1.2.2 關鍵技術指標與測試

上述的三大類動力性能指標（加速性能、爬坡性能、最高車速）是應用層面的技術指標，而對于分析與優化，則需要更多的概念。關于汽車動力性仿真的文獻較多，主要采用MATLAB/Simulink或者ADVISOR、CARSim、LabView等工程軟件做仿真分析。測試數據分析的相關文獻相對較少，滕艷瓊等在《汽車動力性試驗系統數據處理》中對加速性能測試數據進行了分析計算，王琳等在《基于MATLAB GUI的汽車動力性試驗數據分析軟件設計》中則更系統地采用MATALB結合GUI功能對實測數據進行處理，計算汽車的各項動力性指標。

為了使動力性指標的設置與定義更合理，試驗過程中更能體現車輛動力性主要特點，更有利于汽車制造商依據標準對車輛動力性進行設計、測量與改善，本節從動力學原理出發，對電動汽車動力性指標的定義與測試展開研究。首先，將運動設備普適的表征動力性能指標運用到電動汽車上，包括功率密度指標與最大加速度指標；然后，分析理想的車輛加速過程特性曲線、爬坡性能特性曲線等動力測試過程曲線，并結合電動汽車的特點分析其影響因素；接著，通過特性曲線推導若干重要應用場景的動力性指標；最后，以試驗案例對數據處理方法進行分析，并對電動汽車動力性設計與測試過程中的若干問題進行探討。

1.帶有動力源物體的普適指標

對于各類電動機、發動機等機械動力轉換器件，有兩個重要指標描述其動力性能：一是功率密度，二是峰值推力與自身重力的比值。當把電動汽車及其載荷視為一個動力器件，亦可沿用該指標對其動力性能進行量化。

由于車輛載荷、環境溫度、電池電量等條件對其動力性能均有影響，后面再討論各影響條件的定義與修正。首先把電動汽車的功率密度定義如下：

式中 P_max——整車最大驅動功率（kW）；

m——整車當量慣量（t）；

ρ——功率密度（kW/t）。

類似地，將電動汽車的最大加速度定義如下：

式中 F_驅——車輛驅動力（N）；

F_阻——車輛行駛阻力（N）；

a_max——車輛最大加速度（g）。

功率密度可根據車輛配置的動力系統直接算得，最大加速度可在加速性能試驗中獲得。

2.電動汽車極限加速過程的相關指標分析

在設計階段可以獲得車輛在相對理想狀態下的加速性能、爬坡性能等曲線。為了更好地定義各應用場景的動力性指標，需要對加速、爬坡等應用場景全過程模擬復現，各項指標可被視為各過程曲線中提煉的重要結論。最重要的曲線是時間-速度曲線，若不考慮打滑與配重影響，其他曲線均完全可由該曲線推導。

（1）加速性能曲線

車輛在平直跑道上全油門加速過程測得時間與車速的關系曲線如圖1-2所示。加速曲線是車輛在測試動力性過程中最易獲取的曲線。由于大多數電動汽車都是單速比，在加速時不會有檔位切換短暫失去動力的過程，因此加速曲線過渡平滑。

部分地區標準使用加速距離的概念，即車輛在已行駛的距離對應車速，通常用于判斷超車距離是否足夠長。此時，需要繪制行駛距離與車速的關系。在加速性能測試過程中，主要測量車輛的速度和時間，未直接測量車輛行駛距離。因此，距離-速度曲線需要使用時間-速度曲線推導而獲得，如圖1-3所示。

電動汽車的加速過程受電機外特性的影響，通常分為恒轉矩加速段和恒功率加速段。電機外特性通常使用轉速-峰值轉矩表達。因此，車輛加速特性使用速度-加速度曲線表達，如圖1-4所示。當車輛道路阻力為0時，該曲線剛好與電機外特性相同。可以在底盤測功機上，采用僅摸底慣性力的方式測量車輛動力系統外特性。臨近車輪打滑極限的加速曲線是分析打滑臨界加速度常用的曲線。通常前輪驅動車輛打滑臨界點為0.45g，后輪驅動車輛打滑臨界點為0.55g，四輪驅動車輛打滑臨界點為1g。車輛打滑與輪胎抓地力、空氣阻力寄生下壓力、整車結構與重量分布等因素相關。

