《北京汽車(chē)》2023年第5期

關(guān)永康，方普鋒等

摘 要：對(duì)越野車(chē)沙漠場(chǎng)景行駛工況進(jìn)行分析，將典型的沙漠穿越和玩沙工況重新組合，構(gòu)建一個(gè)比較合理的考核雙模越野車(chē)熱管理與保電性能的綜合工況。通過(guò)進(jìn)一步分析四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架與四電機(jī)能量流臺(tái)架的控制模式發(fā)現(xiàn)，將沙漠越野行駛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換后輸入臺(tái)架可實(shí)現(xiàn)工況復(fù)現(xiàn)測(cè)試；將臺(tái)架測(cè)試結(jié)果與實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，臺(tái)架測(cè)試的等效程度滿足預(yù)期，說(shuō)明在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)復(fù)雜的沙漠越野行駛工況完全可行。

關(guān)鍵詞：越野車(chē)；沙漠工況；四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架；四電機(jī)能量流臺(tái)架

0 引 言

沙漠全地形越野過(guò)程中，坡度隨穿越沙山不同而快速動(dòng)態(tài)變化，并且沙子軟硬程度不同會(huì)導(dǎo)致輪胎與路面的附著條件非常復(fù)雜。在沙漠越野時(shí)，由于陷沙、刨沙、推沙等情況導(dǎo)致車(chē)輛行駛阻力變大，輪端功率增加，這對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性提出很高要求；同時(shí)疊加強(qiáng)光照、高環(huán)境溫度、高地表溫度等因素，對(duì)雙模越野車(chē)的熱管理與保電性能提出嚴(yán)苛要求。

由于沙漠越野工況的標(biāo)定、匹配、驗(yàn)收等測(cè)試只能在現(xiàn)場(chǎng)完成，這會(huì)帶來(lái)試驗(yàn)周期長(zhǎng)、人員及車(chē)輛安全風(fēng)險(xiǎn)高、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)高等問(wèn)題。將越野車(chē)沙漠工況試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為常規(guī)臺(tái)架試驗(yàn)顯得尤為重要，但將復(fù)雜的沙漠越野場(chǎng)景進(jìn)行臺(tái)架復(fù)現(xiàn)難度較大，本文驗(yàn)證了采用常用的轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架和四電機(jī)臺(tái)架復(fù)現(xiàn)沙漠工況的可行性，使越野車(chē)可以在開(kāi)發(fā)階段不受地域與環(huán)境影響開(kāi)展沙漠工況測(cè)試，提前識(shí)別產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)而縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 沙漠工況

內(nèi)蒙古阿拉善騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠具有多條典型的沙漠穿越行駛路線，通過(guò)采集其中的穿越與玩沙工況，設(shè)計(jì)雙模越野車(chē)沙漠綜合工況，以考核雙模越野車(chē)的熱管理與保電性能。

圖1 為沙漠綜合工況，包括4 個(gè)典型越野行車(chē)場(chǎng)景（沙漠穿越、小V 溝刷鍋、大V 溝直拔沖坡、書(shū)記鍋往返沖坡） 和3 個(gè)沙地模式怠速發(fā)電場(chǎng)景，模擬越野玩家進(jìn)行沙漠全地形越野。

圖1 沙漠綜合工況

本次臺(tái)架模擬主要為考核車(chē)輛保電及熱管理性能，保電和熱管理性能的主要影響指標(biāo)為平均車(chē)速和平均輪端功率，最大輪端工況作為參考項(xiàng)。基于前期經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)臺(tái)架實(shí)車(chē)對(duì)比平均車(chē)速誤差≤3%、平均輪端功率≤5%時(shí)即認(rèn)為臺(tái)架復(fù)現(xiàn)有效。

2 四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 臺(tái)架控制模式

通過(guò)四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架可以進(jìn)行整車(chē)性能檢測(cè)。轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架利用加載裝置模擬鋪裝路面（水泥或?yàn)r青） 的車(chē)輛行駛阻力，其主要控制模式有3 個(gè)[1]：（1） 恒轉(zhuǎn)速模式，轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速方向不變，負(fù)載大小和方向取決于測(cè)功機(jī)，該控制模式主要用于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力的測(cè)試；（2） 恒轉(zhuǎn)矩模式，轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩方向不變，轉(zhuǎn)速大小取決于測(cè)功機(jī)，該控制模式主要用于汽車(chē)自動(dòng)道路負(fù)載試驗(yàn)；（3） 慣量模擬模式：模擬鋪裝路面行駛，按照車(chē)輛滑行阻力方程式（1） 進(jìn)行阻力加載，其中需要為臺(tái)架輸入道路模擬譜，即車(chē)速V 和X 軸傾角α。

