環境溫度對車輛道路阻力影響研究

龔春忠 陳燕虎 陳海琴 李鵬

摘要：節能工作是電動汽車研發的重要課題，電動汽車低溫續航性能的重要影響因素除了電池的低溫性能以外，環境溫度對車輛道路阻力的影響也不容忽視。本文首先對電動汽車低溫環境的能耗影響因素進行調研，分析各影響因素對里程衰減率的影響;然后，重點分析環境溫度對車輛道路阻力的影響原理，分解為空氣阻力、車輛機械阻力兩類影響;接著，設計實驗，測試不同溫度下的車輛機械阻力;最后，對測試結果進行分析，結合UF系數，討論低溫環境下和車輛冷態下的車輛機械阻力測評方法。實驗表明，相同環境溫度下，示例車輛冷態與熱態的機械阻力能耗差異高達0.64kWh/lOOkm，環境溫度每降低lO℃，示例車輛機械阻力能耗增加0.53kWh/lOOkm。該評價方法替換現有只考慮常溫預熱后的機械系統阻力方法，可以更全面、更客觀地反映實際用戶能耗水平，從而找到更合理的整車匹配方案。

關鍵詞：道路阻力;車輛冷態阻力;低溫續駛里程;UF系數

中圖分類號：U461.8 文獻標識碼：J 文章編號：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，我國新能源汽車銷售量是136.7萬輛，同比增長10.9%。其中，純電動汽車銷量為111.5萬輛，同比增11.6%[1]。雖然銷量數據表現良好，但依然有眾多用戶痛點有待攻克。其中普遍受到關注的問題點之一是電動汽車“怕冷”問題。低溫環境下，以-7℃為基準參考溫度，電動汽車續航通常衰減35%至55%。文獻[2]研究了不同溫度下的車輪滾阻，文獻[3]研究了不同溫度下的變速箱油對傳動系統效率，中國電動汽車測評（ EV-TEST）與中國汽車消費者研究及測試中心（ CCRT）則使用各阻力系數增加10%的方式設定車輛道路阻力[4.5]。本文以某汽車車型為示例，設計實驗，測試不同溫度下的車輛機械阻力，獲得更精確的結果。并結合UF系數，探討如何改善車輛機械阻力的測評規則。

1 電動汽車低溫環境下的能耗問題

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

2 環境溫度對車輛道路阻力影響原理

低溫環境下道路阻力較大的原因，有以下三個方面：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，其滾動阻力較大;低溫下減速器、傳動軸等相對活動部件之間的潤滑劑粘度較大，影響其阻力。這三個部分需要分別細化研究。在整車滑行試驗求取道路阻力系數的過程中，應用了溫度修正的理論[10]，僅對車輛預熱后的狀態進行阻力系數修正，并不考慮車輛冷態的機械阻力大小。一般的車輛阻力測試方法，結果都以獲得阻力系數為準。但阻力系數是一組數據，為敘述方便，定義車輛機械阻力能耗為：由于車輛機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。該參數可以從節能的角度，更合理地描述車輛機械阻力的大小[11]。

2.1環境溫度對空氣阻力的影響

由空氣動力學方程可知，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、迎風面積、風阻系數、車速。這4個參數中，僅空氣密度與環境溫度相關。不同溫度下空氣密度如式（2）所示。

Fw=

（1）

式中，Fw一空氣阻力，N;

p-空氣密度，kg/m3;

Cd-風阻系數;

S-迎風面積，m2;

v-車速，km/h。

273.15

p=

（2）

P=

式中，p。一一標準狀態下的空氣密度，1.29kg/m3;

T——環境溫度，℃。

由此可知，-7℃相對于20℃，空氣密度增加了10.14%。基本上與當前使用的阻力增加100-/0吻合。

2.2環境溫度對車輪滾阻的影響

對于空氣阻力的分析相對簡單。但是，對于輪胎滾阻、傳動系統阻力等，并沒有如此成熟的理論進行直接推導。查閱相關資料，可知輪胎滾阻在預熱前約為預熱后的1.3倍。如圖1所示，某輪胎預熱時間與其滾阻系數的關系。標準中以30min預熱對應的滾阻作為輪胎的滾阻系數，該示例輪胎滾阻為6.8N/kN。

