电动汽车滑行阻力系数的测定与应用

2018-12-14刘海潮李伟聪蒋时军贺斌斌

客车技术与研究 2018年6期

刘海潮，李伟聪，蒋时军，贺斌斌，宁寒

(湖南中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412007)

GB 18352.6-2016[1]即将贯彻实施，能否准确地测量汽车行驶阻力将直接影响底盘测功机上车辆性能及能耗等数据的准确性。同时，现行标准GB/T 19754-2015[2]和GB/T 18386-2017[3]等法规规定，试验时应按照GB 18352中规定的方法来进行底盘测功机上车辆道路负荷的设定。在2016年底发布的该强制性国家标准[1]的附件CC中提供4种测试方法供选用，分别为道路滑行法、等速扭矩仪法、基于车辆参数计算法及风洞法。

考虑到测试的便利性、成本等因素，目前国内外采用最多的是道路滑行法[4-6]。然而，该方法存在以下缺陷：测试次数多、数据量庞大，数据处理效率较低；不能实时判定测量数据是否符合统计精度判定要求，可能需要多次返工试验；数据处理繁琐，对试验工程师的数据处理能力要求较高。

针对以上问题，本文利用道路滑行法对测试车辆进行滑行试验，采用最小二乘法对测试数据进行处理分析，并基于MATLAB的GUI模块开发电动汽车行驶阻力系数计算系统。从而实现阻力系数快速测定与计算。

1 电动汽车道路滑行试验

1.1 汽车滑行运动微分方程

车辆在道路上滑行时，所受行驶阻力为轮胎滚动阻力Ff，空气阻力Fw，传动系统的摩擦阻力Fn、坡度阻力Fi和加速阻力Fj，力平衡方程为：

Ff+Fw+Fn+Fi+Fj=0

(1)

其中，Ff、Fw、Fn可表示为与车速相关的一次或二次函数[7-9]，即Ff+Fw+Fn=A+Bv+Cv2；车辆在平直道路上行驶时Fi为0。

以车速v开始滑行时，加速阻力Fj为：

Fj=1/3.6×(m+mr)dv/dt

(2)

式中：m为滑行车辆试验质量；mr为转动零部件的等效有效质量。

综上可知，汽车滑行运动微分方程可变为：

-1/3.6×(m+mr)dv/dt=A+Bv+Cv2

(3)

1.2 滑行试验数据采集

按照文献[1]所述要求及方法开展滑行试验，试验前按规定检查车辆。所选车辆最高车速为69 km/h，取滑行初始基准车速vj为50 km/h，速度间隔Δv=5 km/h。设置试验设备采样频率为10 Hz，在试验道路上进行3次往返试验，得到的汽车滑行曲线如图1所示。

图1 滑行测试原始曲线

2 试验数据的处理

2.1 数据预处理

为提高计算精度，滑行采样数据必须经过平均滤波处理来降低数据波动，消除毛刺信号，减少随机误差[10-11]。本文采用直线滑动平均法来进行数据处理，即：

(4)

图2为数据预处理前后的对比情况，很显然滑动平均法对波动较大的数据点进行了有效滤波处理，以使车速曲线更平滑。

图2 数据预处理结果

2.2 数据有效性检查

至少获得3对连续测量结果的减速时间平均值Δtj统计精度≤3%[1]，否则数据无效，需继续进行试验。统计精度pj定义为：

(5)

式中:σj为标准偏差；n为测量次数,取3;h为对应系数，取4.3[1]。

通过计算，本次试验数据的最大标准偏差为0.388 5，最差统计精度pjmax=2.87%<3%，符合要求，数据有效。

2.3 行驶阻力计算

电动汽车在空挡滑行过程中驱动力为0，减速过程所受外力为车辆行驶阻力。

F=1/3.6×(mav+mr)×2Δv/Δtj

(6)

式中：F为车辆行驶阻力；mav为滑行试验始末测试车辆的平均质量；Δtj为汽车从车速vj+Δv减速滑行至vj-Δv的时间，对应车速变化为2Δv。

将上述3次有效试验的数据利用所开发软件进行处理，得到相应的行驶阻力计算结果。

2.4 最小二乘拟合

(7)

由式(3)可知，汽车行驶阻力为与车速相关的二次多项式。在MATLAB环境用polyfit函数进行求解，得到A=751.136 7，B=12.386，C=0.108 6。

2.5 阻力系数修正

在道路试验场进行滑行试验时，通常受温度、风速、大气压力等其他条件的影响。为保证底盘测功机设置阻力与车辆实际道路阻力一致，将上述拟合得到的行驶阻力曲线修正至基准状态(100 kPa、20 ℃、0 m/s)[1]，得到：

(8)

式中：F*为修正后的行驶阻力；K0为滚动阻力修正因子；K1为测试质量修正因子；K2为空气阻力校正因子；w1为风速修正因子；T为大气温度平均值；P为大气压力平均值；mexp为试验车辆质量；vw为风速的算术平均值。

由式(8)可知，运用底盘测功机进行模拟试验时，目标行驶阻力系数为：

(9)

3 阻力系数计算系统开发及应用

为高效率地处理实际采集的滑行数据，并及时判定是否能够达到标准要求，基于MATLAB的GUI平台开发了一套数据处理软件，实现了试验数据有效性的实时判定，以及道路目标阻力系数的快速计算，试验员可在道路试验场利用该软件在5 min之内进行有效数据处理、做出判定并自动生成结果报表。

3.1 总体结构与计算流程

电动汽车行驶阻力计算系统主要包括数据预处理、统计精度判定、阻力系数计算和修正等模块，软件计算流程如图3所示。

图3 软件计算流程图

3.2 功能计算模块

1) 数据预处理，采用xlsread函数将试验场采集数据自动导入，滤波处理后存至系统状态空间。

2) 统计精度判定，滑行往返一次计为1次试验，分为正反方向。程序中依次选取N，N+1，N+2(N≥1)3组数据进行统计精度判定，直到符合要求为止。输入基准速度vj、速度间隔Δv，由于一般试验是按照0.1 km/h的步长进行数据采集，通过编制程序将所采数据中非基准车速vj的速度点数据进行自动识别与剔除，并自动生成行驶阻力测试记录表。数据写入至EXCEL表格进行存储，如图4所示。

图4 提取数据存储

3) 行驶阻力计算与修正，运用最小二乘法计算得到行驶阻力方程，求得行驶阻力方程中的系数A、B和C。根据2.5节所述方法，将行驶阻力方程修正至基准状态，求得车辆目标行驶阻力系数At、Bt和Ct及相应的阻力二次曲线方程。

3.3 报告生成

以报告的形式将计算结果进行保存，图形用户界面中点击“报告生成”按钮，自动生成txt形式的报告文件。报告内容包括车辆信息、环境条件、设备信息及滑行阻力系数等信息。

3.4 台架应用试验

基于上述软件计算获得的目标行驶阻力系数，运用TEG6XXXBEV01车型分别在底盘测功机和株洲某段道路上进行能耗对比试验，能耗结果见表1。由于株洲道路的摩擦阻力相较于试验场偏大，导致实际道路能耗高于台架能耗。但总体来说，台架能耗与实际道路能耗相对误差较小，可以利用测试所得目标行驶阻力系数对车辆进行台架模拟试验。