龔春忠 陳燕虎 陳海琴 李鵬

摘要：節(jié)能工作是電動(dòng)汽車研發(fā)的重要課題，電動(dòng)汽車低溫續(xù)航性能的重要影響因素除了電池的低溫性能以外，環(huán)境溫度對(duì)車輛道路阻力的影響也不容忽視。本文首先對(duì)電動(dòng)汽車低溫環(huán)境的能耗影響因素進(jìn)行調(diào)研，分析各影響因素對(duì)里程衰減率的影響;然后，重點(diǎn)分析環(huán)境溫度對(duì)車輛道路阻力的影響原理，分解為空氣阻力、車輛機(jī)械阻力兩類影響;接著，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試不同溫度下的車輛機(jī)械阻力;最后，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合UF系數(shù)，討論低溫環(huán)境下和車輛冷態(tài)下的車輛機(jī)械阻力測(cè)評(píng)方法。實(shí)驗(yàn)表明，相同環(huán)境溫度下，示例車輛冷態(tài)與熱態(tài)的機(jī)械阻力能耗差異高達(dá)0.64kWh/lOOkm，環(huán)境溫度每降低lO℃，示例車輛機(jī)械阻力能耗增加0.53kWh/lOOkm。該評(píng)價(jià)方法替換現(xiàn)有只考慮常溫預(yù)熱后的機(jī)械系統(tǒng)阻力方法，可以更全面、更客觀地反映實(shí)際用戶能耗水平，從而找到更合理的整車匹配方案。

關(guān)鍵詞：道路阻力;車輛冷態(tài)阻力;低溫續(xù)駛里程;UF系數(shù)

中圖分類號(hào)：U461.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J 文章編號(hào)：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(guó)新能源汽車銷售量是136.7萬輛，同比增長(zhǎng)10.9%。其中，純電動(dòng)汽車銷量為111.5萬輛，同比增11.6%[1]。雖然銷量數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好，但依然有眾多用戶痛點(diǎn)有待攻克。其中普遍受到關(guān)注的問題點(diǎn)之一是電動(dòng)汽車“怕冷”問題。低溫環(huán)境下，以-7℃為基準(zhǔn)參考溫度，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航通常衰減35%至55%。文獻(xiàn)[2]研究了不同溫度下的車輪滾阻，文獻(xiàn)[3]研究了不同溫度下的變速箱油對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)效率，中國(guó)電動(dòng)汽車測(cè)評(píng)（ EV-TEST）與中國(guó)汽車消費(fèi)者研究及測(cè)試中心（ CCRT）則使用各阻力系數(shù)增加10%的方式設(shè)定車輛道路阻力[4.5]。本文以某汽車車型為示例，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試不同溫度下的車輛機(jī)械阻力，獲得更精確的結(jié)果。并結(jié)合UF系數(shù)，探討如何改善車輛機(jī)械阻力的測(cè)評(píng)規(guī)則。

1 電動(dòng)汽車低溫環(huán)境下的能耗問題

環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)汽車能耗的影響主要可以分為3個(gè)方面考慮。首先是電池的溫度適應(yīng)性，-7℃環(huán)境下，電池放電能量通常僅為常溫下的80%-90%，且制動(dòng)能量回收受回充電流限制嚴(yán)重，綜合影響續(xù)駛里程衰減10%-20%[6]。其次是低溫環(huán)境下的車輛采暖問題，相對(duì)于常溫，不僅需要增加一部分能量用于車內(nèi)采暖，同時(shí)還要給電池等車身部件加熱，額外損耗約2至6kWh/lOOkm的能量，使綜合續(xù)航下降15%-25%[7]。最后是低溫環(huán)境對(duì)車輛行駛阻力的影響，CCRT與EV-TEST中，規(guī)定了低溫環(huán)境下的續(xù)駛里程測(cè)試時(shí)，車輛機(jī)械阻力相對(duì)于常溫增加10%，對(duì)里程衰減的貢獻(xiàn)也近似為10%。以上三個(gè)因素綜合分析，低溫下車輛續(xù)航衰減理論上為35%-55%。有眾多課題在研究提升電池低溫適應(yīng)性與提高車輛采暖能效方案[8.9]。但環(huán)境溫度對(duì)車輛機(jī)械阻力的影響相關(guān)文獻(xiàn)研究較少，需要詳細(xì)分解。

