环境温度对车辆道路阻力影响研究

来源：核心期刊咨询网时间：2022-01-20 10:1412

摘要：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

　　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

　　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。

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