這一模型，能夠預(yù)估未來的降雨趨勢(shì)，并據(jù)此預(yù)先調(diào)控雨刷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。具體而言，當(dāng)預(yù)測(cè)到將會(huì)有暴雨來襲時(shí)，應(yīng)提前啟動(dòng)雨刷系統(tǒng)并切換至高速運(yùn)轉(zhuǎn)模式；而當(dāng)降雨強(qiáng)度減弱時(shí)，則需相應(yīng)地調(diào)低工作頻率與力度，以期達(dá)到節(jié)能的目的。

其次，能量回收機(jī)制。在雨刮電機(jī)的輸出端安裝能量回收組件，例如發(fā)電機(jī)或能量轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⒂旯蜗到y(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并進(jìn)行存儲(chǔ)。所回收的電能可用于為電動(dòng)汽車的輔助設(shè)施供電，包括照明與音響系統(tǒng)等，以此達(dá)到降低整車能源消耗的目的。

2.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)與維護(hù)管理

第一，流線型設(shè)計(jì)。對(duì)雨刮片的外形與尺寸進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，采用空氣動(dòng)力學(xué)原理下的流線型設(shè)計(jì)，旨在減少雨刮執(zhí)行動(dòng)作時(shí)所遭遇的空氣阻力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源消耗的降低[。此外，流線型的設(shè)計(jì)還能增強(qiáng)雨刮片的排水效能，使其能加更貼合前擋風(fēng)玻璃的表面，有效減少刮拭盲區(qū)。

第二，定期檢查與更換。建立周期性檢測(cè)方案，對(duì)雨刮片的損耗狀況以及電機(jī)的操作狀態(tài)實(shí)施檢查與評(píng)價(jià)。一旦察覺到雨刮片磨損或是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常，務(wù)必即時(shí)進(jìn)行替換或修理。此外，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情境下的環(huán)境因素，設(shè)定科學(xué)的更換周期及維護(hù)規(guī)劃。比如，在多雨且濕度較高的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)縮減雨刮片的更換時(shí)間間隔；而在多風(fēng)沙的地區(qū)，則需著重加強(qiáng)電機(jī)部件的清潔與保養(yǎng)工作。

3環(huán)境因素對(duì)電動(dòng)汽車雨刮系統(tǒng)能效影響的案例分析

3.1背景介紹

電動(dòng)汽車作為環(huán)保出行的重要方式，其各部件的能效在不同環(huán)境下備受關(guān)注。雨刮系統(tǒng)雖在能耗中占比相對(duì)較小，但在惡劣天氣下頻繁使用會(huì)影響車輛整體續(xù)航能力。本研究旨在分析溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素對(duì)電動(dòng)汽車雨刮系統(tǒng)能效的具體影響，為優(yōu)化雨刮系統(tǒng)設(shè)計(jì)及車輛能源管理提供依據(jù)。

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境模擬

采用某款常見電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)雨刮系統(tǒng)，在專業(yè)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室可精確控制溫度（T）范圍為 -10～ 40^°C ，濕度 （H） 范圍為 30%～90% RH，風(fēng)速（V范圍為 0～ 10m/s 。

3.2.2數(shù)據(jù)采集指標(biāo)與方法

（1）能效指標(biāo)：測(cè)量雨刮系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下運(yùn)行時(shí)的功

率消耗（單位：W），通過功率分析儀連接雨刮電機(jī)電路獲取數(shù)據(jù)。（2）環(huán)境參數(shù)測(cè)量：使用高精度溫度計(jì)、濕度計(jì)和風(fēng)速儀分別測(cè)量環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速，數(shù)據(jù)記錄頻率為1次/min，每次測(cè)試持續(xù) 10min ，取平均值作為該組實(shí)驗(yàn)的環(huán)境參數(shù)值。

3.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)工況，保持車輛電源電壓穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值48V，分別改變溫度、濕度和風(fēng)速，每種因素設(shè)置5～7個(gè)水平，共進(jìn)行100組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)工況示例如表1。

3.4數(shù)據(jù)分析方法與模型建立

3.4.1 影響因素相關(guān)性分析

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù) （r） 分析環(huán)境因素與雨刮系統(tǒng)功率消耗的線性相關(guān)性。對(duì)于溫度（T）和功率消耗 （P） ，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

式中， Π_n 為樣本數(shù)量， T_i 和 P_i 分別為第i個(gè)樣本的溫度和功率值， 和 分別為溫度和功率的平均值。通過計(jì)算不同環(huán)境因素與功率消耗的相關(guān)系數(shù)，判斷其影響程度的強(qiáng)弱。

3.4.2多元線性回歸模型構(gòu)建

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立雨刮系統(tǒng)的功率消耗 （P） 與環(huán)境因素的多元線性回歸模型：

P=a+bT+cH+dV+ε

式中，a為常數(shù)項(xiàng)，b、c、d分別為溫度、濕度、風(fēng)速的回歸系數(shù)， ε 為隨機(jī)誤差項(xiàng)。利用最小二乘法估計(jì)回歸系數(shù)，使殘差平方和最小，即：

通過求解該優(yōu)化問題，確定模型參數(shù)，以定量描述環(huán)境因素對(duì)雨刮系統(tǒng)能效的綜合影響。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.5.1 相關(guān)性分析結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，溫度與功率消耗的皮爾遜相關(guān)系數(shù) r_T，P 在不同工況下介于 -0.4 至0.6之間，表明溫度對(duì)雨刮系統(tǒng)的功率有一定影響，且在部分溫度區(qū)間呈非線性關(guān)系；濕度與功率消耗的相關(guān)系數(shù) r_H，P 約為 0.3～0.5 ，說明受濕度影響相對(duì)較弱但仍不可忽視；風(fēng)速與功率消耗的相關(guān)系數(shù) r_V，P 在0.5至0.8之間，顯示風(fēng)速是影響雨刮系統(tǒng)能效的重要因素，相關(guān)性較強(qiáng)。

3.5.2多元線性回歸模型結(jié)果

通過最小二乘法擬合得到多元線性回歸模型參數(shù)：a=10.5 ， b=0.25（ 溫度系數(shù)）， c=0.12（ 濕度系數(shù)）， d=1.5（ 風(fēng)速系數(shù)）。該模型的決定系數(shù) R² 約為0.75，表明模型能解釋約75% 的功率消耗變化。這意味著溫度每升高 1^°C ，雨刮系統(tǒng)功率平均增加 0.25W; 濕度每增加 1% RH，功率增加 0.12W; 風(fēng)速每增加 1m/s ，功率增加 1.5W 0

4結(jié)果討論

本研究表明，環(huán)境因素對(duì)電動(dòng)汽車雨刮系統(tǒng)的能效有顯著影響，其中風(fēng)速影響最為突出，溫度次之，濕度相對(duì)較小。在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)與能源管理中，可考慮根據(jù)環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整雨刮系統(tǒng)的運(yùn)行策略，如在風(fēng)速較高時(shí)適當(dāng)降低雨刮擺動(dòng)頻率或優(yōu)化電機(jī)控制算法以降低能耗，同時(shí)在低溫環(huán)境下對(duì)雨刮電機(jī)進(jìn)行預(yù)熱處理，提高其效率，從而延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，提升整體性能。

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