折算為預熱里程為40km，而大部分用戶用車單程出行里程都在40km以內，顯然，只用預熱后的輪胎滾阻系數對輪胎滾阻性能進行評價是不合理的。圖1只給出了常溫預熱前后的輪胎阻力差異，而關于低溫環境下的阻力值，則依然沒有數據作為支撐，需要進行試驗設計。

2.3環境溫度對減速器與傳動軸阻力的影響

影響減速器、傳動軸效率的因素主要有：箱體內部結構、軸承、油品粘度、油量等。其中，溫度對傳動系統的影響主要體現在影響油品的粘度。但與輪胎不同的是，其預熱周期相對較短，油溫對效率的影響約為1%。如圖2所示為某動力總成執行等速60km/hl況下的效率。

傳動系統效率變化1%，對整車能量消耗量影響約為0.1-0.2kWh/lOOkm，相對于滾阻與風阻來說小很多。預熱前后的效率差異不大，但在不同溫度下的傳動系統阻力，需要設計實驗進行測試。

3 環境溫度對車輛機械阻力影響試驗設計

從以上分析可知，不同溫度、不同預熱狀態對車輛的機械阻力有影響，但缺少成熟的理論依據，需要設計實驗測量。依據GB/T 18352.6附錄CC中的測試方法，對車輛機械阻力的測試主要有等速法與減速法兩種。本文采用改進的減速法進行測量。需要對車輛預熱前后的狀態重復多次測試。

3.1 測試步驟

本實驗為開發性試驗，要考慮底盤測功機的零點漂移和不同溫度下的預熱。采用的測試設備是：1、底盤測功機，型號CDS150-2D-II;2、高低溫環境艙，型號HQC484。本示例中對比車輛的前驅部分機械阻力，類似的方法可獲得后輪的機械阻力。測試步驟設計如下：

步驟1：底盤測功機零點漂移測定。

步驟2：檢查車輛狀態，將車輛固定在底盤測功機上。

步驟3：將環境艙溫度設置為25℃，浸車12h，

步驟4：自動對中裝置舉升，預熱底盤測功機后，自動對中裝置再下降為測試狀態。

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

步驟6：重復步驟5，執行5次。

步驟7：底盤測功機設置為等速80km/h，預熱30min。

步驟8：重復步驟5，執行5次。

步驟9：將環境溫度分別設置為10℃、0℃、一7℃、-20℃，執行步驟3至步驟8。

步驟10：試驗數據處理，試驗結束。

3.2 試驗結果

按照3.1設計的試驗步驟，對某車型的前驅機械阻力進行測試，并進行數據分析，獲得如表1所示的測試結果。總共需要執行5個溫度下的機械阻力，車輛預熱前后分別為冷態、熱態，各溫度下測試5組減速法獲得的阻力系數A與B，折算成NEDC工況下的能耗值。

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

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

常溫狀態下，仿真時收集的信息為：減速器效率97%、傳動軸效率98%、卡鉗拖滯力為2.5Nm/輪，軸承拖滯力為0.8Nm/輪，輪胎滾阻系數為7.5N/kN。對應的能耗為4.74kWh/lOOkm。前輪的部分對應的能耗為2.914 kWh/lOOkm。實測結果常溫預熱后的機械阻力均值為3.012 kWh/lOOkm，證明該車輛設計值與實際狀態較為接近。由表2可知，常溫下冷態機械阻力能耗比熱態機械阻力能耗高0.277kWh/lOOkm，低溫環境（-7℃）下預熱狀態比常溫預熱狀態下機械阻力能耗高1.496kWh/lOOkm，阻力能耗增加49.67%，遠高于當前CCRT與EV-TEST引用的10%。從熱態均值來看，車輛每降低10℃，平均能耗增加0.53kWh/lOOkm，