（2）爬坡性能曲線

爬坡性能是車輛在坡道上行駛的各種工況性能的總稱，主要有坡道起步性能、最大爬坡度、各車速下的最大爬坡車速以及持續爬坡性能。對于電動汽車而言，由于電機的工作特性，通常峰值轉矩與峰值功率的持續時間為30s左右。當考察車輛的持續動力輸出性能時，通常能夠依據電機特性仿真持續輸出的功率特性。持續爬坡與熱管理通常使用10min持續過載特性，30min最高車速使用30min持續過載特性。因此可理論推導出車輛在不同車速下的最大爬坡度、持續爬坡度特性，如圖1-5所示。

（3）阻力分布與功率分布曲線

通過仿真或在底盤測功機上測試，可以獲得車輛驅動力/驅動功率與車速的關系曲線，通過滑行試驗，可以獲得車輛道路阻力與道路阻力功率曲線。圖1-6和圖1-7所示分別是車速-驅動力/道路阻力曲線和車速-驅動功率/道路阻力功率曲線。兩曲線圍成的面積越大，車輛的動力性越強，而道路阻力描述了車輛經濟性，所以這兩張圖可作為整車動力性經濟性綜合性能的參考。

3.關鍵技術指標

為了方便交流與量化，需要從上一節分析推導得出的各曲線進一步提取出關鍵指標，通常分為加速性能指標、爬坡性能指標和最高車速指標。

（1）加速指標

從時間-速度曲線可以獲得0—50km/h加速時間、50—80km/h加速時間和0—100km/h加速時間三個量化指標，如圖1-8所示。從距離-速度曲線可以獲得0—50km/h加速距離、50—80km/h加速距離和0—100km/h加速距離三個量化指標，如圖1-9所示。目前，加速距離指標已經很少被使用。在制動性能表達上經常使用100—0km/h的制動距離，0—100km/h加速距離與100—0km/h制動距離實際上是對稱的概念。在車輛開發過程中，保持參數的完整性以便用于發現更多與動力性、經濟性和制動性相關的參數。

（2）爬坡指標

依據相同的思路，在車速-最大爬坡度曲線上可以獲取爬坡性能相關要點，包括最大爬坡度、4%爬坡車速（對應高速爬坡）和12%爬坡車速（對應山路爬坡）。按照最嚴的熱管理校核要求，試驗應當在12%爬坡車速下持續10min，對應工況點落在10min最大爬坡度上。比較特殊的是車輛坡道起步能力，通常使用驅動電機的起動轉矩作為仿真分析依據，也可表現在爬坡曲線上。各指標在曲線上的位置如圖1-10所示。

（3）最高車速指標

最高車速通常有兩個指標，一個是車輛可行駛的最高車速，另一個是可持續行駛30min的最高車速。在仿真設計中，車輛行駛最高車速為車速-最大爬坡度曲線中最大爬坡度為0時對應的車速；30min最高車速對應驅動電機30min持續外特性。可持續30min最高車速通常還受到動力蓄電池儲能的影響，但是目前從多款車型來看，驅動電機的30min可持續功率是最關鍵的影響因素。

在當前標準中，最高車速與爬坡車速的測量都以行駛距離為主要參照，而30min最高車速則以行駛時間作為參照。對于電機外特性來說，使用持續時間定義更為合理。最高車速主要受到驅動電機軸承最高轉速承受程度以及峰值功率持續能力影響。因此，標準定義的最高車速測試時間應該修正為30～60s之間較為合理。

（4）其他動力性指標

由于電機的特性，通常由恒轉矩切換為恒功率時會出現加速度迅速下降的情況，這個轉折點被定義為恒轉矩與恒功率的拐點。雙電機工作時則可能存在兩個拐點。對于追求極限加速性能的車輛而言，拐點處的車速越高，在相同的零百加速目標下，對輪胎抓地力性能要求越低，因此在經濟性與動力性之間需要尋找合適的拐點作為平衡點。

