曾祥懿，補 涵，肖 凌，何顯中，王慶洋，黃 滔

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司風(fēng)洞中心，重慶 401122；2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

汽車在道路行駛過程中的阻力主要由4部分組成：滾動阻力、氣動阻力、坡道阻力以及加速阻力。汽車在水平道路上等速行駛時，必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的氣動阻力。當(dāng)汽車在坡道上坡行駛時，還必須克服重力沿坡道的分力——坡道阻力。此外，汽車加速行駛時還需要克服加速阻力。道路行駛阻力對汽車燃油經(jīng)濟性和排放性能有著顯著影響，準(zhǔn)確測量道路行駛阻力是車輛排放和油耗性能精確評估的前提和關(guān)鍵。

國外較早開展了真實道路情況下汽車行駛阻力的研究。WATKINS等的研究表明道路環(huán)境下的湍流會顯著影響道路車輛的空氣動力學(xué)性能。COOPER等探索了道路下前車尾流對于道路行駛阻力的影響，并由LAWSON等、LINDENER等、OETTLE等進行了擴展與豐富。WOJCIAK等將五孔探針、皮托管等設(shè)備集成在車輛上進行實際道路試驗，探究車輛行駛過程中的真實流場情況，并進一步考慮道路天氣、交通等對行駛阻力的影響，形成典型工況的自然風(fēng)譜。為了進一步評估來流偏角變化對車輛氣動阻力的影響，英、美等國的工程師先后提出了基于英國、美國道路數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的風(fēng)平均阻力系數(shù)法：MIRA法、SAE J252法和TRRL法。上述3種計算方法在一定程度上能對自然風(fēng)情況下的道路行駛阻力進行研究，但仍存在無法真實反映車輛在中國道路上實際行駛狀態(tài)的問題。

國內(nèi)研究者則采用道路滑行、轉(zhuǎn)鼓試驗、風(fēng)洞試驗等方法分別對汽車道路行駛阻力進行研究，探究了各種研究方法的測試差異、準(zhǔn)確度、重復(fù)性等問題。但目前國內(nèi)學(xué)者對真實來流情況下的汽車行駛阻力問題研究仍然較少。鐘聲龍等結(jié)合模擬計算和實車試驗結(jié)果的分析，闡述了自然風(fēng)影響汽車空氣阻力系數(shù)試驗結(jié)果的規(guī)律，以及在汽車空氣阻力系數(shù)試驗及其數(shù)據(jù)處理時減小自然風(fēng)對試驗結(jié)果影響的方法。袁海東等提出了基于道路環(huán)境風(fēng)風(fēng)速概率分布的汽車真實道路偏航角概率分布的計算方法，對考慮自然風(fēng)的風(fēng)平均阻力系數(shù)進行研究，但未進行中國地區(qū)實際道路風(fēng)譜數(shù)據(jù)測試。

本文首先選取5款汽車作為測試車輛，依據(jù)國標(biāo)GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）中規(guī)定的測量方法進行了道路滑行法和風(fēng)洞法的行駛阻力測量對比試驗，驗證了使用風(fēng)洞法進行道路行駛阻力研究的有效性。然后，選取某款汽車進行真實環(huán)境道路測試，對車輛行駛過程中的來流偏角進行測量與采集。最后，使用4種風(fēng)平均阻力系數(shù)計算方法對道路測試結(jié)果進行風(fēng)阻系數(shù)修正，對考慮來流偏角的汽車道路行駛阻力進行研究。

1 汽車道路行駛阻力測量方法

滑行法是國內(nèi)普遍采用的道路行駛阻力測量方法，其方法為：將車輛加速到比最高基準(zhǔn)車速（130 km/h）高10 km/h的速度，穩(wěn)定一段時間后，將車輛變速器置于空擋，讓車輛在道路行駛阻力的作用下減速，測量車輛速度從（Δ）滑行到（-Δ）的正向滑行時間，相反方向也需要進行同樣的試驗。測量得到往返滑行時間調(diào)和算術(shù)平均值，計算得出加速度，根據(jù)牛頓第二定律計算得出車輛道路行駛阻力，得到-道路行駛阻力曲線。最后利用最小二乘法進行擬合，得出道路行駛阻力與車速的二次多項式函數(shù)，如式（1）所示。

式中：為道路行駛阻力，N；為道路載荷系數(shù)。

風(fēng)洞法是GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）新引入的車輛行駛阻力測量方法，其方法為：利用底盤測功機測量滾動阻力，使用氣動風(fēng)洞測量車輛在不同風(fēng)速下的氣動阻力，兩者相加得到總阻力，如式（2）所示。再將與車速進行最小二乘法回歸計算得出道路載荷系數(shù)，與式（1）類似。

