纯电动汽车行驶阻力影响因素和高低温阻力修正因子研究

李 博 张 朋 徐军辉 孙 龙

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

我国新能源汽车在近几年发展势头强劲，纯电动汽车的销量逐年攀升。截至2019 年底，国内纯电动乘用车产销量共计高达120 万辆，比2016 年的20多万辆增长近5 倍之多[1]。车辆续驶里程是消费者购买纯电动汽车的一项重要性能参考指标。纯电动汽车续驶里程的影响因素主要包括电池包性能、车辆设计最大总质量、辅助系统能耗、环境温度、道路状况、行驶工况以及驾驶习惯等[2]，其中，车辆行驶阻力是其续航里程的一项主要影响因素。车辆行驶阻力主要包括轮胎滚动阻力、空气阻力、变速系统传动阻力和坡道阻力，而轮胎、气压、风速、环境温度等因素会对行驶阻力造成一定影响。

中国汽车技术研究中心有限公司的EV-TEST测评管理规则（2019 版）中，对于总质量小于3 500 kg的纯电动汽车行驶阻力的测试是按照GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（简称国六标准）中附件CC 的规定进行道路载荷测量。国六标准中，对-7℃环境下的车辆行驶阻力的测试规定是：用底盘测功机模拟-7℃环境下汽车在道路上的运行状况，可以基于-7 ℃环境下确定的道路负荷的变化，也可以按照附件CH 确定的行驶阻力，将汽车滑行时间减少10%后得到的阻力作为道路负荷替代值[3]。即在不进行实际道路低温环境滑行的情况下，如需在底盘测功机上模拟行驶阻力，可以将常温下的道路行驶阻力乘以1.1 的系数作为-7 ℃环境下的车辆行驶阻力。但是，这里将常温下的行驶阻力增加10%的具体原因并未作合理解释。因此，本文对纯电动汽车在-7.5 ℃和31 ℃环境下的行驶阻力与常温下的行驶阻力进行对比，得到准确的纯电动汽车的高低温行驶阻力修正系数。同时，本文对热车时间和胎压2 种影响因素也做了比对。

1 滑行法行驶阻力测定

滑行能量变化法（简称滑行法）是车辆按照一定条件充分热车之后，在干燥、平直的道路上加速到一定初速度，挂入N 档（纯电动汽车关闭制动能量回收开关），测试车辆自由减速到各车速的实际时间，从而计算不同车速下的行驶阻力，通过拟合确定道路行驶阻力方程[4]。滑行法计算得到的各车速下的行驶阻力拟合方程为：

式中：F 为行驶阻力，N；V 为车速，km/h；f0、f1、f2均为道路载荷系数。

2 滑行试验条件和计算理论

2.1 试验道路

试验道路为盐城试验场干燥、平直的性能测试道路，纵坡度小于1%，长度为3 km 左右。

2.2 标准依据

依据国六标准中附件CC 的规定进行测试。

2.3 气象条件

选择在晴朗无雨雪、风速小于3 m/s 的气象条件下进行试验，每次试验的最高温度与最低温度差不大于5 ℃。

2.4 车辆准备

试验车辆进行了至少3 000 km 的磨合，试验前后均对车辆进行称重，计算质量取车辆试验前后的算术平均值。正式滑行前，以接近120 km/h 的速度对车辆进行30 min 充分预热，使其状态达到稳定。

2.5 试验和结果计算

正式测试时，车辆加速到140 km/h 并维持该车速大约10 s 后开始空档滑行，测试车速从（V+5）km/h 降至（V-5）km/h 的时间。测试过程中，车辆尽量不转动方向，不进行制动操作。受路段长度的限制，单向滑行试验分为2 段进行，每辆车的往返测试共进行6 组，计算车辆滑行时间的统计精度。均小于0.03。

式中：Pj为速度Vj下的统计精度；Fj为速度Vj下的行驶阻力，N；n 为测试组数；σj为标准偏差；Δtj为速度Vj下的调和平均滑行时间，s；mav为试验前后车辆质量平均值，kg；mr为转动零部件等效有效质量，kg。

