基于底盘测功机的纯电动汽车续驶里程研究

2016-08-04王玺

华东科技 2016年7期

文王玺

基于底盘测功机的纯电动汽车续驶里程研究

文王玺

本文从底盘测功机模拟汽车行驶阻力的原理入手，通过理论分析以及在底盘测功机上的试验验证，分析了影响纯电动汽车续驶里程的几个可能因素。

随着我国经济与社会的发展，汽车已成为家庭必需品，然而快速增长的汽车保有量也带来了严重的污染和能源危机。为了缓解这一问题，近年来国家加大了对新能源汽车的投入与补贴。作为新能源汽车发展的一个重要方向，纯电动汽车的开发与研究已成为新能源领域的热点，而纯电动汽车的续驶里程则是研究中最受关注的一个项目。为此，本文基于底盘测功机就纯电动汽车续驶里程试验进行研究，分析并验证了影响续驶里程的几个因素。

底盘测功机阻力设定依据

车辆在路面行驶时的阻力

汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡度阻力。汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。因此汽车行驶时总阻力为：

其中： Ff——滚动阻力

Fw——空气阻力

Fi——坡度阻力

Fj——加速阻力

滚动阻力

车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的变形，轮胎和支承面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形是主要的，此时由于轮胎有内部摩擦产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它作的功不能全部回收。正是轮胎的这种弹性迟滞损失造成了滚动阻力。汽车行驶时的滚动阻力等于滚动阻力系数与汽车负荷之积，其计算公式为：

式中：W ——汽车负荷（N）；

f ——轮胎滚动阻力系数

空气阻力

汽车在直线行驶时所受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力与汽车相对速度v^2成正比，其计算公式为：

A —— 汽车迎风面积（m2）

V —— 汽车行驶速度（km/h）

坡度阻力

坡度阻力是汽车在坡道路面上行驶时，汽车的重力在汽车行驶方向上的分力，坡度阻力计算公式为：

式中： M —— 汽车的质量（kg）

g —— 重力加速度（m/s2）

α —— 坡道路面与水平万向的坡度角（。）

加速阻力

当汽车在加速行驶时，除了需要克服滚动阻力和空气阻力外，还需要克服其自身质量加速运动时的惯性力，该惯性力即为加速阻力。汽车加速阻力可表示为：

式中：δ—— 汽车旋转质量换算系数（δ＞1）

M —— 汽车的质量（kg）

底盘测功机上加载的阻力

汽车在道路上行驶时，其电动机输出功率转化成了汽车轮胎与地面间的滚动阻力消耗的功率、汽车内部传动系所损耗的功率以及汽车路面行驶时的空气阻力消耗的功率；而汽车在底盘测功机上行驶时的电动机输出功率等于驱动轮在转毂表面上的滚动阻力消耗的功率、底盘测功机自身内阻损耗的功率、测功器所吸收的功率、汽车内部传动系所损耗的功率和驱动轮在转毂表面打滑消耗的功率之和。可用公式表示为：

式中： P ——电动机的输出功率

Pt——路面行驶时汽车内部传动系所损耗的功率；

Pf——汽车轮胎与地面间的滚动阻力消耗的功率；

Pw——汽车路面行驶时空气阻力消耗的功率；

Pt′——底盘测功机上行驶时汽车内部传动系所损耗的功率；

Pfc——汽车驱动轮在转毂表面上的滚动阻力消耗的功率；

Po——底盘测功机自身内阻损耗的功率；

Pdy——测功器所吸收的功率即加载阻力所消耗的功率；

Ps——驱动轮在转毂表面打滑消耗的功率。

由于路面行驶时汽车内部传动系所损耗的功率与在底盘测功机上行驶时汽车内部传动系所损耗的功率相等，且驱动轮在转毂表面打滑消耗的功率非常小，可以忽略不计，因此式（6）可简化为：