本次研究的道路滑行試驗在重慶大足汽車試驗場進行，風(fēng)洞試驗與轉(zhuǎn)鼓試驗均在中國汽車工程研究院股份有限公司（CAERI）風(fēng)洞中心進行。CAERI風(fēng)洞中心已獲得國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局CNAS認證，國Ⅵ風(fēng)洞法試驗已獲得CNAS授權(quán)，道路載荷系數(shù)可直接用于國Ⅵ排放、油耗測試。同時，該風(fēng)洞已由TUV NORD北德集團進行歐Ⅵ、全球輕型車測試規(guī)范（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure，WLTP）等風(fēng)洞法的認證，風(fēng)洞指標(biāo)滿足GB 18352.6—2016附件CC.3.2.和附件CC.6.4.1中的相關(guān)條款要求。

本次對比測試選擇MPV、轎車和SUV各一輛進行滑行法與風(fēng)洞法試驗，各自進行兩次重復(fù)性試驗，試驗過程均嚴(yán)格按照GB 18352.6—2016中對于滑行法和風(fēng)洞法的要求執(zhí)行，如圖1所示。

圖1 滑行法與風(fēng)洞法試驗

滑行法與風(fēng)洞法測量道路行駛阻力后，可將道路行駛阻力代入全球輕型汽車測試循環(huán)（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，

WLTC）中，從而計算相關(guān)能耗，進行整車動力性和經(jīng)濟性的分析及優(yōu)化。本次滑行法和風(fēng)洞法重復(fù)性測試的WLTC循環(huán)能量差與WLTC循環(huán)百公里能量差計算方法及結(jié)果如式（3）、圖2～3所示。

圖2 重復(fù)性測試WLTC循環(huán)能量差百分比

式中：為在WLTC循環(huán)試驗中，風(fēng)洞法與滑行法的循環(huán)能量差百分比或循環(huán)百公里能量差；E為在WLTC循環(huán)試驗中，風(fēng)洞法與滑行法的循環(huán)能量或循環(huán)百公里能量，J；下標(biāo)數(shù)字為滑行法或風(fēng)洞法第次測量。

圖3 重復(fù)性測試WLTC百公里能量差

如圖所示，在MPV、轎車、SUV的對比中，風(fēng)洞法重復(fù)性測試的WLTC循環(huán)能量差百分比、WLTC循環(huán)百公里能量差均明顯低于滑行法重復(fù)性測試的結(jié)果，WLTC循環(huán)能量差百分比平均低1.39%，WLTC循環(huán)百公里能量差平均低0.26 kWh/（100 km），風(fēng)洞法重復(fù)性測試能量差均不到滑行法測試的一半。這表明風(fēng)洞法相較于滑行法，測試結(jié)果更加穩(wěn)定，重復(fù)性更佳。

此外，根據(jù)GB 18352.6—2016中“CC.6.2測試方法的有效性”的要求，應(yīng)將風(fēng)洞法與滑行法的測量結(jié)果進行對比，以證明測試設(shè)備的有效性。要求選取3輛車，兩種測試方法間循環(huán)能量差百分比ε在±5%以內(nèi)，3輛車之間偏差的算術(shù)平均值ˉ小于0.02。循環(huán)能量差百分比ε與算術(shù)平均值ˉ計算公式如式（4）和式（5）所示。

式中：ε為車輛在WLTC循環(huán)試驗中，風(fēng)洞法與滑行法的循環(huán)能量差百分比；E為車輛基于風(fēng)洞法獲得的，是基于WLTC循環(huán)的道路載荷循環(huán)能量，J；E為車輛基于滑行法獲得的，是基于WLTC的道路載荷循環(huán)能量，J。

本文在標(biāo)準(zhǔn)要求用于有效性認證的3輛車外，還額外增加了兩輛電動汽車進行對比測試，測試及計算結(jié)果匯總?cè)绫?、圖4～5所示。

表1 風(fēng)洞法有效性測試結(jié)果

圖4 風(fēng)洞法與滑行法循環(huán)能量差百分比

風(fēng)洞法與滑行法之間的循環(huán)能量差百分比無明顯差異，ε最大不超過-1.2%，在±5%以內(nèi)，算術(shù)平均值ˉ為0.008 9，遠小于0.02，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖4所示。同時，風(fēng)洞法與滑行法在WLTC循環(huán)工況中，等效百公里循環(huán)能量差最大僅為0.212 kWh/（100 km），平均值為0.167 kWh/（100 km），如圖5所示。

