环境温度对车辆道路阻力影响研究

龚春忠 陈燕虎 陈海琴 李鹏

摘要：节能工作是电动汽车研发的重要课题，电动汽车低温续航性能的重要影响因素除了电池的低温性能以外，环境温度对车辆道路阻力的影响也不容忽视。本文首先对电动汽车低温环境的能耗影响因素进行调研，分析各影响因素对里程衰减率的影响;然后，重点分析环境温度对车辆道路阻力的影响原理，分解为空气阻力、车辆机械阻力两类影响;接着，设计实验，测试不同温度下的车辆机械阻力;最后，对测试结果进行分析，结合UF系数，讨论低温环境下和车辆冷态下的车辆机械阻力测评方法。实验表明，相同环境温度下，示例车辆冷态与热态的机械阻力能耗差异高达0.64kWh/lOOkm，环境温度每降低lO℃，示例车辆机械阻力能耗增加0.53kWh/lOOkm。该评价方法替换现有只考虑常温预热后的机械系统阻力方法，可以更全面、更客观地反映实际用户能耗水平，从而找到更合理的整车匹配方案。

关键词：道路阻力;车辆冷态阻力;低温续驶里程;UF系数

中图分类号：U461.8 文献标识码：J 文章编号：1005-2550（ 2021） 06-0037-06 Research On The Influence Of Ambient Temperature On Vehicle

Road Resistance

GONG Chun-zhongl'2， CHEN Yan_hu 2，CHEN Hai-qin l， LI Pengl

（1. Hozon New Energy Automobile Co.， Ltd.， Jiaxing， Zhejiang 314000，China;

2. College of engineering， Zhejiang University， Hangzhou， Zhejiang 310000， China）

Abstract： Energy saving is an important issue in the research and development of electricvehicles. In addition to the low temperature performance of batteries， the influence of ambienttemperature on the road resistance of electric vehicles can not be ignored. Firstly， this paperinvestigates the energy consumption influencing factors of electric vehicles in low temperatureenvironment， and analyzes the influence of various influencing factors on mileage decay rate;secondly， it focuses on the analysis of the influence principle of environmental temperature onvehicle road resistance， which is divided into two kinds of influence： air resistance and vehiclemechanical resistance; secondly， it designs experiments to test vehicle mechanical resistanceunder different temperatures; finally， it analyzes the test results Combined with UF coefficient， thispaper discusses the evaluation method of vehicle mechanical resistance under low temperatureenvironment and vehicle cold state. The experimental results show that the difference of mechanicalresistance between cold state and hot state is as high as 0.64kwh/lOOkm under the same ambienttemperature， and the energy consumption of mechanical resistance mcreases by 0.53kwh/100kmwhen the ambient temperature decreases by 10℃.This evaluation method replaces the existingmechanical system resistance method which only considers the preheating at room temperature，and can reflect the actual user's energy consumption more comprehensively and objectively， soas to find a more reasonable vehicle matching scheme.

Key Words： Road Resistance; Vehicle Cold Resistance; Low Temperature Driving Range;UF Coefficient

2020年年度，我國新能源汽车销售量是136.7万辆，同比增长10.9%。其中，纯电动汽车销量为111.5万辆，同比增11.6%[1]。虽然销量数据表现良好，但依然有众多用户痛点有待攻克。其中普遍受到关注的问题点之一是电动汽车“怕冷”问题。低温环境下，以-7℃为基准参考温度，电动汽车续航通常衰减35%至55%。文献[2]研究了不同温度下的车轮滚阻，文献[3]研究了不同温度下的变速箱油对传动系统效率，中国电动汽车测评（ EV-TEST）与中国汽车消费者研究及测试中心（ CCRT）则使用各阻力系数增加10%的方式设定车辆道路阻力[4.5]。本文以某汽车车型为示例，设计实验，测试不同温度下的车辆机械阻力，获得更精确的结果。并结合UF系数，探讨如何改善车辆机械阻力的测评规则。

