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纯电动汽车道路滑行阻力试验影响因素浅析
2021-01-08 23:37:54· 来源：威马汽车科技集团成都研究院
引言纯电动汽车道路滑行阻力试验是节能减排的一个基础试验，电动汽车能耗及续驶里程、动力经济性能的研究都是建立在滑行阻力试验的基础前提下的。近年来，随着各
引言
纯电动汽车道路滑行阻力试验是节能减排的一个基础试验，电动汽车能耗及续驶里程、动力经济性能的研究都是建立在滑行阻力试验的基础前提下的。近年来，随着各地加强排放实施标准，国V向国VI的逐渐过渡，排放标准日益严苛，如何进行精准的道路滑行试验测定滑行阻力以及优化汽车行驶阻力已经成为了一个重点研究方向。
1 电动汽车道路滑行
1.1 滑行试验理论基础
纯电动汽车行驶过程中，阻碍车辆运动的阻力称之为行驶阻力，包括滚动阻力Fr、空气阻力Fa、坡道阻力Fg、电机和车轮等旋转部件产生的旋转质量惯性力（加速阻力），车辆行驶过程中的受力图如图1所示，不考虑惯性的驱动力和阻力可用如下力学方程表示：
进行道路滑行试验的主要意义在于测定行驶总阻力，运用牛顿第二定律，实现将运动学与动力学连接转换，将汽车行驶总阻力表征为速度的二元方程，如下：
F=av2+bv+c
目前，国内汽车滑行测试主要是依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》(GB18352.5-2013)附件CH汽车道路载荷的测量以及《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》(GB18352.6-2016)附录CC.4道路载荷的测定，在试验场进行实际道路试验时大部分采用固定式风速仪滑行法进行测试，少数采用车载风速仪法测试。
国V与国VI固定式风速仪滑行法的主要差异在于对于时间值的计算前者采用算术平均值后者采用加权平均值、修正到基准状态的方法不同以及国VI中引入了旋转质量（惯性力）的概念。国VI标准附录CC.4中新增了车载风速仪滑行法，与美标SAEJ2263方法一致。
1.2 实车试验实施
本文的试验数据都是基于长期积累的试车场的实车道路试验数据，依据GB18352.5-2013附件CH汽车道路载荷的测量，按照国V的方法进行试验并修正到基准状态（20℃，100kPa）。试验样车为多款纯电动SUV，基于长期的试验数据对比，采用单一变量法对大量试验数据进行总结考证，主要研究了温度、胎压、轮毂封闭、轮胎磨损程度、滚阻系数、整备质量等对于纯电动汽车滑行阻力的影响。试验多数在重庆西部综合试验场完成，亦有在盐城试验场进行的实车测试，试验条件都完全满足国标要求并按照国标要求程序进行。
试验设备主要采用Racelogic公司的VBOX3i数据采集器以及Dewesoft公司高精度100HzGPS接收机和惯性测量单元（IMU），支持最精确地基于位置的测试和测量。
2 数据处理及验证滑行影响因素分析
2.1 四轮定位的影响
试验样车为4×2前横置前驱、5门5座纯电SUV，承载式车身结构，匹配单级减速器。因车辆出厂后只能调节前束角，在保持其它参数一致且在正常范围值内的条件下调整左右轮前束为0分和12分，分别进行了一次试验，详细四轮定位参数如下：
在0’和12’前束角分别进行滑行试验，试验温度32度，整备质量1742kg，试验质量1842kg，对试验结果进行处理拟合并按照国V方法修正至基准状（20℃，100kPa），各速度点对应阻力及曲线如图X。
综合表3以及图4可以得出，0’和12’前束角在滑行阻力差异均值为0.52%，由图4看出两条曲线差异极小，引入试验误差的影响，可以认为，在前束角正常值范围内，前束角的大小对于滑行阻力的影响极其微小。
2.2 轮胎气压影响