2 環(huán)境溫度對(duì)車輛道路阻力影響原理

低溫環(huán)境下道路阻力較大的原因，有以下三個(gè)方面：低溫下空氣密度較大，車輛空氣阻力增加;低溫下輪胎材料特性影響，其滾動(dòng)阻力較大;低溫下減速器、傳動(dòng)軸等相對(duì)活動(dòng)部件之間的潤(rùn)滑劑粘度較大，影響其阻力。這三個(gè)部分需要分別細(xì)化研究。在整車滑行試驗(yàn)求取道路阻力系數(shù)的過程中，應(yīng)用了溫度修正的理論[10]，僅對(duì)車輛預(yù)熱后的狀態(tài)進(jìn)行阻力系數(shù)修正，并不考慮車輛冷態(tài)的機(jī)械阻力大小。一般的車輛阻力測(cè)試方法，結(jié)果都以獲得阻力系數(shù)為準(zhǔn)。但阻力系數(shù)是一組數(shù)據(jù)，為敘述方便，定義車輛機(jī)械阻力能耗為：由于車輛機(jī)械阻力造成的整車特定工況下的百公里能量消耗量，單位為kWh/lOOkm。該參數(shù)可以從節(jié)能的角度，更合理地描述車輛機(jī)械阻力的大小[11]。

2.1環(huán)境溫度對(duì)空氣阻力的影響

由空氣動(dòng)力學(xué)方程可知，空氣阻力與空氣密度呈正比，如式（1）所示。影響空氣阻力的大小因素主要有空氣密度、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、車速。這4個(gè)參數(shù)中，僅空氣密度與環(huán)境溫度相關(guān)。不同溫度下空氣密度如式（2）所示。

Fw=

（1）

式中，F(xiàn)w一空氣阻力，N;

p-空氣密度，kg/m3;

Cd-風(fēng)阻系數(shù);

S-迎風(fēng)面積，m2;

v-車速，km/h。

273.15

p=

（2）

P=

式中，p。一一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，1.29kg/m3;

T——環(huán)境溫度，℃。

由此可知，-7℃相對(duì)于20℃，空氣密度增加了10.14%?；旧吓c當(dāng)前使用的阻力增加100-/0吻合。

2.2環(huán)境溫度對(duì)車輪滾阻的影響

對(duì)于空氣阻力的分析相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，對(duì)于輪胎滾阻、傳動(dòng)系統(tǒng)阻力等，并沒有如此成熟的理論進(jìn)行直接推導(dǎo)。查閱相關(guān)資料，可知輪胎滾阻在預(yù)熱前約為預(yù)熱后的1.3倍。如圖1所示，某輪胎預(yù)熱時(shí)間與其滾阻系數(shù)的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)中以30min預(yù)熱對(duì)應(yīng)的滾阻作為輪胎的滾阻系數(shù)，該示例輪胎滾阻為6.8N/kN。

折算為預(yù)熱里程為40km，而大部分用戶用車單程出行里程都在40km以內(nèi)，顯然，只用預(yù)熱后的輪胎滾阻系數(shù)對(duì)輪胎滾阻性能進(jìn)行評(píng)價(jià)是不合理的。圖1只給出了常溫預(yù)熱前后的輪胎阻力差異，而關(guān)于低溫環(huán)境下的阻力值，則依然沒有數(shù)據(jù)作為支撐，需要進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.3環(huán)境溫度對(duì)減速器與傳動(dòng)軸阻力的影響

