孟凯 龚春忠 鲁云 戴建新
孟 凯
本科学历，现就职于合众新能源汽车有限公司研发验证中心，任整车试验部耐久试验主管师，中级工程师，主要从事电动汽车整车性能试验，三高环境试验，软件测试等。已发表文章3篇，已获授权专利6项。
摘 要：本文阐述了循环能量法测试车辆机械阻力的基本原理。首先，描述机械阻力测量的若干方法，重点阐述循环能量法测量机械阻力的原理与数据分析;接着，开展循环能量法的测试并进行数据分析;最后，对比各机械阻力测试方法的测试结果和优缺点。循环能量法具有更合理的模拟用户实际用车工况的特性，不足之处是分析获得的不同车速下的阻力结果不精确。在实际测试中有一定的应用价值。
关键词：循环能量;车辆机械阻力;底盘测功机;低滚阻轮胎
中图分类号：U467.1+2 文献标识码：J 文章编号：1005-2550（2022）03-0082-05
Experimental Study On Vehicle Mechanical Resistance Based On Cyclic Energy Method
MENG Kai1， GONG Chun-zhong1，2， LU Yun1， DAI Jian-xin1
（ 1. Hozon New Energy Automobile Co.， Ltd， Jiaxing 314000， China;
2. Zhejiang University ， Hangzhou 310000， China ）
Abstract：
This paper expounds the basic principle of measuring vehicle mechanical resistance by cyclic energy method. Firstly， several methods of measuring mechanical resistance are described， with emphasis on the principle and data analysis of measuring mechanical resistance by cyclic energy method; Then， carry out the test of cyclic energy method and analyze the data; Finally， the test results， advantages and disadvantages of various mechanical resistance test methods are compared. The cyclic energy method has the characteristics of more reasonable simulation of users" actual vehicle working conditions， but the disadvantage is that the resistance results obtained at different speeds are inaccurate. It has certain application value in practical testing.
Key Words：
Cycle Energy; Vehicle Mechanical Resistance; Chassis Dynamometer; Low Rolling Resistance Tire
电动汽车机械传动系统工作过程中，主要损耗是来自轮胎的滚动阻力与卡钳的拖滞力矩。其他因素中，传动轴、轴承、减速器与差速器等占比相对较少。根据“未来市场透视”（FMI）最近发布的研究报告，低滚阻轮胎市场有望达到680亿美元，2018～2028年将以10.8%的惊人复合年增长率攀升[1]。《中国制造2025》对低滚阻轮胎也提出了明确的要求：国产节能轮胎湿滑、磨耗、噪声性能持续改善，滚动阻力降低30%，实现节油6%以上，产品占自主市场份额超过50%[2]。在低拖滞卡钳方面，技术也在不断更新，已量产的低拖滞卡钳的拖滞力低至1.5Nm，研发中的低拖滞卡钳已逼近1Nm水平。如何进一步检测车辆的机械系统阻力，对汽车节能技术开发具有重要的意义。