圖5 風(fēng)洞法與滑行法等效百公里循環(huán)能量差

通過對5輛車進行風(fēng)洞法與滑行法的道路行駛阻力對比測試，證明了測試設(shè)備的有效性。傳統(tǒng)車輛道路行駛阻力測量采用的是道路滑行法，容易受到試驗道路坡度、熱車狀態(tài)、溫度、天氣等因素的制約與影響，可重復(fù)性不佳。風(fēng)洞法測試則在試驗室內(nèi)進行，不受天氣條件制約，試驗過程中的溫度、風(fēng)速等參數(shù)都可以精準(zhǔn)控制，熱車過程、滑行過程等能夠嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，試驗可重復(fù)性高，更有助于車輛道路行駛阻力的進一步分析與研究。

2 真實道路來流偏角測試

在真實道路行駛過程中，車輛受到天氣、地理環(huán)境、交通流的影響往往處于非穩(wěn)態(tài)流場中，來流偏角實時變化。同時，在滑行法測試過程中，按照標(biāo)準(zhǔn)需要在近似無風(fēng)的條件下進行；在風(fēng)洞法測試過程中，僅使用0°偏航角的測試結(jié)果作為考核、計算的依據(jù)。以此依據(jù)計算得出的氣動阻力值與車輛在真實道路行駛過程中的氣動阻力值相比偏小，使用偏小的氣動阻力值進行排放性能或燃油經(jīng)濟性評估會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

在車輛（尤其是電動汽車）行駛過程中，用戶常常有強烈的續(xù)航焦慮，抱怨實際行駛里程與宣傳值相差甚遠。盡管WLTP規(guī)定了復(fù)雜的風(fēng)洞地面模擬和低湍流環(huán)境，但同樣不能代表汽車正常行駛時來流偏角變化的自然環(huán)境。而在車輛高速行駛過程中，氣動阻力往往會占據(jù)總道路行駛阻力一半及以上，來流偏角明顯影響風(fēng)洞法與道路滑行法中道路行駛阻力的計算。

為評估來流偏角變化對車輛氣動阻力的影響，通常采用風(fēng)平均阻力系數(shù)法對考慮來流偏角的工況進行計算。風(fēng)平均阻力系數(shù)法：使用低湍流風(fēng)洞中穩(wěn)態(tài)測試的偏航角掃略結(jié)果進行加權(quán)，重新計算阻力系數(shù)。常見的MIRA法、SAE J252法及TRRL法依據(jù)英國或美國的氣象、道路數(shù)據(jù)提出，無法真實地反映車輛在中國道路實際行駛過程中來流偏角變化對于行駛阻力的影響。

因此，本研究選取某品牌轎車，集成道路測試系統(tǒng)進行中國地區(qū)真實道路參數(shù)測量，測量參數(shù)包括來流偏角、來流湍流強度、環(huán)境溫度、GPS信號、表面壓力、轉(zhuǎn)矩、實時錄像等，可實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)道路測試過程中的多物理量高精度同步采集，如圖6所示。道路測試之前，所有車輛測試傳感器均在CAERI風(fēng)洞中心進行標(biāo)定，傳感器位置及測量裝置全程不變，與標(biāo)定狀態(tài)保持一致，如圖7～8所示。此次道路測試歷時2個月，涉及重慶、廣州、海南3個地區(qū)35條測試道路，累計采集約48 h有效測試數(shù)據(jù)。

圖6 CAERI測試系統(tǒng)集成示意圖

圖7 測試系統(tǒng)風(fēng)洞標(biāo)定

圖8 真實道路氣動參數(shù)道路測試

3 數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 道路偏角及風(fēng)洞氣動力測試結(jié)果

本次道路測試地區(qū)主要為中西部地區(qū)（重慶）與沿海地區(qū)（海南、廣州），測試道路類型包括城市道路和高速道路。實際道路數(shù)據(jù)采集時主要關(guān)注車輛行駛過程中來流偏角的實時變化情況，為盡量模擬駕駛員真實駕駛狀態(tài)，試驗全程對駕駛模式和車輛狀態(tài)并無特殊要求。道路測試來流偏角數(shù)據(jù)匯總見表2。

由表2可知，重慶地區(qū)（永川、大足、涪陵、石柱）的偏航角密度分布較為一致，0°～1°偏航角占比約為0.75，1°～2°偏航角占比約為0.20左右；瓊?；袦y試時，偏航角絕大部分分布于0°～1°，接近于無風(fēng)環(huán)境；海南其他地區(qū)及廣州地區(qū)偏航角概率密度分布類似，0°～1°偏航角占比約0.50，1°～2°偏航角概率密度約為0.30。從道路實測數(shù)據(jù)可以看出，偏航角分布具有明顯的地域分布特征。