通过公式（3）计算出130～20 km/h 各车速下的行驶阻力后，拟合得到测试所得的道路载荷系数f2、f1、f0，然后分别按以下公式修正得到最终基准状态（大气压力为100 kPa、温度为293 K）下的道路载荷系数A、B、C。

式中：T 为环境温度，℃；K0为滚动阻力修正因子，K0=8.6×10-3K-1；K1为测试质量修正因子，N；K2为空气阻力校正因子；w1为风阻修正值，N。K1、K2、w1的计算公式分别如下：

式中：TMh为测试质量，kg；p 为大气压力算术平均值，kPa；vw为试验道路旁2 个方向的风速中，相对较低的风速算术平均值，m/s。

3 行驶阻力测试

3.1 不同热车时间和胎压的行驶阻力

试验对A 车进行了不同热车时间和胎压的行驶阻力测试，由于车辆的行驶阻力受路面、胎压、风速和气温等多种因素的影响，在进行不同热车时间的测试中，保证车辆胎压、车辆测试质量相同，试验尽量选择在风速较小的条件下进行，试验路面干燥清洁。在进行不同胎压的测试时，除胎压以外的其他因素尽可能保持一致。A 车的试验条件和环境如表1所示。

表1 A 车的试验条件和环境

按照国六标准要求，滑行试验前，以90%的基准车速（118 km/h）热车，时间不少于20 min，直到车辆达到稳定状态。按照测试经验，本文以30 min 热车时间作为一个标准热车时间。此时，车辆的润滑油温度和冷却液温度均能达到稳定状态。其余试验均以30min 热车时间作为参照。A 车进行了5 组测试，各条件下修正后的行驶阻力如表2 所示。

表2 A 车修正到基准状态下的行驶阻力

图1 为A 车不热车的行驶阻力和60min 热车时间的行驶阻力与标准热车30min（简称为标准状态）的行驶阻力差值比较。

图1 A 车不同热车时间的行驶阻力与标准状态的行驶阻力差值比较

从图1 可以看出，A 车不热车的车辆行驶阻力均高于60 min 热车，在充分热车60 min 的情况下，各速度下的行驶阻力平均降低12 N。

图2 为A 车在（胎压-0.02 MPa）下的行驶阻力和（胎压+0.02 MPa）下的行驶阻力与标准状态的行驶阻力差值比较。

从图2 可以看出，各胎压减小0.02 MPa，各车速下的行驶阻力平均增加8.1 N。而各胎压增加0.02 MPa，各车速下的行驶阻力均有所减小，平均减小19.2 N。可见，各胎压在增减幅度相同的情况下，与减小胎压相比，增加胎压，行驶阻力减小近27N。

图2 A 车不同胎压下的行驶阻力与标准状态的行驶阻力差值比较

因此，车辆热车时间充分与否以及胎压大小对车辆的行驶阻力影响较大。车辆热车充分的条件下，由于动力系统和传动系统的润滑油温度达到正常工作温度，车辆内阻相应降低。而胎压对车辆行驶阻力的影响主要是轮胎与路面的接触面积变化所致，气压增加的情况下，轮胎与路面的有效接触面积减小，从而减小了车辆的摩擦阻力。因此，在进行行驶阻力测定前，应按照国六标准中附件CC 的规定充分热车并调整胎压，尽量减小操作因素对车辆行驶阻力的影响。

3.2 低温行驶阻力

由于车辆的行驶阻力受路面、胎压、风速和气温等多种因素的影响，为了排除胎压、风速和路面粗糙度等因素的影响，尽量将环境温度作为单一影响因素，每次试验都保证各车辆的胎压保持一致，车辆试验质量相同，试验尽量选择风速小于1 m/s 的条件下进行，试验路面干燥清洁。B 车的试验条件如表3 所示，可认为环境温度为单一影响因素。

表3 B 车的试验条件和环境

常温和低温的行驶阻力试验分别在秋冬两季完成，表4 为B 车的测试结果，包括车辆从基准速度降低至各速度下的时间和通过滚动阻力、测试质量、空气阻力和风速综合修正到基准状态的行驶阻力。