本次试验采用一台纯电SUV，试验质量1993kg，试验平均温度28℃，两次试验连续进行，仅胎压改变，阻力按国V校准至基准状态（20℃，100kPa）。
为了便于更为直观地在试验中体现胎压对于滑行阻力的影响，试验选取了相差0.8bar的低胎压1.8bar和正常范围的胎压2.4bar进行试验，这是因为当胎压在推荐值范围内且差距太小时，试验结果并没有明显的差异。从表4和图5的试验结果可以看出，胎压对于滑行阻力实际是存在影响的，胎压越高，滑行阻力越小。从表中数据可以得出，胎压1.8bar与2.4bar，升高0.6bar，滑行阻力平均降低5.8%。根据实际测试经验，当胎压高于2.4bar以后继续升高胎压对于滑行阻力的影响将会变得很小，这一点从文献4中的胎压测试也可以得到验证。对于不同速度点的滑行阻力，胎压的影响随着速度的增大而逐渐降低。其根本原因在于，胎压过低，轮胎与地面的接触面积变大，变形量增大，从而增加了由迟滞损失形成的滚动阻力。
2.3 封闭轮毂的影响
本次试验使用同一台纯电SUV进行，试验质量1842kg，采用控制变量法，两次试验分别轮毂封闭与不封闭进行，得出的试验数据如下：
从表5和图6中可以得出，封闭轮毂与不封闭轮毂相比，其滑行阻力在速度80km/h以上开始明显减小，且速度越高降幅越大，在速度大于100km/h以上封闭轮毂对于滑行阻力的优化能达到2%以上。封闭轮毂主要因为气流原因降低了空气阻力继而减小了高速段滑行阻力，但对低于速度80km/h的滑行阻力封闭轮毂影响不够明显。
2.4 整备质量的影响
通过同一台试验车配重到不同重量进行试验，试验在同一天进行。试验温度23~27℃。阻力按国V校准至基准状态（20℃，100kPa）。
从表6和图7中可以看出，整备质量与滑行阻力的关系是正相关的，但是在整备质量差异超过100kg以上时，试验所得出的滑行阻力差异才会相对明显；由于试验误差的存在，微小的差异无法在试验中准确得到，可辅之以软件仿真验证。对比1800kg与1920kg的滑行阻力差异，其在速度20~120km/h，步长为10km/h下的滑行阻力增加分别为：11.12%、6.75%、7.01%、6.79%6.32%、5.77%、5.19%、4.64%、4.12%、3.65%、3.22%，平均增幅5.87%，由此可以得出，整备质量增加120kg，滑行阻力平均增幅约5%。
2.5 轮胎宽度、橡胶材料的影响
同一试验样车，更换已磨合3000km以上，轮胎花纹深度≥75%的不同滚阻的轮胎依次进行轮胎对比试验。试验使用A品牌215/60R17、B品牌215/60R17、B品牌225/55R18进行对比试验。三种轮胎摩擦系数对比如下：
从表8和图8中可以看出，使用三种轮胎滑行阻力大小依次为：A品牌R17＞B品牌R18＞B品牌R17，这与表4中三种轮胎的摩擦系数大小也是非常吻合的，说明轮胎滚动阻力系数与滑行阻力是正相关的，滚阻系数每增大0.3‰，滑行阻力平均增幅约3%~5%。
同品牌的B品牌轮胎225/55R18与B品牌215/60R17相比，其在速度20~120km/h，步长为10km/h下的滑行阻力增加分别为8.04%、5.58%、3.93%、2.93%、2.39%、2.15%、2.09%、2.14%、2.24%、2.38%、2.54%，平均增幅3.31%，
这表明轮胎宽度越宽滑行阻力越大，且轮胎宽度对滑行阻力的影响随着速度增加逐渐减小，这是因为在低速段滑行阻力中滚阻占比较大，而轮胎宽度的增大主要通过增大与地面的接触面积从而增加了轮胎的迟滞损失，继而使滚动阻力增大。