表2 道路測試來流偏角數(shù)據(jù)匯總

針對某一特定工況、路段或者日期，本文提出用道路測試的偏航角概率密度分布進行風(fēng)平均阻力系數(shù)計算，即為偏航角密度法，其計算公式如下：

式中：P為來流偏角時的概率密度。

為進行風(fēng)洞法研究，道路車輛風(fēng)阻系數(shù)風(fēng)洞測試在CAERI風(fēng)洞中心進行，偏航角掃略以及雷諾數(shù)掃略的風(fēng)阻系數(shù)測試結(jié)果見表3。

表3 偏航角掃略及雷諾數(shù)掃略的風(fēng)阻系數(shù)測試結(jié)果

3.2 考慮來流偏角的道路行駛阻力及循環(huán)能耗

根據(jù)風(fēng)洞偏航角掃略測試數(shù)據(jù)，使用4種風(fēng)平均阻力系數(shù)計算方法重新計算考慮來流偏角的阻力修正系數(shù)，結(jié)果見表4。由表4可知，風(fēng)平均阻力系數(shù)法中TRRL法修正量最大，最大增加29個Counts，相差約10.2%，偏航角密度法中海南滑行工況下修正量最小，修正后風(fēng)阻系數(shù)僅增加3個Counts，相差約1.1%。常見風(fēng)平均阻力系數(shù)計算方法（MIRA法、SAE法、TRRL法）修正量均大于基于道路測試的偏航角密度法。值得注意的是，TRRL法和SAE法均是針對貨車提出的修正方法，貨車高度遠高于轎車，可以推斷此兩種方法對轎車適用性不強，且會過高估計來流偏角影響，而MIRA法是針對英國道路自然風(fēng)統(tǒng)計，英國為海島國家，自然風(fēng)影響比較大，會導(dǎo)致平均風(fēng)阻力系數(shù)修正較大。因此，常見方法并不一定適用于中國某地區(qū)、路段的工況分析。在偏航角密度法修正結(jié)果中，滑行狀態(tài)下基本上無修正，重慶地區(qū)修正量中等，修正量約為5個Counts，相差約1.8%。海南地區(qū)與廣州地區(qū)修正量接近，為8個和9個Counts，相差分別為2.8%和3.2%。中西部地區(qū)（重慶）與沿海地區(qū)（海南、廣州）修正量差別明顯，風(fēng)平均阻力系數(shù)修正具有明顯的區(qū)域分布特征。

表4 風(fēng)平均阻力系數(shù)計算結(jié)果

在風(fēng)平均阻力系數(shù)修正計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛雷諾數(shù)掃略測試數(shù)據(jù)運用風(fēng)洞法計算道路行駛阻力以及循環(huán)能量，進而分析來流偏角對于道路行駛阻力的影響。表5為風(fēng)平均阻力系數(shù)法修正后得到的氣動阻力以及風(fēng)洞法轉(zhuǎn)鼓測試得到的滾動阻力。圖9為基于風(fēng)平均阻力系數(shù)法的系數(shù)修正結(jié)果。圖10為風(fēng)平均阻力系數(shù)法修正后的氣動阻力偏差Δ。

圖9 風(fēng)平均阻力系數(shù)修正結(jié)果

圖10 風(fēng)平均阻力系數(shù)修正后風(fēng)阻F Aj偏差

表5 滾動阻力F Dj及風(fēng)平均阻力系數(shù)修正后氣動阻力F Aj

轉(zhuǎn)鼓測試得到的滾動阻力加上風(fēng)平均阻力系數(shù)法修正后得到的氣動阻力Δ，得到車輛不同速度下的行駛阻力，如式（2）所示。使用最小二乘法將車速與氣動阻力、行駛阻力進行擬合，得到不同風(fēng)平均阻力系數(shù)計算方法下的載荷系數(shù)、、，見表6。