F滑行阻力=A+BV+CV 2          （1）

式中：F滑行阻力為車(chē)輛滑行阻力；A 為滾動(dòng)阻力系數(shù)；B 為傳動(dòng)阻力一次項(xiàng)系數(shù)；C 為空氣阻力二次項(xiàng)系數(shù)；V為車(chē)速。

2.2 臺(tái)架參數(shù)

為使轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架適于模擬沙漠越野行駛工況，臺(tái)架控制模式選取慣量模擬模式。為考核車(chē)輛電量平衡和熱管理性能，臺(tái)架加載車(chē)速應(yīng)和道路實(shí)測(cè)車(chē)速一致，并通過(guò)調(diào)整臺(tái)架加載F滑行阻力和X 軸傾角確保車(chē)輛平均輪端功率與實(shí)測(cè)一致。

測(cè)量車(chē)輛滑行阻力的方法主要有道路滑行法和等速下扭矩測(cè)量法兩種，目前較多采用道路滑行法[2]。汽車(chē)在鋪裝水平路面的滑行阻力主要包括輪胎阻力、傳動(dòng)系阻力和空氣阻力，式（1） 中阻力系數(shù)A、B、C值確定后可以計(jì)算任意車(chē)速下滑行阻力值。

圖2 為雙模越野車(chē)型在阿拉善沙漠天鵝湖和鋪裝公路實(shí)測(cè)的滑行阻力曲線對(duì)比，前者滑行阻力曲線為y=3588+11x+0.12x2，后者滑行阻力曲線為y=304+1.81x+0.12x2，其中x 為車(chē)速，y 為滑行阻力，可以看出，沙漠工況的滾動(dòng)阻力系數(shù)A 和傳動(dòng)阻力一次項(xiàng)系數(shù)B 均大于公路鋪裝路面，空氣阻力二次項(xiàng)系數(shù)二者相同。沙漠不屬于鋪裝路面，其車(chē)輛滑行阻力影響因素多，包括沙子深淺、濕度、軟硬、車(chē)輛胎壓、車(chē)重等，各種因素綜合作用，圖2 中滑行阻力曲線僅表示阿拉善沙漠天鵝湖的特點(diǎn)，不代表其他沙漠工況，因此臺(tái)架模擬選用圖2 中沙漠工況滑行阻力會(huì)存在一定誤差。

臺(tái)架控制模式僅可以加載固定滑行阻力，參考圖2 中曲線進(jìn)行加載，并通過(guò)修正X 軸傾角α 實(shí)現(xiàn)輪端驅(qū)動(dòng)力等效以彌補(bǔ)上述誤差。

圖2 不同路面的滑行阻力曲線

臺(tái)架加載X 軸傾角α 可通過(guò)式（2） 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)公式 [3] 計(jì)算得到

Ft=F滑行阻力+Fi+Fj              （2）

式中：Ft為車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力；F滑行阻力可由式（1） 計(jì)算得到；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

坡度阻力Fi為

Fi=mg·sinα                       （3）

式中：m為雙模越野車(chē)質(zhì)量，取值3 550 kg；g 為重力加速度，取值9.8 m/s2；α 為X軸傾角。

加速阻力Fj 為

Fj  = ma                            （4）

式中：a為車(chē)輛加速度，通過(guò)車(chē)速對(duì)時(shí)間求導(dǎo)計(jì)算得到。

通過(guò)式（2）、（3） 仿真計(jì)算得到修正后臺(tái)架加載X軸傾角α。

以小V 溝刷鍋工況為例，得到實(shí)車(chē)測(cè)試與臺(tái)架加載的路譜曲線，如圖3、4 所示。

圖3 實(shí)車(chē)車(chē)速及臺(tái)架加載車(chē)速

圖4 實(shí)車(chē)X 軸傾角及臺(tái)架加載X 軸傾角

2.3 實(shí)車(chē)對(duì)比

采用雙模越野車(chē)沙漠滑行阻力曲線、車(chē)速和X軸傾角曲線進(jìn)行四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架試驗(yàn)，并對(duì)比實(shí)車(chē)試驗(yàn)，結(jié)果如圖5、6 所示。圖5 中臺(tái)架測(cè)試車(chē)速基本跟隨實(shí)車(chē)車(chē)速，平均車(chē)速偏差為3%，符合試驗(yàn)預(yù)期；圖6 中臺(tái)架的輪端功率基本跟隨實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果，輪端平均功率的臺(tái)架測(cè)試值為147 kW，與實(shí)車(chē)測(cè)試值144 kW基本一致，符合預(yù)期，但最大輪端功率臺(tái)架測(cè)試值為350 kW，與實(shí)車(chē)測(cè)試值450 kW差異較大。臺(tái)架測(cè)試可用于開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證越野車(chē)型的沙漠越野熱管理性能和電平衡能力，但無(wú)法復(fù)現(xiàn)車(chē)輪瞬態(tài)打滑導(dǎo)致的輪端功率突升工況。