4.試驗設計及其問題處理

前面分析了理想模型下的動力性相關指標，但在實際測試中通常會遇到各種問題，例如測試設備采樣頻率與精度、環境溫濕度與風速條件、路面平整度條件等因素的影響導致結果差異，甚至試驗數據的分析方法也有可能造成試驗結果的差異。為了讓測試結果更精確可靠，需要對相關因素進行分解分析，并給出測試結果的置信區間。這里結合實際測試示例對這些問題逐一分解討論。

（1）測試設備及其采樣頻率

在實際道路上測試時，車輛需要安裝可測量實時車速的設備。為了便于分析，可以補充加速度傳感器。在室內試驗時則采用底盤測功機模擬道路阻力，用以測試車輛的動力性能。測試為動態過程，原始數據需記錄秒采值，采樣頻率應≥10Hz。隨著技術的發展，車上通常都安裝了陀螺儀和輪速傳感器，在不打滑的情況下測量值與實際車速誤差低于1%，而且可以通過底盤測功機校準。因此，實際道路上采用車速信號進行動力性分析具有重要參考意義。

（2）環境條件

環境條件可沿用當前標準中的要求。其中風阻、道路平整度和路面附著系數對動力性測試結果影響較大，可以通過多次測量取平均值來獲得更高精度的結果。

（3）零點確定

在測試車輛加速性能時，由于路面微小斜坡、測試員加速踏板操控、動力系統響應、車速測試干擾等因素的影響，起步零點較難確定。即便通過卡爾曼濾波分析，也會有0.05～0.2s的誤差。部分車輛采用速度≥1km/h或≥3km/h的時刻作為起始點，因為通過該車速的時間間隔較短，將該速度設為零點可增強測量可重復性，提高數據可信度。對部分車輛加速響應的起步過程進行單獨分析，將沖擊、轉矩響應與舒適性等因素綜合優化。對于電動汽車而言，低車速下一般都處在恒轉矩段，使用3—10km/h加速過程近似為直線，逆向交于速度為0對應的時間軸作為加速起始點，結果的可重復性更好。

（4）多次試驗平均

試驗結果的可重復性需要多次測量對比分析。多次測量取平均值也是提高試驗結果在某精度范圍內的置信度的重要方法。多次測量并調整相同的時鐘插值后，可獲得均值條件下的時間-速度曲線。

（5）通過加速曲線推導其他動力性指標

通過多次測量獲得平均值的時間-速度曲線，對速度積分可獲得行駛里程，從而獲得行駛里程-速度曲線。對速度求導可獲得加速度，采用濾波方式可獲得較為平滑的速度-加速度曲線。根據車輛整備質量m、旋轉慣量m_r、配重m_p、滿載總質量m_f以及道路阻力系數A/B/C，可推導車輛爬坡性能、爬坡車速、驅動力、驅動功率等信息。

5.示例分析

某車型整備質量為1720kg，配重180kg，最大設計質量2055kg，旋轉慣量為70kg，道路阻力系數A=160N，B=0.5N/（km/h），C=0.038N/（km/h）2，10min峰值功率下降率為0.8，30min峰值功率下降率為0.6。使用Vbox測量車速，在中汽研鹽城汽車試驗場性能道上進行加速性能測試，獲得秒采數據如圖1-11所示。

截取5km/h對應的起始點并向前推移3s，各樣本數據如圖1-12所示。由于車速信號較不穩定，采用均值濾波器做初步處理，然后用車速為3—13km/h段擬合逆向延長至坐標軸，獲得各樣本零點，零點調整后的數據如圖1-13所示。

構造標準時鐘，并采用線性插值方法將各樣本信號轉換為標準時鐘下的速度，對各標準時鐘下的樣本求取均值，可獲得擬合車速。同時求取各樣本的標準差，如圖1-14所示，當某樣本點偏離3σ區間時適用于統計剔除規則。標準差體現了各時刻下對應車速的可重復性，但是道路有坡度或風速較大會導致標準差偏大，這也是衡量試驗結果置信度的重要指標。通過加速曲線可以計算出0—50km/h加速時間、50—80km/h加速時間和0—100km/h加速時間三個量化指標。