相同環境溫度下，車輛預熱前后機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，但低溫環境下差值巨大。這也是部分用戶冬季環境下未開空調，其能耗依然很高的重要原因之一。

4 結合UF系數對車輛機械阻力測評改進

以往的評測只考核常溫預熱狀態下的車輛機械阻力，本文試驗證明了不同溫度、不同預熱條件下，車輛的機械阻力差異較大。而不同溫度下的權重，通過年度溫度分布統計特征確定。不同預熱狀態下的權重，則可借助UF（ Utility Factor）系數計算。UF系數是混合動力汽車中常用的參數，參考SAE J2841的相關內容，定義為純電利用系數。表達式如式（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時的純電利用系數，取值范圍為0-1;

dn一一最大出行里程，標準中定義為常數400km;

Cx——第x個系數，見標準GB/T19753附錄F;

將UF.對de求導數，則獲得用戶單次用車概率密度函數。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，冷態下的機械阻力權重較高。若車輛機械阻力衰減符合自然指數函數模型，則定義預熱前車輛機械阻力為ECo，預熱后車輛機械阻力為EC，則行駛里程s與車輛機械阻力能耗EC的關系為：

EC（d.）=（ECo - EC.）×e R+EC. （4）

式中，R-衰減系數，km，由實驗擬合獲得。

概率密度函數表達為P（s），則綜合出行能耗表達為（5）式：

EC=

（5）

將（4）式帶入（5）式中，推導得：

EC=

（6）

由式（6）可知，衰減系數R越大，EC越大。預熱前車輛機械阻力能耗EC0與預熱后車輛機械阻力能耗EC 的差值越大，則EC越大0 P（s）是分布曲線，較難進一步化簡。當帶入經驗數據，按照80km/h行駛30min預熱條件為衰減系數，R=40km。EC0是EC 的1.3倍，帶人（6）式計算獲得數值解：EC=1.0852×EC ，即當前熱態的機械阻力測試結果乘以1.0852才與用戶冷態、熱態均考慮的真實情況接近。

5 結論

環境溫度是影響電動汽車續駛里程的重要因素，除了改善電池低溫放電性能、降低車輛低溫采暖功耗以外，對電動汽車動力系統低溫環境下的節能優化也必須重視。本文采用減速法，測得不同環境溫度下車輛冷態與熱態的機械阻力，被測冷態與熱態的車輛機械阻力能耗差值高達0.64kWh/lOOkm，環境溫度每降低lO℃，車輛機械阻力能耗增加約0.53kWh/lOOkm，對車輛能耗測評產生重大影響。采用結合UF系數、環境溫度統計，推導出與用戶實際能耗更貼近的阻力系數值，當假設80km/h行駛30min作為預熱條件，冷態比熱態機械阻力大1.3倍時，熱態的機械阻力測試結果乘以1.0852才與用戶冷態、熱態均考慮的真實情況接近。下一步工作將結合大數據采集，針對特定用戶進行阻力系數評價，提出機械阻力系統定制化降能耗措施。

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專家推薦語

吳道俊

合肥工業大學博士

本文分析了電動汽車低溫環境下影響能耗的因素，包括道路阻力因素;重點分析了環境溫度對車輛道路阻力（尤其是機械阻力）的影響。通過大量實驗測試不同溫度、不同預熱狀態下的車輛機械阻力數據，總結了車輛冷態與熱態的機械阻力差異情況、機械阻力隨溫度變化規律等相關重要結論。最后結合UF系數，改進了車輛機械阻力測評方法。相關研究為構建更完善的能耗評價體系，提供了思路和參考。

龔春忠

畢業于浙江大學，碩士研究生，合眾新能源汽車有限公司試制試驗部性能開發主任工程師，中級工程師，主要從事電動汽車三電系統開發、整車動力性經濟性開發仿真與試驗工作。已發表論文30余篇。

基金項目.No.51 979246.國家自然科學基金.