当前电动汽车的发展和应用受制于电池的能量密度偏低，如何降低整车能耗和提升续驶里程成为研究热点，而采用低滚动阻力轮胎是提升电动汽车续驶里程的一个快捷有效的方法[3]。电动汽车机械阻力在能耗的占比中极大，如何精确测定机械阻力在用户行驶过程中的损耗并针对性的采取节能措施，对电动汽车节能技术开发意义重大。王延克在文献[4]中提出了等速法验证不同低滚阻方案的等速工况能耗，付红飞在文献[5]更全面地提出以各类工况法作为能耗贡献验证方法，且提出了轮胎对动力性能的影响。实际上，GB/T18352.6-2016中就规定了循环能量的计算方法，但该方法是基于已知道路阻力系数的前提下计算的能耗，本文则直接测量获取车辆机械系统的循环能量。
1 循环能量法原理
循环能量E指在整个测试循环中车辆所需要的能量[6]，与车辆的行驶阻力和行驶距离有关。计算方法如下：
（1）
式中，Ei ——試验车辆从i-1时刻到i时刻的能量需求，J;
Fi ——试验车辆从i-1时刻到i时刻的阻力，N;
di ——试验车辆从i-1时刻到i时刻的行驶距离，m。
为了与整车能耗相匹配，本文使用百公里能量消耗量的概念替换循环能量，用于衡量车辆机械阻力的大小。
已知阻力系数A与B的情况下，可以通过计算获得该车的百公里能量消耗量。这属于间接计算获得的结果。而直接通过底盘测功机，也可获得该值，此时需要改进测试设备。当前底盘测功机通常只有两种模式：道路阻力模拟模式、恒速模式。而在测试循环能量消耗量的时候，需要底盘测功机增加一种模式：扫速模式。该模式下用户可以输入特定的时间-速度序列工况，底盘测功机根据该工况逐点扫速控制。扫速模式经常在电机台架工况仿真试验任务中应用，但市面上大多数底盘测功机不具备该功能，需要重新开发。
在扫速模式下，底盘测功机记录转速与轮边力的数据，其能耗试用（1）式积分计算。则当没有车辆在转鼓上时，该值应当为0。当有车辆在底盘测功机上时，所测值即为车辆的机械阻力损耗。
依据该循环原理可以制定如下试验规：冷态车辆在底盘测功机上固定，底盘测功机设置为扫速模式，循环测试若干中国工况循环或者特定用户工况循环，直到累计行驶里程达到车辆设计续驶里程。记录下底盘测功机力传感器数据与车速，按照式（1）计算车辆机械阻力下的百公里能量消耗量。
2 循环能量法机械阻力测试流程设计
循环能量法最主要的特点是模拟车辆在实际道路上行驶的工况过程。可以保证测试过程中车辆的机械阻力损耗跟实际道路行驶更接近。特别适用于测量车辆半预热状态对能耗的影响变化趋势。但该方法在逆推车辆道路阻力系数时不能获得较精确稳定的道路阻力系数。最常用的应用情况是：判断某实际道路试验车辆能量消耗偏高时，将其转至底盘测功机试验室，采用与其实际道路相同的工况，测试其在该工况下的能量消耗值。也可依此为基准，逆推减速法与等速法测量机械阻力时的冷态、热态权重系数。循环能量法机械阻力测试步骤如下：
步骤1：将冷态车辆固定在底盘测功机上，车辆设置为N档或无驱动、制动的状态;
步骤2：底盘测功机设置以中国工况（或用户工况）扫速模式带动车辆行驶;
步骤3：行驶里程与车辆设计续驶里程相同;
步骤4：无车状态重复步骤2至步骤3，空载测试获得底盘测功机零点误差，可选测;
步骤5：数据处理与分析。
按照以上步骤，实际测试某车辆在5个NEDC工况下的循环能量，测试过程的车速与里程信息如图1所示。该图中，工况跟随很准确，是因为由底盘测功机带动车辆运行。
底盘测功机的拉力传感器零点漂移可用步骤4的选测方式获得。如果使用滚筒式底盘测功机，测得的机械阻力使用GB18352.6的半径修正公式修正。测得各车速下的机械阻力采用斜线拟合，获得常数项道路阻力系数与一次项道路阻力系数，适用于使用式（1）计算测量循环能量消耗量。
3 测试实例
以合众新能源汽车有限公司哪吒V车型为例，在两驱底盘测功机上，测试NEDC工况下后轮部分的机械系统百公里能量消耗量。按照第2节所述试验步骤在底盘测功机上执行5个NEDC工况循环，获得轮边速度、轮边阻力信号。分析得循环能量消耗量、累计循环能量消耗量、阻力系数、权重等计算结果如下：
3.1 循环能量消耗量的计算
循环能量可根据式（1）计算，循环百公里能量消耗量计算方式则将能耗处理行驶里程，如式（2）所示：
（2）
式中，Vi ——第i时刻测试的车速，m/s;
ti ——第i时刻的采样时间间隔，s;
Fi ——第i实测测试的机械阻力，N;
Si ——第i时刻累计行驶里程，m;
Ei ——第i时刻累计损耗能量，J;
Ci ——第i时刻车辆累计百公里能量消耗量，J/m，换算为kWh/100km时需要除以36。
该车最终计算得百公里能量消耗量为：0.7366 kWh/100km。
3.2 累计循环能量及其趋势