通過時間-速度曲線可推導出加速距離-速度曲線。從距離-速度曲線可獲得0—50km/h加速距離、50—80km/h加速距離和0—100km/h加速距離三個量化指標，如圖1-15所示。零百加速距離為118.9m，由于電動汽車具有制動能量可回收的特性，而且驅動外特性一般與回收外特性對稱，所以能量回收在制動距離上的貢獻可作參考。

實測加速曲線受干擾較嚴重，無法直接求導獲得加速度。在Vbox中有預卡爾曼濾波或者陀螺儀可直接獲得加速度信號。這里采用均值濾波處理加速度曲線，結果如圖1-16所示。均值濾波器在首末位置失真較嚴重，需要省略。獲得車輛峰值加速度值為0.35g，拐點速度為62km/h，與電機拐點設計值吻合。

通過加速性能外特性、旋轉慣量和最大載重等信息，可以推導出如圖1-17所示的爬坡特性曲線。由于該試驗為執行全油門加速到最高車速，未能分析出最高車速、持續30min最高車速、4%持續10min爬坡車速和12%持續爬坡車速等結果，只能給出這四個車速均≥120km/h的結論。建議后續標準將最高車速與全油門加速合并，便于車輛設計開發與分析驗證。

滑行試驗獲得的道路阻力與加速度逆推慣性力之和即為驅動電機輸出端外特性的估計值。推導出如圖1-18所示的車速-驅動力與阻力曲線，由于力與速度的乘積為功率，所以能進一步推導出如圖1-19所示的車速-驅動功率與阻力功率曲線。若該車輪胎半徑為0.353m，減速器速比為11.62，則可計算出驅動電機的峰值轉矩為210N·m。從圖1-19中可直觀獲得峰值功率為130kW，越過該峰值后電機峰值功率下降較快，與電機結構設計初期定義的外特性吻合。

6.動力性其他問題討論及測試標準建議

電動汽車動力性是車輛眾多量化性能指標中最為直觀、最易感知、最易精確量化的指標，但并不是完全孤立的。由以上的分析與推導可以看出，動力性經濟性與道路阻力、熱管理性能等密不可分。支撐整車動力性的主要零部件性能包括輪胎抓地力、驅動電機外特性、動力蓄電池持續放電性能等。

（1）配重與道路阻力問題

車輛的配重與道路滑行阻力分析相關，可間接獲得驗證車輛動力源是否達成相關指標的結論。因此，在做加速、爬坡、最高車速測試時，應盡量選擇與實際道路阻力滑行試驗中的配重相吻合。由于爬坡性能大家習慣上不能接受，且受配重影響極大，建議過渡性地保留滿載爬坡的指標，是否會引起相關強制標準引用結論的修訂需要再探討。在GB/T 28382—2012《純電動乘用車 技術條件》中，要求車輛最大爬坡度≥15%，但實際上爬坡性能與加速性能線性相關度極高，廢除滿載爬坡指標，僅提供標準載荷爬坡性能也是一個較優的備選方案。在實際測試中，最大爬坡度法規要求≥15%，這是滿足大部分道路爬坡性能的基本要求，而坡度高于50%以上的路面較少，建議當最大爬坡度≤15%或≥50%時，爬坡性能直接按此結論給出；當15%≤最大爬坡度≤50%時，量化給出。

（2）旋轉部件慣量問題

車輛的旋轉部件主要有車輪總成、制動盤、傳動軸、減速器齒輪與軸系、電機轉子等，其中車輪總成旋轉慣量占比較大。乘用車的旋轉部件慣量等效到輪邊當量慣量通常在40～120kg的范圍內，因此在滑行試驗中的分析、在底盤測功機上的模擬，均需要考慮旋轉部件慣量。兩驅底盤測功機的當量慣量需要加上測試過程中固定不動的旋轉部件當量慣量，由加速特性推導爬坡特性、由加速特性推導驅動電機外特性時，均需要該值。現有標準中測試過程僅對車輛配重有要求，建議增加試驗前旋轉部件慣量的確認。