1 电动汽车低温环境下的能耗问题

环境温度对电动汽车能耗的影响主要可以分为3个方面考虑。首先是电池的温度适应性，-7℃环境下，电池放电能量通常仅为常温下的80%-90%，且制动能量回收受回充电流限制严重，综合影响续驶里程衰减10%-20%[6]。其次是低温环境下的车辆采暖问题，相对于常温，不仅需要增加一部分能量用于车内采暖，同时还要给电池等车身部件加热，额外损耗约2至6kWh/lOOkm的能量，使综合续航下降15%-25%[7]。最后是低温环境对车辆行驶阻力的影响，CCRT与EV-TEST中，规定了低温环境下的续驶里程测试时，车辆机械阻力相对于常温增加10%，对里程衰减的贡献也近似为10%。以上三个因素综合分析，低温下车辆续航衰减理论上为35%-55%。有众多课题在研究提升电池低温适应性与提高车辆采暖能效方案[8.9]。但环境温度对车辆机械阻力的影响相关文献研究较少，需要详细分解。

2 环境温度对车辆道路阻力影响原理

低温环境下道路阻力较大的原因，有以下三个方面：低温下空气密度较大，车辆空气阻力增加;低温下轮胎材料特性影响，其滚动阻力较大;低温下减速器、传动轴等相对活动部件之间的润滑剂粘度较大，影响其阻力。这三个部分需要分别细化研究。在整车滑行试验求取道路阻力系数的过程中，应用了温度修正的理论[10]，仅对车辆预热后的状态进行阻力系数修正，并不考虑车辆冷态的机械阻力大小。一般的车辆阻力测试方法，结果都以获得阻力系数为准。但阻力系数是一组数据，为叙述方便，定义车辆机械阻力能耗为：由于车辆机械阻力造成的整车特定工况下的百公里能量消耗量，单位为kWh/lOOkm。该参数可以从节能的角度，更合理地描述车辆机械阻力的大小[11]。

2.1环境温度对空气阻力的影响

由空气动力学方程可知，空气阻力与空气密度呈正比，如式（1）所示。影响空气阻力的大小因素主要有空气密度、迎风面积、风阻系数、车速。这4个参数中，仅空气密度与环境温度相关。不同温度下空气密度如式（2）所示。

Fw=

（1）

式中，Fw一空气阻力，N;

p-空气密度，kg/m3;

Cd-风阻系数;

S-迎风面积，m2;

v-车速，km/h。

273.15

p=

（2）

P=

式中，p。一一标准状态下的空气密度，1.29kg/m3;

T——环境温度，℃。

由此可知，-7℃相对于20℃，空气密度增加了10.14%。基本上与当前使用的阻力增加100-/0吻合。

2.2环境温度对车轮滚阻的影响

对于空气阻力的分析相对简单。但是，对于轮胎滚阻、传动系统阻力等，并没有如此成熟的理论进行直接推导。查阅相关资料，可知轮胎滚阻在预热前约为预热后的1.3倍。如图1所示，某轮胎预热时间与其滚阻系数的关系。标准中以30min预热对应的滚阻作为轮胎的滚阻系数，该示例轮胎滚阻为6.8N/kN。

折算为预热里程为40km，而大部分用户用车单程出行里程都在40km以内，显然，只用预热后的轮胎滚阻系数对轮胎滚阻性能进行评价是不合理的。图1只给出了常温预热前后的轮胎阻力差异，而关于低温环境下的阻力值，则依然没有数据作为支撑，需要进行试验设计。

2.3环境温度对减速器与传动轴阻力的影响

影响减速器、传动轴效率的因素主要有：箱体内部结构、轴承、油品粘度、油量等。其中，温度对传动系统的影响主要体现在影响油品的粘度。但与轮胎不同的是，其预热周期相对较短，油温对效率的影响约为1%。如图2所示为某动力总成执行等速60km/hl况下的效率。

传动系统效率变化1%，对整车能量消耗量影响约为0.1-0.2kWh/lOOkm，相对于滚阻与风阻来说小很多。预热前后的效率差异不大，但在不同温度下的传动系统阻力，需要设计实验进行测试。

3 环境温度对车辆机械阻力影响试验设计

从以上分析可知，不同温度、不同预热状态对车辆的机械阻力有影响，但缺少成熟的理论依据，需要设计实验测量。依据GB/T 18352.6附录CC中的测试方法，对车辆机械阻力的测试主要有等速法与减速法两种。本文采用改进的减速法进行测量。需要对车辆预热前后的状态重复多次测试。

3.1 测试步骤

本实验为开发性试验，要考虑底盘测功机的零点漂移和不同温度下的预热。采用的测试设备是：1、底盘测功机，型号CDS150-2D-II;2、高低温环境舱，型号HQC484。本示例中对比车辆的前驱部分机械阻力，类似的方法可获得后轮的机械阻力。测试步骤设计如下：