圖5 實(shí)車(chē)與臺(tái)架測(cè)試車(chē)速對(duì)比

圖6 實(shí)車(chē)與臺(tái)架測(cè)試輪端功率對(duì)比

3 四電機(jī)能量流臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 臺(tái)架控制模式

四電機(jī)能量流臺(tái)架通過(guò)拆除車(chē)輪并使用工裝與傳動(dòng)軸連接，即將臺(tái)架的4 個(gè)電機(jī)作為車(chē)輪，通過(guò)加載裝置為轉(zhuǎn)鼓施加負(fù)載模擬車(chē)輛在鋪裝道路的行駛阻力，其主要控制模式有3 個(gè)：（1） 加速踏板速度模式，加速踏板控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，速度控制負(fù)載電機(jī)；（2） 扭矩速度模式，扭矩控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，速度控制負(fù)載電機(jī)；（3） 慣量模擬模式，按照車(chē)輛滑行阻力方程式（1） 進(jìn)行力加載，其中需要為臺(tái)架輸入道路模擬譜，即車(chē)速V和X軸傾角α。

3.2 臺(tái)架參數(shù)

臺(tái)架測(cè)試采用加速踏板速度模式，通過(guò)控制車(chē)速和加速踏板深度實(shí)現(xiàn)沙漠越野工況復(fù)現(xiàn)。臺(tái)架加載車(chē)速與實(shí)車(chē)測(cè)試車(chē)速保持一致，臺(tái)架加載加速踏板深度可通過(guò)車(chē)輛加速踏板MAP 表得到，雙模越野車(chē)沙地模式加速踏板MAP如圖7 所示。

圖7 雙模越野車(chē)沙地模式加速踏板MAP

以沙漠刷鍋工況為例，將車(chē)速與加速踏板深度信號(hào)去除尖點(diǎn)、毛刺等異常數(shù)據(jù)，得到車(chē)速、加速踏板深度曲線，如圖8、9 所示。

圖8 臺(tái)架加載車(chē)速曲線

圖9 臺(tái)架加載加速踏板深度曲線

3.3 實(shí)車(chē)對(duì)比

將車(chē)速和加速踏板深度信號(hào)輸入四電機(jī)能量流臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試，如圖10、11 所示，圖10 中臺(tái)架測(cè)試車(chē)速基本跟隨實(shí)車(chē)車(chē)速，平均車(chē)速偏差為1%，符合試驗(yàn)預(yù)期；圖11 為臺(tái)架輪端功率趨勢(shì)與峰值跟隨實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果的情況，輪端平均功率臺(tái)架測(cè)試值為141 kW，與實(shí)車(chē)測(cè)試值144 kW基本一致，符合預(yù)期。通過(guò)臺(tái)架測(cè)試可以復(fù)現(xiàn)沙漠越野工況車(chē)速及輪端功率動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，能夠真實(shí)地驗(yàn)證熱管理與保電性能，尤其可復(fù)現(xiàn)車(chē)輪瞬態(tài)打滑導(dǎo)致輪端功率突升的工況。

圖10 實(shí)車(chē)與臺(tái)架測(cè)試車(chē)速對(duì)比

圖11 實(shí)車(chē)與臺(tái)架測(cè)試輪端功率對(duì)比

4 兩臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比

轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架與四電機(jī)能量流臺(tái)架復(fù)現(xiàn)沙漠工況結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩臺(tái)架復(fù)現(xiàn)沙漠工況結(jié)果對(duì)比

由表1 可知，四電機(jī)能量流臺(tái)架復(fù)現(xiàn)沙漠工況的能力明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架，并且可以復(fù)現(xiàn)車(chē)輪瞬態(tài)打滑導(dǎo)致輪端功率突升的工況，可進(jìn)一步考核車(chē)輛動(dòng)力性能。對(duì)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架與四電機(jī)能量流臺(tái)架復(fù)現(xiàn)的沙漠工況進(jìn)行整車(chē)保電和熱管理性能考核，均符合預(yù)期要求，為有效驗(yàn)證這兩項(xiàng)性能提供可能。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析越野車(chē)沙漠行駛工況構(gòu)建一個(gè)比較合理的沙漠越野綜合工況，并通過(guò)分析四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架與四電機(jī)能量流臺(tái)架的控制模式，對(duì)沙漠越野綜合工況進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，結(jié)果表明，臺(tái)架測(cè)試的等效程度符合預(yù)期要求，為驗(yàn)證雙模越野車(chē)熱管理與保電性能提供可能。

參考文獻(xiàn)

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