基于滑行阻力的輕型純電動汽車續(xù)駛里程提升分析

周炳松, 呂良遠, 羅 彥, 彭和飄, 余云飛

(柳州五菱新能源汽車有限公司, 廣西 柳州 545007)

隨著國家對新能源汽車的大力推進,純電動汽車近年來取得了快速發(fā)展,然而電池能量密度與快充技術(shù)未取得突破性進展,充電基礎(chǔ)設(shè)施布局尚未完善,如何最大限度地提高續(xù)駛里程顯得尤為重要。

目前提升整車續(xù)駛里程的方法主要有:①優(yōu)化滑行阻力;②整車輕量化;③增加電池電量;④提升效率,優(yōu)化控制策略。本文以某輕型純電動貨車為例,從優(yōu)化滑行阻力出發(fā),提出降低滾動阻力、制動拖滯力、空氣阻力等方案,并對不同方案進行滑行阻力路試獲取道路阻力系數(shù),通過AVL-Cruise進行仿真分析,有效地提升輕型純電動貨車續(xù)駛里程。

1 研究背景

2021年10月1日起,GB/T 18386.1—2021《電動汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗方法 第1部分:輕型汽車》[1]部分替代GB/T 18386—2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》[2]。標準修訂后底盤測功機阻力設(shè)定使用滑行法替代查表法,測試工況由NEDC切換為CLTC。NEDC工況多為勻速,而CLTC工況多為頻繁的加/減速,工況的切換使整車能耗變高。按CLTC工況,我司在產(chǎn)某純電動貨車續(xù)駛里程會出現(xiàn)較大縮減,需要采取措施,以滿足新標準的要求。

2 降低滑行阻力方案

汽車滑行時,不僅要克服滾動阻力和空氣阻力,還要克服傳動系的阻力、制動拖滯力、輪轂軸承摩擦阻力等[3]。在研車型電機/主減/輪轂軸承均為市場成熟零件且啟動扭矩均達到行業(yè)標準,而傳動系阻力、輪轂軸承摩擦阻力在整車阻力占比較小。因此,本文從輪胎滾動阻力、制動拖滯力、空氣阻力方面進行優(yōu)化。

2.1 輪胎滾動阻力系數(shù)優(yōu)化

輪胎滾動阻力計算公式見式(1):

Ff=m·g·fcosα

(1)

式中:Ff為輪胎滾動阻力;m為車輛質(zhì)量;g為重力加速度;α路面傾斜角;f為輪胎滾動阻力系數(shù)[4]。

由式(1)可知,滾阻系數(shù)越大,滾動阻力越大。為降低輪胎滾動阻力系數(shù),本文具體措施為:①優(yōu)化輪胎輪廓設(shè)計,減少胎面花紋的變形蠕動,從而最大程度地降低胎側(cè)周期性舒張產(chǎn)生的能耗損失;②改善輪胎配方,使橡膠分子分散更均勻,減少分子之間的摩擦,從而減少生熱。

通過以上優(yōu)化,輪胎滾阻系數(shù)由9‰降低到7.5‰。

2.2 制動拖滯力優(yōu)化

對樣車進行拖滯力矩測試,測試結(jié)果如下:前輪4 N·m,后輪3 N·m。前制動器拖滯力矩偏大,需要對前制動器進行優(yōu)化設(shè)計。降低制動卡鉗拖滯力矩常見的方案有3種:一是通過低摩擦技術(shù)降低卡鉗機構(gòu)的摩擦阻力;二是通過卡鉗結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計提升卡鉗效率;三是通過導(dǎo)入復(fù)位結(jié)構(gòu)提升卡鉗部位的回位能力[5]。本文采用第三種方案。

前制動器拖滯力矩偏大的根本原因是制動釋放后制動塊未及時離開制動盤導(dǎo)致存在殘余力矩。原車制動塊與制動盤分離的原理是:制動盤和制動塊之間不是絕對平行,制動釋放后,制動盤和制動塊相對旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦力會產(chǎn)生一個制動塊遠離制動盤的軸向分力使得制動塊回位。這種回位方式,當制動塊和制動盤接觸程度較小時,軸向分力很小,導(dǎo)致制動塊無法與制動盤完全脫離,從而產(chǎn)生較大的拖滯力矩。

解決此問題的關(guān)鍵是在此基礎(chǔ)上新增加一個制動塊回撤機構(gòu)。回撤機構(gòu)構(gòu)包括內(nèi)制動塊、外制動塊、回撤機構(gòu)簧片。對于內(nèi)制動塊,需克服自身滑動阻力,將內(nèi)制動塊撤離制動盤;對于外制動塊,需克服自身及鉗體滑動阻力,將外制動塊撤離制動盤;對于回撤機構(gòu)簧片,其提供的回撤力需克服內(nèi)外制動塊及鉗體滑動阻力。與此同時,摩擦片從初始到全磨耗過程中,回撤機構(gòu)簧片提供的回撤力克服內(nèi)外制動塊及鉗體滑阻后,其剩余力要求不大于制動卡鉗活塞的滑動阻力。