步骤1：底盘测功机零点漂移测定。

步骤2：检查车辆状态，将车辆固定在底盘测功机上。

步骤3：将环境舱温度设置为25℃，浸车12h，

步骤4：自动对中装置举升，预热底盘测功机后，自动对中装置再下降为测试状态。

步骤5：车辆设置为空挡模式，底盘测功机带动车辆至车速120km/h，然后切换为道路阻力模拟模式。道路阻力设置为A=50N，B=O，C=0.035N/（ km/h）2。

步骤6：重复步骤5，执行5次。

步骤7：底盘测功机设置为等速80km/h，预热30min。

步骤8：重复步骤5，执行5次。

步骤9：将环境温度分别设置为10℃、0℃、一7℃、-20℃，执行步骤3至步骤8。

步骤10：试验数据处理，试验结束。

3.2 試验结果

按照3.1设计的试验步骤，对某车型的前驱机械阻力进行测试，并进行数据分析，获得如表1所示的测试结果。总共需要执行5个温度下的机械阻力，车辆预热前后分别为冷态、热态，各温度下测试5组减速法获得的阻力系数A与B，折算成NEDC工况下的能耗值。

表1中，第5次与第6次之间执行预热操作，前5次为车辆冷态机械阻力，后5次为车辆热态机械阻力。绘制各温度下、第n次减速法测试结果如图3所示。从图3可知，前5次随着温度的提高，机械阻力越来越小。后5次为预热后的状态，其均值比预热前要小。随着温度的降低，机械阻力能耗增加趋势也很明显。各温度下车辆预热后，机械阻力能耗有稍微回弹趋势，特别是低温环境下，回弹明显，说明预热操作相对于减速法测试的工况，对车辆机械系统的加热强度更高。

表1中最重要的信息是各温度下冷态、热态均值。将预热前后的结果用均值整理后如表2所示。

常温状态下，仿真时收集的信息为：减速器效率97%、传动轴效率98%、卡钳拖滞力为2.5Nm/轮，轴承拖滞力为0.8Nm/轮，轮胎滚阻系数为7.5N/kN。对应的能耗为4.74kWh/lOOkm。前轮的部分对应的能耗为2.914 kWh/lOOkm。实测结果常温预热后的机械阻力均值为3.012 kWh/lOOkm，证明该车辆设计值与实际状态较为接近。由表2可知，常温下冷态机械阻力能耗比热态机械阻力能耗高0.277kWh/lOOkm，低温环境（-7℃）下预热状态比常温预热状态下机械阻力能耗高1.496kWh/lOOkm，阻力能耗增加49.67%，远高于当前CCRT与EV-TEST引用的10%。从热态均值来看，车辆每降低10℃，平均能耗增加0.53kWh/lOOkm，

相同环境温度下，车辆预热前后机械阻力能耗均值的差值平均值为0.64kWh/lOOkm，如图5所示。常温下相差并不明显，但低温环境下差值巨大。这也是部分用户冬季环境下未开空调，其能耗依然很高的重要原因之一。

4 结合UF系数对车辆机械阻力测评改进

以往的评测只考核常温预热状态下的车辆机械阻力，本文试验证明了不同温度、不同预热条件下，车辆的机械阻力差异较大。而不同温度下的权重，通过年度温度分布统计特征确定。不同预热状态下的权重，则可借助UF（ Utility Factor）系数计算。UF系数是混合动力汽车中常用的参数，参考SAE J2841的相关内容，定义为纯电利用系数。表达式如式（3）所示：

UFc（dc）=1-exp

式中，dc——单程行驶里程，km;

UFc一一行驶里程为dc时的纯电利用系数，取值范围为0-1;

dn一一最大出行里程，标准中定义为常数400km;

Cx——第x个系数，见标准GB/T19753附录F;

将UF.对de求导数，则获得用户单次用车概率密度函数。如图6所示：

由图6可知，用户单次出行里程≤50km的概率较大，因此，冷态下的机械阻力权重较高。若车辆机械阻力衰减符合自然指数函数模型，则定义预热前车辆机械阻力为ECo，预热后车辆机械阻力为EC，则行驶里程s与车辆机械阻力能耗EC的关系为：