影響減速器、傳動(dòng)軸效率的因素主要有：箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、軸承、油品粘度、油量等。其中，溫度對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在影響油品的粘度。但與輪胎不同的是，其預(yù)熱周期相對(duì)較短，油溫對(duì)效率的影響約為1%。如圖2所示為某動(dòng)力總成執(zhí)行等速60km/hl況下的效率。

傳動(dòng)系統(tǒng)效率變化1%，對(duì)整車能量消耗量影響約為0.1-0.2kWh/lOOkm，相對(duì)于滾阻與風(fēng)阻來說小很多。預(yù)熱前后的效率差異不大，但在不同溫度下的傳動(dòng)系統(tǒng)阻力，需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。

3 環(huán)境溫度對(duì)車輛機(jī)械阻力影響試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從以上分析可知，不同溫度、不同預(yù)熱狀態(tài)對(duì)車輛的機(jī)械阻力有影響，但缺少成熟的理論依據(jù)，需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。依據(jù)GB/T 18352.6附錄CC中的測(cè)試方法，對(duì)車輛機(jī)械阻力的測(cè)試主要有等速法與減速法兩種。本文采用改進(jìn)的減速法進(jìn)行測(cè)量。需要對(duì)車輛預(yù)熱前后的狀態(tài)重復(fù)多次測(cè)試。

3.1 測(cè)試步驟

本實(shí)驗(yàn)為開發(fā)性試驗(yàn)，要考慮底盤測(cè)功機(jī)的零點(diǎn)漂移和不同溫度下的預(yù)熱。采用的測(cè)試設(shè)備是：1、底盤測(cè)功機(jī)，型號(hào)CDS150-2D-II;2、高低溫環(huán)境艙，型號(hào)HQC484。本示例中對(duì)比車輛的前驅(qū)部分機(jī)械阻力，類似的方法可獲得后輪的機(jī)械阻力。測(cè)試步驟設(shè)計(jì)如下：

步驟1：底盤測(cè)功機(jī)零點(diǎn)漂移測(cè)定。

步驟2：檢查車輛狀態(tài)，將車輛固定在底盤測(cè)功機(jī)上。

步驟3：將環(huán)境艙溫度設(shè)置為25℃，浸車12h，

步驟4：自動(dòng)對(duì)中裝置舉升，預(yù)熱底盤測(cè)功機(jī)后，自動(dòng)對(duì)中裝置再下降為測(cè)試狀態(tài)。

步驟5：車輛設(shè)置為空擋模式，底盤測(cè)功機(jī)帶動(dòng)車輛至車速120km/h，然后切換為道路阻力模擬模式。道路阻力設(shè)置為A=50N，B=O，C=0.035N/（ km/h）2。

步驟6：重復(fù)步驟5，執(zhí)行5次。

步驟7：底盤測(cè)功機(jī)設(shè)置為等速80km/h，預(yù)熱30min。

步驟8：重復(fù)步驟5，執(zhí)行5次。

步驟9：將環(huán)境溫度分別設(shè)置為10℃、0℃、一7℃、-20℃，執(zhí)行步驟3至步驟8。

步驟10：試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)束。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照3.1設(shè)計(jì)的試驗(yàn)步驟，對(duì)某車型的前驅(qū)機(jī)械阻力進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得如表1所示的測(cè)試結(jié)果?？偣残枰獔?zhí)行5個(gè)溫度下的機(jī)械阻力，車輛預(yù)熱前后分別為冷態(tài)、熱態(tài)，各溫度下測(cè)試5組減速法獲得的阻力系數(shù)A與B，折算成NEDC工況下的能耗值。

表1中，第5次與第6次之間執(zhí)行預(yù)熱操作，前5次為車輛冷態(tài)機(jī)械阻力，后5次為車輛熱態(tài)機(jī)械阻力。繪制各溫度下、第n次減速法測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，前5次隨著溫度的提高，機(jī)械阻力越來越小。后5次為預(yù)熱后的狀態(tài)，其均值比預(yù)熱前要小。隨著溫度的降低，機(jī)械阻力能耗增加趨勢(shì)也很明顯。各溫度下車輛預(yù)熱后，機(jī)械阻力能耗有稍微回彈趨勢(shì)，特別是低溫環(huán)境下，回彈明顯，說明預(yù)熱操作相對(duì)于減速法測(cè)試的工況，對(duì)車輛機(jī)械系統(tǒng)的加熱強(qiáng)度更高。