采用式（2）可获得各时刻对应的里程与车辆累计平均机械阻力损耗。因为车辆从冷态开始被底盘测功机带着拖动，随着车辆机械系统预热，车辆的机械阻力会发生变化。另外，随着工况的变化，工作在低速区与高速区对车辆的机械阻力损耗也会产生影响。所以，绘制累计行驶里程与平均百公里机械阻力损耗有重要的参考意义，如图2所示。车辆行驶6km～10km时，主要是因为进入高速区，车辆的机械阻力增加。在5个循环中，循环能耗值在0.69至0.84kWh/100km之间。而往后，则车辆机械系统随着预热越来越充分，则趋向于阻力降低且稳定状态，最终稳定在约0.73至0.74kWh/100km。
3.3 各车速下对应不同阻力的估算
理论上可以获得不同车速下对应的车辆机械阻力值，但实际上由于是工况仿真过程，受限于设备精度，难以分解精确地获得各速度点对应的稳定机械阻力值。但可以通过拟合获得机械阻力常数项系数与一次项系数，如图3所示。拟合得，常数项阻力系数为：25.01N，一次项阻力系数为：0.0264N/km/h。
3.4 瞬态工况测量积分求和的误差分析
如第2节所述，总共测试了5组工况循环数据，将各组数据均进行拟合和循环能耗分析，可获得5组结果，如表1所示。采用式（2）计算各循环的循环能耗值，得到5组结果的循环能耗值均值为0.76kWh/100km，标准差为0.04kWh/100km，误差为5.1%。将阻力系数A与阻力系数B的数值也求解出来，发现阻力系数B稳定性较差，主要是B比较靠近0。
3.5 等速法与减速法预热前后的权重经验值
等速法與减速法测量车辆的机械阻力，都避免不了预热问题。尽管采用一定的预热措施保证车辆在热态测试的结果更稳定，但是原理上与车辆实际道路中的机械阻力损耗预热状态还是不能吻合的，且难以获得逐渐预热过程中的机械损耗变化值。因此，可以使用预热前后的等速法、减速法测试结果通过加权方式，获得与实际道路工况下车辆的机械阻力损耗更接近的结果。
4 各车辆机械阻力测试方法对比
车辆机械阻力测试方法主要有实际道路滑行法[7]、等速法、减速法[8]和循环能量法。其中，考虑车辆预热状态及工况特点的测试方法，应当以循环能量法为基准。
4.1 各車辆机械阻力测试方法结果对比
同在底盘测功机上测试的方法还有等速法与减速法。等速法与减速法分别测试5组，测试过程中车辆设置与循环能耗法车辆设置相同，均设置为N档，底盘测功机带动车辆运行。等速法为底盘测功机设置为各速度下的等速模式，减速法底盘测功机先将车辆带至最高车速，然后设置为道路阻力模拟模式。等速法测试工况曲线如图4所示，减速法测试工况曲线如图5所示：
测试结果如表2所示，等速法与减速法相对来说，B系数稳定性稍好，但循环能耗结果稳定性分别为5.9%与4.9%，相对于循环能耗法的5.1%量级相同。
4.2 各车辆机械阻力测试方法优缺点对比
不同方法的可以测量的结果及其有点对比如表3所示。
5 结论
循环能量的概念是其他车辆机械阻力测试方法获得阻力系数后的理论测试结果，本文所述循环能量法可模拟工况，底盘测功机带动被测车辆，直接测得循环能量结果。而道路阻力系数值则是采用较粗糙的点云拟合获得，与传统的等速法与减速法具有一定的互不性。由于一般的底盘测功机不具备扫速模式，导致循环能量法测量车辆机械阻力在实际应用中较少。但因其独特的优点，可以更合理的估算实际用户的机械阻力损耗，因此，该方法具有较大的发展潜力。
参考文献：
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[2]付红飞.乘用车轮胎滚动阻力对整车动力性经济性影响的研究[J].汽车实用技术，2019（09）：115-117.
[3]王延克.低滚阻轮胎节能效果的验证[J].客车技术与研究，2019，41（01）：60-62.
[4]朱波，王海森，郑敏毅，张农，王金桥，汪跃中.电动汽车专用轮胎发展趋势[J].汽车工程师，2018（06）：55-58.
[5]秦伟，陈曦.十大战略产业期待突破新出炉《中国制造2025》重点领域技术路线图详解[J].装备制造，2015（11）：36-39.
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[8]龚春忠，单承标，李鹏，苑术平，肖岩.减速法车辆机械阻力试验研究[J].汽车科技，2021（05）：53-58.
[9]陈石人，王星，马艳飞，杨凡.风洞法和滑行法测量汽车道路行驶阻力的对比[J].汽车文摘，2020（12）：17-21.