根据功率与力的关系：功率等于力与速度的乘积，所以当汽车在道路路面行驶速度与汽车在底盘测功机上行驶速度一样时，可以对式（7）转换成力的关系式，如下式所示：

式中：Ff——汽车在实际道路路面滑行时的滚动阻力

Fw——汽车在实际道路路面滑行时的空气阻力

Ffc——驱动轮在底盘测功机上的滚动阻力

Fo——台架内阻

Fdy——台架加载阻力

因此底盘测功机上应设定的阻力为：

底盘测功机阻力的加载方式

根据GB18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》要求，可采用标准推荐阻力（F=a+bv2）和车辆实际道路滑行阻力对底盘测功机进行设定。使用标准推荐阻力进行加载时，系数a、b由车辆的基准质量决定（表1），其中车辆基准质量为汽车的整备质量加100kg。由式（8）可知，采用车辆实际道路滑行阻力进行加载时，车辆在道路上的阻力与底盘测功机上的阻力存在差异。车辆在底盘测功机上进行试验时阻力由两部分组成，分别为车辆内阻和底盘测功机设定阻力。车辆内阻可由底盘测功机滑行测得，因此道路滑行总阻力减去车辆的内阻即为式（9）中底盘测功机的设定阻力Fdy。

表1 标准推荐阻力

影响续驶里程的原因分析

为了验证各因素对纯电动汽车续驶里程产生的影响，试验采用控制变量法。每一组试验均选用同一辆样车，除被研究的影响因素不同外，其他因素均保持一致。

工况不同

车辆在道路上的行驶状况可用加速、减速、匀速和怠速等一些参数来反映，通过对这种运动特征的调查和解析，绘制出能够代表车辆运动状况，表达形式为速度——时间的曲线，即为车辆工况工况图。

根据GB/T18386-2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》要求，M1类纯电动汽车可采用工况法（NEDC工况）和等速法（60km/h等速工况）进行续驶里程试验。同时，在一定条件下也允许只采用市区循环进行试验。

表2 不同工况下续驶里程比较

表2为奇瑞SQR6440BEVK06在两种不同工况下的续驶里程及能量消耗率，其中60km/h等速工况的能量消耗率相对较小，续驶里程长达278km，而NEDC工况下的续驶里程为204km。NEDC工况下虽然平均车速较低仅为33.6km/h，但由于工况中刹车和启动较为频繁，增加了能量的损耗，因此续驶里程低于60km/h等速工况。

加载方式不同

根据GB18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》要求，可采用标准推荐阻力（F=a+bv2）和车辆实际道路滑行阻力对底盘测功机上的阻力进行设定。图1为启辰E30纯电动汽车采用两种不同加载方式时的速度——阻力图，采用标准推荐阻力在底盘测功机上完成的续驶里程为174km，采用实际道路滑行阻力在底盘测功机上完成的续驶里程为186km。

图1 标准推荐阻力和道路滑行阻力速度曲线

由图1可知，样车标准推荐阻力和车辆实际道路滑行阻力之间存在较大差异，标准推荐阻力在低速段阻力小于实际道路滑行阻力，车速为0km/h时差值最大，约为70N；标准推荐阻力在中高速段阻力大于实际道路滑行阻力，车速为120km/h时差值最大，约为170N，两曲线交点在70km/h左右。如根据GB/T18386-2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》进行试验，采用60km/h等速法进行试验时，由图1可知两者阻力相差不大，若采用NEDC工况法进行试验，无论市区循环还是市郊循环，阻力均存在较大差异。由表3统计可知，NEDC市郊工况所占理论行驶里程占据整个NEDC工况约63%的理论行驶距离，由此可见，市郊工况的能耗高低对样车的续驶里程产生更大的影响。另一方面，样车在高速段时两种加载方式的差值大于低速段的差值，因此与实际滑行阻力相比，标准推荐阻力在低速段少消耗的能量小于在高速段多消耗的能量。综上所述，采用标准推荐阻力加载进行NEDC工况试验时，消耗的能量大于实际道路滑行阻力，而车辆的续驶里程也随着能量消耗量的增加而减小。

表3 NEDC市区工况和市郊工况数据统计

行驶车速不同

表4为长城CC7000CE02BEV分别在NEDC市区工况和NEDC市郊工况下，采用标准推荐阻力进行加载后在底盘测功机上完成的续驶里程及能量消耗率。其中，市郊工况续驶里程为135km，比市区工况续驶里程少了20%。由表3可知，市郊工况的平均车速为62.6km/h，远大于市区的19.0km/h。在高速运行时，由于纯电动汽车大多未配备变速箱，电机接近于最大功率输出，能量消耗巨大，与此同时大功率输出时电机发热相应提升，降低了电机的工作效率，也缩短了车辆的续驶里程。