EC（d.）=（ECo - EC.）×e R+EC. （4）

式中，R-衰减系数，km，由实验拟合获得。

概率密度函数表达为P（s），则综合出行能耗表达为（5）式：

EC=

（5）

将（4）式带入（5）式中，推导得：

EC=

（6）

由式（6）可知，衰减系数R越大，EC越大。预热前车辆机械阻力能耗EC0与预热后车辆机械阻力能耗EC 的差值越大，则EC越大0 P（s）是分布曲线，较难进一步化简。当带入经验数据，按照80km/h行驶30min预热条件为衰减系数，R=40km。EC0是EC 的1.3倍，带人（6）式计算获得数值解：EC=1.0852×EC ，即当前热态的机械阻力测试结果乘以1.0852才与用户冷态、热态均考虑的真实情况接近。

5 结论

环境温度是影响电动汽车续驶里程的重要因素，除了改善电池低温放电性能、降低车辆低温采暖功耗以外，对电动汽车动力系统低温环境下的节能优化也必须重视。本文采用减速法，测得不同环境温度下车辆冷态与热态的机械阻力，被测冷态与热态的车辆机械阻力能耗差值高达0.64kWh/lOOkm，环境温度每降低lO℃，车辆机械阻力能耗增加约0.53kWh/lOOkm，对车辆能耗测评产生重大影响。采用结合UF系数、环境温度统计，推导出与用户实际能耗更贴近的阻力系数值，当假设80km/h行驶30min作为预热条件，冷态比热态机械阻力大1.3倍时，热态的机械阻力测试结果乘以1.0852才与用户冷态、热态均考虑的真实情况接近。下一步工作将结合大数据采集，针对特定用户进行阻力系数评价，提出机械阻力系统定制化降能耗措施。

参考文献：

[1]中国新能源汽车行业白皮书2020年[A].上海艾瑞市场咨询有限公司，艾瑞咨询系列研究报告（ 2020年第12期）[C].：上海艾瑞市场咨询有限公司，2020：57.

[2]孙砚田.轮胎滚动阻力分析及其性能优化方法研究[D].江苏大学，2016.

[3]莫易敏，雷志丹，姜宏霞，王光良.润滑油对变速箱传动效率影响的试验研究[J]机械设计与制造，2019（ 07）：131-134.

[4]中国电动汽车消费者购车指引全新亮相一一2019版《EV-TEST（电动汽车测评）管理规则》发布[J].世界汽车，2019（ 05）：96-99.

[5]2020年度CCRT第-批车型评价结果正式发布[J]世界汽车，2020（ 08）：100-101.

[6]郑昆，侯卫国，董田，蔡国辉.NEDC工况下温度对锂离子电池组性能的影响[J]电池，2020，50（ 03）：254-257.

[7]石琳，汤泽波，彭林杰，刘利平，郭浩，石玮.不同温度下纯电动汽车整车能量流研究[A]. 2020中国汽车工程学会年会论文集（2）[C].中国汽车工程学会，2020：6.

[8]BinYu， ChunleiLiu， ShanyunWang， WeidongWang，Siyan Zhao， Guibing Zhu. Applying construaed wetland-microbial electrochemical system to enhance NH 4+ removal at low temperature[J]. Science of the TotalEnvironment， 2020， 724.

[9]Haiwen Shu， Xu Bie，HongLiang Zhang，Xiaoyue Xu，Yu Du， Yi Ma， Lin Duanmu， Guangyu Cao. Naturalheat transfer air-conditioning terminal device and itssystem configuration for ultra-low energy buildingsU].Renewable Energy， 2020， 154.

[10]龚春忠.汽车滑行试验的校正技术研究[J].汽车实用技术，2020（ 12）：99-102.

[11]龚春忠，张永，彭庆丰.汽车滑行试验结果的等效能量消耗率描述法研究[J]汽车科技，2019（02）：25-29.

专家推荐语

吴道俊

合肥工业大学博士

本文分析了电动汽车低温环境下影响能耗的因素，包括道路阻力因素;重点分析了环境温度对车辆道路阻力（尤其是机械阻力）的影响。通过大量实验测试不同温度、不同预热状态下的车辆机械阻力数据，总结了车辆冷态与热态的机械阻力差异情况、机械阻力随温度变化规律等相关重要結论。最后结合UF系数，改进了车辆机械阻力测评方法。相关研究为构建更完善的能耗评价体系，提供了思路和参考。

龚春忠

毕业于浙江大学，硕士研究生，合众新能源汽车有限公司试制试验部性能开发主任工程师，中级工程师，主要从事电动汽车三电系统开发、整车动力性经济性开发仿真与试验工作。已发表论文30余篇。

基金项目.No.51 979246.国家自然科学基金.