表4 B 车的试验结果

从表4 可以看出，低温条件下，B 车从基准车速降至各车速的滑行时间均小于常温。根据牛顿第二定律F=ma 可知，在质量和速度不变的情况下，时间越短，F 越大。

图3 为B 车在2 种环境温度下修正后的行驶阻力对比曲线。可以看出，-7.5℃环境温度下，车辆修正到基准状态下的行驶阻力均高于15.0℃环境温度。

图3 B 车修正后行驶阻力

图4 为B 车低温与常温下的行驶阻力之比。

由图4 可以看出，低温状态下，B 车各车速下的行驶阻力为常温状态下行驶阻力的1.14～1.34 倍，阻力倍数调和平均值为1.21。由此可以验证，B 车的低温行驶阻力并不是常温状态下的行驶阻力整体增加1.1 倍，低温行驶阻力随车速降低呈现增加趋势。

图4 B 车低温行驶阻力与常温行驶阻力之比

图5 为B 车低温行驶阻力的增加倍数与车速的关系柱状图。

图5 B 车低温行驶阻力增加倍数与车速的关系柱状图

从图5 可以看出，低温环境下，车辆的行驶阻力整体增加。但是，增幅随车速降低呈现增加趋势，B车行驶阻力的增幅为0.14～0.34 倍。由于车辆在行驶过程中的阻力主要由滚动阻力、空气阻力和机械阻力构成，车辆在高速段的行驶阻力中空气阻力占主导作用，车辆在低速段的行驶阻力中滚动阻力和机械阻力占主导作用，因此，从B 车的行驶阻力增加趋势可以得到，低温环境下，车辆的滚动阻力和机械阻力增幅较大，即低温环境主要影响车辆的滚动阻力和机械阻力。

综上所述，将B 车从130～20 km/h 的低温和常温的行驶阻力之比进行拟合，可得到B 车低温行驶阻力修正系数的方程为：

式中：X 为当前车速，km/h。

因此，B 车在不同车速下的低温行驶阻力与常温行驶阻力之比可按照该拟合公式进行修正。

3.3 高温行驶阻力

C 车的高温行驶阻力和常温行驶阻力比对试验分别在夏、春两季完成，表5 为C 车行驶阻力测试场地的环境条件，试验风速在1 m/s 以内，尽量减小风速差异对试验结果的影响。

试验结果如表6 所示。

C 车在31 ℃环境温度下的滑行时间均大于23.1 ℃环境温度，因此，高温环境下，C 车各车速下修正到基准状态下的行驶阻力小于常温环境。从2 者行驶阻力比对结果可以看出，C 车在常温环境下各车速的行驶阻力为高温行驶阻力的1.02～1.07 倍，阻力比的调和平均值为1.05。C 车在高温环境下的行驶阻力均较常温环境有所减小，其阻力减小平均值为5%。可以认为，与常温环境相比，高温环境下车辆的行驶阻力减小量在工程允许误差以内，无需进行修正。

图6 为C 车高温行驶阻力的减小倍数与车速的关系柱状图。

图6 C 车高温行驶阻力减小倍数

从图6 可以看出，高温环境下，车辆的行驶阻力整体减小。但是，减幅随车速降低呈现先增加后下降趋势。

3 结论

1）车辆行驶阻力的影响因素诸多，将环境温度作为单一影响因子的前提是保证风速、气压和路面粗糙度在2 组试验前后尽可能保持一致，尽量减小除环境温度以外的其它因素对车辆行驶阻力的影响。

2）车辆在高温环境下的行驶阻力整体减小，但平均减幅不超过5%，不建议对其进行行驶阻力修正。

3）低温环境主要影响车辆的滚动阻力和机械阻力，随着车速的降低，车辆行驶阻力增幅呈增加趋势，其行驶阻力是常温环境下的1.14～1.34 倍，各车速调和平均行驶阻力为常温环境的1.21 倍，不推荐-7℃环境下纯电动车的行驶阻力系数按照常温行驶阻力整体乘以1.1 的倍数进行计算，车辆的低温行驶阻力应按照车速逐个修正。

4）充分热车可以降低车辆内阻，从而降低行驶阻力。胎压对车辆行驶阻力的影响主要是轮胎与路面的接触面积变化所致，各胎压在增减幅度为0.02MPa 的情况下，增加胎压的行驶阻力比减小胎压降低近27N。