表6 載荷系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)計算得到的道路載荷系數(shù)結(jié)果，利用WLTC以及NEDC標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)進行道路行駛阻力能耗計算。新歐洲行駛工況（New European Driving Cycle，NEDC）標(biāo)準(zhǔn)由歐洲廠商制定；WLTP中的油耗測試循環(huán)也被稱為WLTC循環(huán)，是全球多個測試廠商共同制定的標(biāo)準(zhǔn)。NEDC標(biāo)準(zhǔn)的測試內(nèi)容包括了5個工況，其中有4個市區(qū)循環(huán)和1個郊區(qū)循環(huán)；WLTP的測試方式分為低速、中速、高速和超高速共4個部分，更全面且更嚴(yán)格。根據(jù)GB 19578—2021《乘用車燃料消耗量限值》，傳統(tǒng)能源乘用車、插電混合動力乘用車的試驗工況需逐漸由NEDC切換為WLTC。WLTC及NEDC循環(huán)均參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如圖11～12所示。循環(huán)能量的計算公式參考國Ⅵ附件CE.5，WLTC和NEDC循環(huán)能量以及循環(huán)能量差，如表7、圖13～14所示。

表7 氣動阻力F Aj及行駛阻力F J循環(huán)能量計算結(jié)果

圖11 WLTC循環(huán)

圖12 NEDC循環(huán)

圖13 WLTC循環(huán)能量差百分比

圖14 NEDC循環(huán)能量差百分比

由循環(huán)能量計算結(jié)果可知，在WLTC與NEDC循環(huán)中，氣動阻力能耗均占據(jù)行駛阻力能耗一半以上。同時，隨著風(fēng)平均阻力修正系數(shù)的增加，氣動阻力能耗占比逐步增加，風(fēng)平均阻力系數(shù)修正后，與能耗偏差百分比在WLTC循環(huán)中最大可達10.2%、5.2%，在NEDC循環(huán)中最大可達10.1%、4.3%，來流偏角對于道路行駛阻力的影響明顯。同時，偏航角密度法與常見修正方法的修正結(jié)果相差較大，與能耗偏差百分比在WLTC循環(huán)中最大達3.0%、1.6%，在NEDC循環(huán)中最大可達3.0%、1.4%。常見修正方法不一定普遍適用于中國地區(qū)車輛真實道路行駛過程中的行駛阻力和循環(huán)能耗分析。使用偏航角密度法，WLTC循環(huán)中，重慶地區(qū)的與能耗偏差百分比分別為1.7%、0.9%，而廣州地區(qū)的與能耗偏差百分比為3%、1.6%，循環(huán)能耗偏差相差接近一倍，海南地區(qū)的循環(huán)能耗偏差則與廣州地區(qū)較為接近，NEDC循環(huán)中的情況與WLTC循環(huán)類似。

綜上所述，在車輛道路行駛阻力以及循環(huán)能耗的分析過程中應(yīng)充分考慮來流偏角的影響，同時還需要考慮來流偏角的區(qū)域分布特征，從而提高行駛阻力及能耗的計算精度，準(zhǔn)確估算車輛實際動力性、排放性能以及續(xù)駛里程等。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過5輛試驗車輛的風(fēng)洞法與滑行法試驗對比，兩種測試方法循環(huán)能量差異較小，最大不超過1.2%，在±5%以內(nèi)，算術(shù)平均值為0.008 9，遠小于0.02，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，風(fēng)洞法測試結(jié)果準(zhǔn)確，重復(fù)性更佳，更有助于進一步對汽車道路行駛阻力進行研究。

（2）使用風(fēng)平均阻力系數(shù)法，能夠?qū)砹髌堑挠绊懠{入汽車道路行駛阻力的分析中。根據(jù)計算結(jié)果，來流偏角對于氣動阻力與行駛阻力能耗影響明顯，根據(jù)偏航角密度法計算，與能耗偏差百分比在WLTC循環(huán)中最大達3.0%、1.6%，在NEDC循環(huán)中最大可達3.0%、1.4%。在道路行駛阻力以及循環(huán)能耗的研究中，需考慮來流偏角的影響。

（3）來流偏角概率密度具有明顯的區(qū)域分布特征，從而導(dǎo)致風(fēng)平均阻力系數(shù)修正具有明顯的區(qū)域分布特征，不同地區(qū)的能耗偏差差異可接近一倍甚至更多。準(zhǔn)確計算車輛實際道路行駛阻力以及循環(huán)能耗需考慮來流偏角的區(qū)域分布特征。

在后續(xù)研究中，可增加道路測試區(qū)域以及測試路段，進一步豐富來流偏角分布數(shù)據(jù)，形成體現(xiàn)中國道路來流偏角區(qū)域特征的數(shù)據(jù)庫以及更準(zhǔn)確、更適用的風(fēng)平均阻力系數(shù)修正方法。風(fēng)平均阻力系數(shù)修正方法可進一步應(yīng)用于汽車智能控制、油耗電耗續(xù)駛里程實時監(jiān)測等方面，深化汽車實際道路行駛阻力研究，提高工程應(yīng)用價值。