滑行阻力對(duì)新能源汽車能量消耗量的影響分析

王春生，王坤城，孫浩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳 518118）

滑行阻力對(duì)新能源汽車能量消耗量的影響分析

王春生，王坤城，孫浩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳 518118）

文章主要介紹了滑行阻力與新能源汽車能量消耗率的關(guān)系，通過分析影響滑行阻力大小的滾動(dòng)阻力系數(shù)、質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積、傳動(dòng)效率等因素，提出了一些減小能量消耗率的方法。

滑行阻力；能量消耗率；滾動(dòng)阻力系數(shù)；質(zhì)量；空氣阻力系數(shù)；迎風(fēng)面積

CLC NO.:U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-157-03

引言

在國(guó)家的大力推進(jìn)、引導(dǎo)下，當(dāng)前國(guó)內(nèi)新能源汽車行業(yè)飛速發(fā)展，新能源汽車技術(shù)也快速進(jìn)步。然而受限于電池能量密度以及充電基礎(chǔ)設(shè)施的布局，新能源汽車純電里程，尤其是純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程還不能完全滿足人們的日常需求。如何有效的減少新能源汽車的能量消耗是當(dāng)前行業(yè)重要的研究方向，而汽車滑行阻力對(duì)能量消耗量的影響是極為重要的[1]。

汽車滑行阻力主要指汽車在脫離動(dòng)力源，且不啟用制動(dòng)系統(tǒng)的情況下行駛所受到的阻力，主要包括來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力和來(lái)自空氣的空氣阻力以及部分傳動(dòng)系阻力。汽車滑行阻力是進(jìn)行汽車臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和性能仿真計(jì)算的前提條件[2]。

本文通過對(duì)某新能源汽車的實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單分析了滑行阻力與能量消耗率的關(guān)系，提出了一些減小滑行阻力，減小能量消耗率的方法。

1、滑行阻力與能量消耗率的關(guān)系

汽車在水平道路上行駛時(shí)，必須克服來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力和來(lái)自空氣的空氣阻力，這兩種阻力是在實(shí)際行駛條件下一直存在的。此外，汽車加速行駛時(shí)還需克服加速阻力，在坡道上上坡行駛時(shí)，還必須克服重力沿坡道的分力-坡度阻力。

汽車行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力互相平衡，即汽車用于驅(qū)動(dòng)消耗的能量與汽車行駛阻力消耗的能量數(shù)值相同。滑行阻力的大小對(duì)于整車能量消耗率有極為重要的影響。

2、影響滑行阻力大小的因素

滑行阻力主要由來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力和來(lái)自空氣的空氣阻力以及部分傳動(dòng)系阻力構(gòu)成。下面分別從幾個(gè)組成部分，分析其對(duì)于滑行阻力功率的影響。

本文中的數(shù)值計(jì)算皆為針對(duì)某一特定新能源車型，由于影響能量消耗率的因素還有很多，具體能量消耗率數(shù)值可能不用于普遍車型。

2.1 滾動(dòng)阻力

車輪滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及相應(yīng)的輪胎和支撐路面的變形。輪胎和支撐面的相對(duì)剛度決定了變形的特點(diǎn)。當(dāng)彈性輪胎在硬路面上滾動(dòng)時(shí)，輪胎的變形是主要的。此時(shí)由于輪胎有內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失，使輪胎變形時(shí)對(duì)它作的功不能全部回收，因而產(chǎn)生滾動(dòng)阻力。

滾動(dòng)阻力等于滾動(dòng)阻力系數(shù)與車輪負(fù)荷之乘積。

2.1.1 滾動(dòng)阻力系數(shù)

滾動(dòng)阻力系數(shù)由試驗(yàn)確定，它與路面的種類、行駛車速以及輪胎的構(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān)。當(dāng)前各輪胎廠家的滾動(dòng)阻力系數(shù)測(cè)量方法主要參考ISO 28580《輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試方法》在相應(yīng)臺(tái)架上進(jìn)行，測(cè)試速度為80km/h[3、4]。圖1為同一車輛，相同載荷，相同尺寸，滾動(dòng)阻力系數(shù)分別為9.3 和7.6的輪胎的道路滑行阻力的對(duì)比。

圖1 不同滾動(dòng)阻力系數(shù)滑行阻力對(duì)比

分別用兩組曲線進(jìn)行工況能量消耗率試驗(yàn)，工況能量消耗率相差約0.8kwh/100km。由此可見，低滾動(dòng)阻力系數(shù)的輪胎能有效減小滑行阻力，降低能量消耗率。

2.1.2 質(zhì)量

輪胎滾動(dòng)阻力與輪胎載荷有著密切的關(guān)系。圖2為同一車輛，相同輪胎，不同載荷情況下的道路滑行阻力的對(duì)比（半載與滿載相差188kg）。

由以圖2標(biāo)可得，在94km/h之前，滑行阻力以滾動(dòng)阻力為主的部分，滿載的阻力高于半載。之后的高速部分，由于載質(zhì)量對(duì)整車姿態(tài)造成一定影響，導(dǎo)致空氣阻力發(fā)生變化，且隨著速度的提升，空氣阻力的占比不斷加大，未能明顯體現(xiàn)出質(zhì)量對(duì)于滾動(dòng)阻力的影響。兩種不同載質(zhì)量情況下，對(duì)于工況能量消耗率影響為0.23kwh/100km。減小質(zhì)量能有效減小滾動(dòng)阻力，降低能量消耗率。

