道路測試

    本研究中使用的車輛是一輛2014年款的特斯拉Model S，配備了19英寸輪轂、245/45R19輪胎和標(biāo)準(zhǔn)的螺旋彈簧懸掛系統(tǒng)，相關(guān)開發(fā)信息詳見參考文獻(xiàn)。Model S是一款采用快背式設(shè)計的電動汽車，單個交流電機(jī)通過開放式差速器驅(qū)動后軸。動力由一個85千瓦時的能源存儲系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)由18650規(guī)格的鋰離子電池組成。傳動系統(tǒng)和車載能源存儲系統(tǒng)為比較道路能耗與車輛空氣動力學(xué)阻力源的預(yù)測負(fù)載提供了新的方法。這些阻力源包括輪胎滾動阻力、運(yùn)行輔助低壓系統(tǒng)所需的能量、軸承損失和空氣阻力。

    使用Aeroprobe制造的三孔皮托靜壓探頭來收集瞬時偏航角數(shù)據(jù)。該探頭類似于用于測量相對風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)皮托靜壓探頭，帶有一個前向口測量總壓，并在流向平行的方向上有一圈八個端口測量靜壓。此外，兩個孔位于主總壓口的兩側(cè)。兩個McLaren Electronics制造的差壓傳感器用于從探頭收集數(shù)據(jù)。第一個傳感器測量動壓（總壓與靜壓測量之間的差值），而第二個傳感器測量側(cè)面總壓口的壓差。探頭、傳感器和GPS發(fā)射器安裝在位于車輛車頂、擋風(fēng)玻璃和可移動全景車頂玻璃之間的整流罩內(nèi)，如圖1所示。這提供了一個可重復(fù)的中心線位置，遠(yuǎn)離車輛產(chǎn)生的湍流流結(jié)構(gòu)。在本文數(shù)據(jù)采集之后，決定將安裝位置移至引擎蓋上，以減少車頂流加速對測量的影響。

圖1. 測試車輛車頂上的探頭和安裝架

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由Motec CDL儀表盤組成，可以實(shí)時監(jiān)控兩個差壓讀數(shù)。壓力軌跡與GPS數(shù)據(jù)（速度、航向、海拔、經(jīng)緯度、時間和日期）以及三軸加速度計數(shù)據(jù)一同采集。第二個壓差（左右前向口）除以第一個（中心前向口與靜壓圈）計算所謂的貝塔系數(shù)。然后，貝塔系數(shù)通過擬合二次函數(shù)來計算偏航角。該函數(shù)由探頭制造商提供，每個探頭都經(jīng)過單獨(dú)校準(zhǔn)，提供一組獨(dú)特的二次系數(shù)。校準(zhǔn)是在一系列速度下完成的，整個測試中使用了最接近預(yù)期測試速度的校準(zhǔn)值（在此情況下為0.073馬赫或56英里/小時，而測試速度主要為55英里/小時和75英里/小時，取決于道路狀況）。從這些數(shù)據(jù)集中，使用動壓和溫度計算出風(fēng)速。該數(shù)據(jù)和偏航角可用于將風(fēng)分解為縱向（平行于車輛中心線）和橫向側(cè)風(fēng)分量。最后，將總縱向分量與車輛的GPS速度進(jìn)行比較，以確定頂風(fēng)或順風(fēng)的大小。

    如前所述，純電動傳動系統(tǒng)為測量幾項(xiàng)能耗指標(biāo)提供了新的機(jī)會。其中兩個最有用的指標(biāo)是高壓電池的能量消耗（以千瓦時為單位）和通過驅(qū)動逆變器的功率（以千瓦為單位）。驅(qū)動逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)使用的交流電，是傳動系統(tǒng)中兩個主要部件之一，另一個是電機(jī)。然而，這兩種測量功率的方法都不是純粹的空氣動力能耗測量。在測試速度下，空氣阻力是最大的能耗源，但通過驅(qū)動逆變器的功率也用于克服軸承摩擦和輪胎滾動阻力。此外，從電池中消耗的能量還用于驅(qū)動傳統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，通常通過DC-DC轉(zhuǎn)換器降低電壓，這本身也存在效率損失。在最終數(shù)據(jù)分析中，僅使用了驅(qū)動逆變器的功率，因?yàn)樗咏砜諝鈩恿β省ｎA(yù)計來自電池的更多能耗源增加了數(shù)據(jù)的波動性。