表1中最重要的信息是各溫度下冷態(tài)、熱態(tài)均值。將預(yù)熱前后的結(jié)果用均值整理后如表2所示。

常溫狀態(tài)下，仿真時(shí)收集的信息為：減速器效率97%、傳動(dòng)軸效率98%、卡鉗拖滯力為2.5Nm/輪，軸承拖滯力為0.8Nm/輪，輪胎滾阻系數(shù)為7.5N/kN。對(duì)應(yīng)的能耗為4.74kWh/lOOkm。前輪的部分對(duì)應(yīng)的能耗為2.914 kWh/lOOkm。實(shí)測(cè)結(jié)果常溫預(yù)熱后的機(jī)械阻力均值為3.012 kWh/lOOkm，證明該車輛設(shè)計(jì)值與實(shí)際狀態(tài)較為接近。由表2可知，常溫下冷態(tài)機(jī)械阻力能耗比熱態(tài)機(jī)械阻力能耗高0.277kWh/lOOkm，低溫環(huán)境（-7℃）下預(yù)熱狀態(tài)比常溫預(yù)熱狀態(tài)下機(jī)械阻力能耗高1.496kWh/lOOkm，阻力能耗增加49.67%，遠(yuǎn)高于當(dāng)前CCRT與EV-TEST引用的10%。從熱態(tài)均值來看，車輛每降低10℃，平均能耗增加0.53kWh/lOOkm，

相同環(huán)境溫度下，車輛預(yù)熱前后機(jī)械阻力能耗均值的差值平均值為0.64kWh/lOOkm，如圖5所示。常溫下相差并不明顯，但低溫環(huán)境下差值巨大。這也是部分用戶冬季環(huán)境下未開空調(diào)，其能耗依然很高的重要原因之一。

4 結(jié)合UF系數(shù)對(duì)車輛機(jī)械阻力測(cè)評(píng)改進(jìn)

以往的評(píng)測(cè)只考核常溫預(yù)熱狀態(tài)下的車輛機(jī)械阻力，本文試驗(yàn)證明了不同溫度、不同預(yù)熱條件下，車輛的機(jī)械阻力差異較大。而不同溫度下的權(quán)重，通過年度溫度分布統(tǒng)計(jì)特征確定。不同預(yù)熱狀態(tài)下的權(quán)重，則可借助UF（ Utility Factor）系數(shù)計(jì)算。UF系數(shù)是混合動(dòng)力汽車中常用的參數(shù)，參考SAE J2841的相關(guān)內(nèi)容，定義為純電利用系數(shù)。表達(dá)式如式（3）所示：

UFc（dc）=1-exp

式中，dc——單程行駛里程，km;

UFc一一行駛里程為dc時(shí)的純電利用系數(shù)，取值范圍為0-1;

dn一一最大出行里程，標(biāo)準(zhǔn)中定義為常數(shù)400km;

Cx——第x個(gè)系數(shù)，見標(biāo)準(zhǔn)GB/T19753附錄F;

將UF.對(duì)de求導(dǎo)數(shù)，則獲得用戶單次用車概率密度函數(shù)。如圖6所示：

由圖6可知，用戶單次出行里程≤50km的概率較大，因此，冷態(tài)下的機(jī)械阻力權(quán)重較高。若車輛機(jī)械阻力衰減符合自然指數(shù)函數(shù)模型，則定義預(yù)熱前車輛機(jī)械阻力為ECo，預(yù)熱后車輛機(jī)械阻力為EC，則行駛里程s與車輛機(jī)械阻力能耗EC的關(guān)系為：