通過優(yōu)化前制動器,拖滯力矩得到較大優(yōu)化,由原來的4 N·m優(yōu)化到了2.5 N·m。

2.3 空氣阻力的優(yōu)化

空氣阻力Fw計算公式見式(2):

Fw=1/2·CD·A·ρ·ur

(2)

式中:CD為空氣阻力系數(shù),是雷諾數(shù)Re的函數(shù),在車速較高、動壓力較高而相應(yīng)氣體的粘性摩擦較小時,CD將不隨Re變化;ρ為空氣密度,一般ρ=1.255 8 N·s2/m4;A為迎風(fēng)面積,即汽車行駛方向的投影面積;ur為相對速度,是無風(fēng)時汽車的行駛速度[6]。

本文空氣阻力優(yōu)化在不對結(jié)構(gòu)及造型做大幅修改的情況下開展。同時采取以下3種優(yōu)化措施:

1) 減少前格柵進風(fēng)口。對原車前格柵多余孔洞進行封閉,減少氣流進入發(fā)動機艙導(dǎo)致亂流。

2) 在冷凝器四周增加導(dǎo)風(fēng)板。使格柵開口更聚風(fēng),減少亂流的同時有利于冷凝器的進風(fēng)量。

3) 增加機艙下護板。將氣流往車底和地面之間導(dǎo)流,有利于氣流從車底流暢加速通過,減少車底部件的迎風(fēng)阻力。

通過仿真,同時采取3種措施后整車風(fēng)阻系數(shù)降低了0.012(其中第1項措施降低了0.003,第2項措施降低了0.003,第3項措施降低了0.006),車速90 km/h時阻力值減小了13 N。

3 滑行測試驗證及仿真分析

3.1 道路滑行阻力測試驗證

道路滑行阻力測試采用固定式風(fēng)速儀滑行法,具體道路、環(huán)境要求、測試方法、數(shù)據(jù)分析處理按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)》[7]附件CC的要求。道路滑行測試后,使用最小二乘法擬合生成二次多項式的系數(shù),獲取道路阻力系數(shù)A、B、C值。一般認為,汽車道路滑行阻力Fg滿足式(3):

Fg=A+B·v+C·v2

(3)

式中:v為車速;A為與速度無關(guān)的常數(shù)項阻力(如道路摩擦力等)系數(shù);B為與速度一次項有關(guān)的阻力(如傳動系阻力等)系數(shù);C為與速度二次項有關(guān)的阻力(如空氣阻力)系數(shù)[8]。

通過對不同阻力優(yōu)化方案進行滑行阻力測試,方案一為原車,方案二為原車更換低滾阻輪胎,方案三為在方案二基礎(chǔ)上更換低拖滯卡鉗,方案四為在方案三基礎(chǔ)上同時減少前格柵進風(fēng)口、增加導(dǎo)風(fēng)板、增加機艙下護板。各速度下阻力值見表1,擬合后各方案道路滑行阻力系數(shù)見表2。

表1 各車速下阻力值

表2 道路滑行阻力系數(shù)

數(shù)據(jù)顯示,使用低滾阻輪胎,阻力平均降低14 N;再使用低拖滯卡鉗,阻力平均再降低8 N;再優(yōu)化空氣阻力,阻力平均再降低5 N。

3.2 續(xù)駛里程仿真分析

在CRUISE中建立如圖1所示[9]的電動汽車仿真模型。在完成仿真模型搭建后,添加仿真計算任務(wù),循環(huán)工況如圖2所示。整車主要參數(shù)見表3,在參數(shù)設(shè)置時將4個方案的滑行阻力系數(shù)分別輸入到整車模塊中[10],仿真結(jié)果見表4。

圖1 電動汽車仿真模型

圖2 中國輕型商用車行駛工況

表3 某輕型純電動貨車主要技術(shù)參數(shù)

表4 仿真結(jié)果

結(jié)果顯示,通過綜合方案優(yōu)化,整車電耗下降了1.09 kW·h,續(xù)駛里程增加了22 km,相當于增加了3.3 kW·h電量的貢獻。

4 結(jié)束語

通過對車輛滑行阻力因素分析,優(yōu)化輪胎滾動阻力、制動拖滯力、空氣阻力,能有效降低滑行阻力。同時,使用AVL-Cruise進行仿真計算,結(jié)果顯示降低滑行阻力能夠有效降低能耗并提升續(xù)駛里程。