圖2 不同質(zhì)量滑行阻力對(duì)比

2.2 空氣阻力

空氣阻力為汽車直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力。主要與車身主體形狀，表面突出物，冷卻系統(tǒng)，車身通風(fēng)等有關(guān)。

式1中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積（m2）；ua為汽車行駛速度（km/h）。

2.2.1 空氣阻力系數(shù)

圖3為同一輪胎，同一載荷的車輛在同一迎風(fēng)面積，不同空氣阻力系數(shù)時(shí)的阻力仿真值。

圖3 不同空氣阻力系數(shù)滑行阻力對(duì)比

由圖可得，在60km/h以上，滑行阻力以空氣阻力為主的部分，空氣阻力系數(shù)小的，滑行阻力小，前面低速部分主要以滾動(dòng)阻力為主，空氣阻力的影響未明顯體現(xiàn)。對(duì)于工況能量消耗率影響約為0.27kwh/100km。優(yōu)化造型設(shè)計(jì)，減小空氣阻力系數(shù)，能有效減小滑行阻力，降低能量消耗率。離合器31切斷，同步器6切斷，發(fā)動(dòng)機(jī)單元1和第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41不工作，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42通過主減速器主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)車輪200。該工況主要用于勻速或城市工況等小負(fù)荷情況，同時(shí)電池具有較高的電量。該工況的優(yōu)點(diǎn)在于第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42直接驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)鏈最短、參與工作的部件最少，可以達(dá)到最高的傳動(dòng)效率和最小的噪音。

2.2.2 迎風(fēng)面積

迎風(fēng)面積為汽車行駛方向的投影面積，圖4為同一輪胎，同一載荷的車輛在相同空氣阻力系數(shù)，不同迎風(fēng)面積時(shí)的阻力仿真值。

由圖可得，在60km/h以上，滑行阻力以空氣阻力為主的部分，迎風(fēng)面積小的，滑行阻力小，前面低速部分主要以滾動(dòng)阻力為主，空氣阻力的影響未明顯體現(xiàn)。對(duì)于工況能量消耗率影響為0.19kwh/100km。優(yōu)化造型設(shè)計(jì)，盡量減小迎風(fēng)面積，能有效減小滑行阻力，降低能量消耗率。

圖4 不同迎風(fēng)面積滑行阻力對(duì)比

2.3 傳動(dòng)系阻力

對(duì)于傳統(tǒng)燃油車，在測(cè)量滑行阻力時(shí)，通常采用空擋滑行的方法。此時(shí)借助離合將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱分離，所得滑行阻力包括變速箱、傳動(dòng)軸、空氣阻力、滾動(dòng)阻力等阻力。圖5為某燃油車型在臺(tái)架上斷開傳動(dòng)軸和未斷開傳動(dòng)軸的滑行阻力的對(duì)比。

圖5 是否斷開傳動(dòng)軸滑行阻力對(duì)比

由圖可得，傳動(dòng)系效率對(duì)于滑行阻力大小有一定影響。臺(tái)架能量消耗率試驗(yàn)時(shí)，需采用與道路相對(duì)應(yīng)的滑行方法進(jìn)行內(nèi)阻滑行，如此臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果才能不受影響。同時(shí)仿真計(jì)算時(shí)需注意，利用滑行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不重復(fù)計(jì)入傳動(dòng)部分的阻力，以免仿真結(jié)果偏大。傳動(dòng)效率對(duì)于能量消耗率產(chǎn)生一定影響，效率每提高1%，能量消耗率減小0.22kwh/ 100km。控制產(chǎn)品精度，優(yōu)化傳動(dòng)效率，可減小能量消耗率。

3、結(jié)論

滑行阻力對(duì)于整車能量消耗率影響直接且重大，通過本文提出方法，選用低滾動(dòng)阻力輪胎，造型設(shè)計(jì)充分考慮空氣流動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)整車時(shí)注重輕量化問題，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率等，可以減小整車能量消耗量，增大新能源汽車純電續(xù)駛里程。

[1] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2002:90～136..

[2] 余志生. 汽車?yán)碚摰谒陌?北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2007.

[3] Bizon N. Energy efficiency of multiport power converters used in plug-in/V2G fuel cell vehicles[J].Applied Energy, 2012,96: 431-443.

[4] 歐陽(yáng)明高,李建秋,楊福源,等.汽車新型動(dòng)力系統(tǒng):構(gòu)型、建模與控制[M].北京:清華大學(xué)出版社.2008.

The influence of the sliding resistance of new energy automobile energy consumption analysis

Wang Chuncheng, Wang Kuncheng, Sun Hao
( Byd auto industry co., LTD., Shenzhen 518118 )

This paper introduced the relationship between sliding resistance and energy consumption of new energy vehicle. Based on the analysis of the factors affecting the sliding resistance such as the roll resistance coefficient, the mass, the air drag coefficient, the frontal area and the transmission efficiency, the paper proposed some methods to reduce energy consumption.

Sliding resistance; Energy consumption; Rolling resistance coefficient; Mass; Air resistance coefficien; Frontal area

U469.7

A

1671-7988 (2017)08-157-03

王春生，男，(1981-)，本科，資深中級(jí)工程師。就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司。長(zhǎng)期從事新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究，尤其在插電式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方面，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

孫浩，男，碩士研究生，就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.053