EC（d.）=（ECo - EC.）×e R+EC. （4）

式中，R-衰減系數(shù)，km，由實(shí)驗(yàn)擬合獲得。

概率密度函數(shù)表達(dá)為P（s），則綜合出行能耗表達(dá)為（5）式：

EC=

（5）

將（4）式帶入（5）式中，推導(dǎo)得：

EC=

（6）

由式（6）可知，衰減系數(shù)R越大，EC越大。預(yù)熱前車輛機(jī)械阻力能耗EC0與預(yù)熱后車輛機(jī)械阻力能耗EC 的差值越大，則EC越大0 P（s）是分布曲線，較難進(jìn)一步化簡(jiǎn)。當(dāng)帶入經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照80km/h行駛30min預(yù)熱條件為衰減系數(shù)，R=40km。EC0是EC 的1.3倍，帶人（6）式計(jì)算獲得數(shù)值解：EC=1.0852×EC ，即當(dāng)前熱態(tài)的機(jī)械阻力測(cè)試結(jié)果乘以1.0852才與用戶冷態(tài)、熱態(tài)均考慮的真實(shí)情況接近。

5 結(jié)論

環(huán)境溫度是影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的重要因素，除了改善電池低溫放電性能、降低車輛低溫采暖功耗以外，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)低溫環(huán)境下的節(jié)能優(yōu)化也必須重視。本文采用減速法，測(cè)得不同環(huán)境溫度下車輛冷態(tài)與熱態(tài)的機(jī)械阻力，被測(cè)冷態(tài)與熱態(tài)的車輛機(jī)械阻力能耗差值高達(dá)0.64kWh/lOOkm，環(huán)境溫度每降低lO℃，車輛機(jī)械阻力能耗增加約0.53kWh/lOOkm，對(duì)車輛能耗測(cè)評(píng)產(chǎn)生重大影響。采用結(jié)合UF系數(shù)、環(huán)境溫度統(tǒng)計(jì)，推導(dǎo)出與用戶實(shí)際能耗更貼近的阻力系數(shù)值，當(dāng)假設(shè)80km/h行駛30min作為預(yù)熱條件，冷態(tài)比熱態(tài)機(jī)械阻力大1.3倍時(shí)，熱態(tài)的機(jī)械阻力測(cè)試結(jié)果乘以1.0852才與用戶冷態(tài)、熱態(tài)均考慮的真實(shí)情況接近。下一步工作將結(jié)合大數(shù)據(jù)采集，針對(duì)特定用戶進(jìn)行阻力系數(shù)評(píng)價(jià)，提出機(jī)械阻力系統(tǒng)定制化降能耗措施。

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專家推薦語

吳道俊

合肥工業(yè)大學(xué)博士

本文分析了電動(dòng)汽車低溫環(huán)境下影響能耗的因素，包括道路阻力因素;重點(diǎn)分析了環(huán)境溫度對(duì)車輛道路阻力（尤其是機(jī)械阻力）的影響。通過大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同溫度、不同預(yù)熱狀態(tài)下的車輛機(jī)械阻力數(shù)據(jù)，總結(jié)了車輛冷態(tài)與熱態(tài)的機(jī)械阻力差異情況、機(jī)械阻力隨溫度變化規(guī)律等相關(guān)重要結(jié)論。最后結(jié)合UF系數(shù)，改進(jìn)了車輛機(jī)械阻力測(cè)評(píng)方法。相關(guān)研究為構(gòu)建更完善的能耗評(píng)價(jià)體系，提供了思路和參考。

龔春忠

畢業(yè)于浙江大學(xué)，碩士研究生，合眾新能源汽車有限公司試制試驗(yàn)部性能開發(fā)主任工程師，中級(jí)工程師，主要從事電動(dòng)汽車三電系統(tǒng)開發(fā)、整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性開發(fā)仿真與試驗(yàn)工作。已發(fā)表論文30余篇。

基金項(xiàng)目.No.51 979246.國(guó)家自然科學(xué)基金.