    測試車輛的CAN總線被用于在測試期間記錄所有動力系統(tǒng)的功能。為了將兩組不同的數(shù)據(jù)集結(jié)合起來，一個GPS接收器被添加到Motec數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，此外還記錄了車輛自身CAN信號中的GPS系統(tǒng)。然后，將兩條GPS速度軌跡匹配，以提供時間信號的偏移量。

CFD仿真

    在先前的論文中，描述了包括真實(shí)風(fēng)況的CFD仿真方法。使用格子玻爾茲曼法（LBM）進(jìn)行仿真，如文獻(xiàn)中所討論的那樣。這一方法也被應(yīng)用于之前的研究。

    首先進(jìn)行了模擬，以在車輛前方加入時間變化的偏航角，模擬空間均勻的陣風(fēng)和主導(dǎo)的側(cè)風(fēng)。其次，使用車輛前方的非均勻和時間依賴的速度波動，模擬了道路環(huán)境中的湍流風(fēng)況。這些湍流波動被縮放至一個代表道路上湍流強(qiáng)度的規(guī)定幅度。湍流的長度尺度和頻率譜由文獻(xiàn)中代表性的風(fēng)數(shù)據(jù)決定。添加上游湍流的方法在我們之前的工作以及文獻(xiàn)中有所描述。

    在本研究中，再次使用了這兩種方法來確定道路風(fēng)環(huán)境對車輛空氣動力學(xué)性能的影響。通過動態(tài)偏航角仿真生成阻力與偏航角的曲線。進(jìn)行了兩次動態(tài)偏航仿真，一次是在零湍流強(qiáng)度下進(jìn)行的，另一次則在7%的湍流強(qiáng)度下進(jìn)行。這一湍流強(qiáng)度基于先前在文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)，代表了從道路測量中計算出的中等湍流強(qiáng)度。這兩個仿真用于表示車輛對主導(dǎo)平均風(fēng)和波動風(fēng)的敏感度圖。然后，將道路上測得的風(fēng)特性與這個性能圖結(jié)合起來，確定風(fēng)況對車輛阻力的影響，并與零風(fēng)條件進(jìn)行比較。

道路測量結(jié)果

    通過上述提到的CAN總線來測量車輛的功率消耗，并與從CFD或風(fēng)洞測試預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行比較。該策略探索了滑行技術(shù)的替代方案，即通過測量傳動系統(tǒng)的即時功率來確定空氣動力負(fù)載，而不是斷開傳動系統(tǒng)并通過減速率來找到道路負(fù)載曲線。測試車輛的純電動傳動系統(tǒng)允許測量其轉(zhuǎn)換為機(jī)械扭矩的功率。在加利福尼亞的多個路段上進(jìn)行了一系列駕駛循環(huán)，目的是收集能代表典型長途旅行的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行短途行駛，但要故意處于高風(fēng)況下。前者用于幫助定義在高速下車輛主要受到空氣動力影響的情況下，車輛最常遇到的條件（偏航角和湍流水平）。后者則用于更深入分析風(fēng)況與車輛能耗之間的關(guān)系。

長途駕駛

    在加利福尼亞州的高速公路上進(jìn)行了兩段延長駕駛的數(shù)據(jù)收集。第一段是在舊金山和洛杉磯之間的5號州際公路上靠近貝克斯菲爾德的部分路段，該路段是加利福尼亞州的主要南北走廊（如圖1所示），駕駛方向?yàn)槟闲小５诙问窃诼迳即壓褪サ貋喐缰g靠近圣奧諾弗雷的路段，同樣是在5號州際公路上，該路段靠近海洋，數(shù)據(jù)在北行和南行兩個方向上都進(jìn)行了收集。最終數(shù)據(jù)包括貝克斯菲爾德駕駛中的多個南行路段以及圣奧諾弗雷駕駛中兩個方向的兩次往返。為了確保只收集和使用相關(guān)數(shù)據(jù)，車輛的巡航控制僅在車輛能夠長時間以恒定速度行駛且不受交通干擾的情況下設(shè)置。目標(biāo)速度為75英里/小時，但有時由于交通狀況較低，數(shù)據(jù)段的長度在0.5英里至23英里之間。盡管其他車輛和道路障礙物必然會對結(jié)果產(chǎn)生影響，但這些擾動是車輛設(shè)計時需要考慮的真實(shí)環(huán)境的一部分。

圖2. 加利福尼亞州測試地點(diǎn)地圖