不同品牌相同轮胎宽度的A品牌215/60R17与B品牌215/60R17相比，其在速度20~120km/h，步长为10km/h下的滑行阻力增加分别为:12.7%、10.10%、7.92、6.23%、5.00%、4.10%、3.46%、3.00%、2.66%、2.42%、2.25%，平均增幅5.44%。可以得出，在轮胎宽度和扁平比相同的情况下，A品牌轮胎由于橡胶材料损耗因子大而导致了更多的迟滞损失，使得其滑行阻力相比低滚阻的B品牌轮胎要大许多；同时，也由于二者轮胎的结构特性差异也对之产生了影响。
2.6 不同试验场的影响
试验车辆为同一辆纯电SUV，在重庆西部试验场进行试验后，运输往盐城汽车试验场进行试验。试验都选在早晨或傍晚进行以避免过大的太阳暴晒路面产生影响而产生修正偏差，试验平均风速均小于3m/s，试验条件符合国标要求。将试验结果校准温度和气压到基准状态下进行对比，试验结果如下：
从图9中可以看出，同一台车在两个试验场进行试验，经过大气压和温度的修正，可以认为这二者的影响是微乎其微的，试验结果的差异主要在于两个试验场的路面附着系数不一样，盐城试验场的附着系数较西部试验场大。
2.7 温度的影响
本次试验采用一款纯电SUV，试验质量1993kg。试验同一天进行，大气温度恒为30±2℃，试验分别在中午阳光直射地面温度达到60℃以上与傍晚无阳光地面温度降低至35℃左右进行。在5~40℃大气温度、地表温度与大气温度接近的情况下，同一车辆滑行阻力按照国V的公式修正到基准状态是可以修正到基本一致的。本次试验主要是为了验证路面温度与大气温度差异过大时的影响。对试验结果进行处理拟合并按照国V方法修正至基准状（20℃，100kPa），各速度点对应阻力及曲线如下：
从表10和图10中可以得出，当路面受太阳直射路面温度高于大气温度很多时，对滑行阻力有影响，具体表现为路面温度越高，滑行阻力越小，且这种影响速度低于80km/h的滑行阻力影响更加明显，平均阻力变化率超过7.6%。这是因为，一方面受阳光直射暴晒影响，沥青路面会软化导致路面附着系数降低；另一方面，从文献1中得到的图11分析出，当路面温度过高于大气温度时，轮胎的损耗因子也会急剧降低进而导致轮胎滚阻减小。而国V的修正公式是基于大气温度修正滑行阻力的，当路面温度超出大气温度过多时，已经无法准确修正滑行阻力。综合以上原因，导致了阳光暴晒下的路面滑行阻力比无阳光照射路面滑行阻力要小。
3 总结
本文通过实车试验研究验证了四轮定位、轮胎气压、是否封闭轮毂、整备质量、轮胎宽度、橡胶材料、不同试验场、温度等因素对于纯电动汽车滑行阻力的影响，除此之外，对于纯电车型，涉及到电机和能量回收，传动系内部阻力也是影响滑行阻力的一个重要因素，这一点还有待研究考证。本文主要试验研究结论如下：
1）四轮定位前束角在正常值范围内对于滑行阻力的影响极其微小，可以忽略。
2）轮胎气压越高，滑行阻力越小。轮胎推荐胎压以上继续增加胎压试验研究显示对阻力影响程度较小；低于推荐胎压值以下降低胎压影响较为显著，升高0.6bar，阻力平均降幅约5.8%。
3）整备质量越大，滑行阻力越大。但整备质量差异过小试验结果无法体现，试验显示，整备质量增加120kg，20～120km/h，各速度点滑行阻力增幅在11%～3%不等，阻力平均增幅约5%。
4）封闭轮毂可以优化汽车高速滑行阻力。具体表现为：速度大于100km/h，封闭轮毂可以优化阻力2%以上。
5）轮胎宽度越宽，滑行阻力越大；橡胶材料损耗因子越大，滑行阻力越大。直接体现在滚阻系数上，根据试验数据，滚阻系数每增大0.3‰，滑行阻力平均增幅约3%~5%。
6）不同试验场进行的试验结果不一，主要由于地面附着系数与路面坡度原因导致。
7）无修正前提下，温度越高滑行阻力越小。而基于国五公式的修正前提下，环境温度在5～40℃无太阳暴晒情况下路面试验，滑行阻力可以修正到基准状态且差异不明显；另一方面，有太阳暴晒的情况下的路面试验修正结果会偏小。
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