（3）熱管理

驅動系統的極限工況是車輛熱管理設計與驗證的重要參考。目前針對純電動汽車的整車熱管理工況驗證標準并不成熟，但熱管理對動力性標準的引用與動力性標準對經濟性標準的引用類似，盡量確定相同的工況，在零部件選型、整車性能驗證對比上，都可以有比較簡潔的對應關系。

（4）車載傳感器

根據GB/T 18386.1—2021標準，在汽車制造廠提供車載REESS的電壓、電流傳感器采集精度證明以后，允許在測試過程中使用車載傳感器進行分析相關結論。中國汽研新能源汽車評價規程（CEVE）采用了車載傳感器的結果，通過云平臺進行能耗與續航分析。這開了一個極好的先例，因為基于衛星信號的速度采集并不是最可靠的，車輛在底盤測功機上經過標定后，其速度信號的精度有可能高于衛星速度信號的精度。

（5）電機匹配問題

驅動電機是影響整車動力性最關鍵的系統部件。通過整車動力性性能測試，可逆推驅動電機性能。尤其是持續工況的驗證，對電機選型與匹配有重要的指導性意義。電機設置時通常不能與里程相對應，相同的電機配置到不同的車上，也較難確定在某工況下持續行駛里程與電機特性的對應關系。因此建議標準修訂時全部切換為持續時間，僅保留30s外特性持續時間、10min熱管理爬坡車速持續時間、30min最高車速持續時間三種外特性。而與動力相關的電機參數可進一步精簡為如下幾個：峰值轉速、峰值轉矩、峰值功率、堵轉轉矩、10min持續峰值功率下降率、30min持續峰值功率下降率等6個。

（6）電池匹配問題

動力蓄電池作為動力源頭，其持續放電性能對驅動電機的性能發揮起到支撐作用。在當前技術條件下，電動汽車動力蓄電池SOC較低的時候，會限制電機功率輸出，以防止動力蓄電池過放導致損壞，這也是電動汽車與燃油車動力性表現的差異之一。動力蓄電池充放電限功率特性是逐漸過渡的過程，當低到一定極限時，便無法支撐驅動電機峰值功率。因此，標準應當對測試的車輛SOC區間做適當定義。增程式電動汽車與純電動汽車電池配電量通常有較大差距，相同車型增程式電動汽車電池配電量比純電動汽車小。建議標準這樣定義SOC限值：純電動汽車加速性能測試時SOC≤40%，增程式電動汽車動力性測試時SOC≤60%，等速30min最高車速與爬坡車速測試時不設置SOC限值。整車標準的規范有利于動力蓄電池選型規范，有利于電池性能與整車性能匹配評價。

（7）打滑問題

電動汽車起步轉矩大，達成相同0—100km/h加速指標的條件下，比燃油車更容易引起打滑。隨著能耗標準越來越高，低滾阻輪胎必然是發展趨勢，然而通常更低的滾阻系數意味著更弱的抓地性能，未來車輛的打滑問題將會越來越凸顯，這也是仿真分析和實測過程的峰值加速度分析的重要參考。

（8）各指標相關關系

由以上分析可知，汽車各項動力性指標各有側重，但是相關度較大。功率密度與最大加速度是描述汽車運動性能的基礎指標，但在應用場景上并不直觀。常用的定義是0—50km/h加速時間、0—100km/h加速時間、最大爬坡度、最大起步爬坡度、最高車速、30min最高車速、4%行駛1km爬坡車速和12%行駛1km爬坡車速等8個指標。由加速曲線和部分已知數據可以推導出后續結論，將最高車速的測試與加速時間的測試合為一個測試項目，可以獲得不同維度的結果。為了縮短測試時間，應當精簡測試項目，沿用GB/T 18386.1—2021的思路，實測能耗并推導續航。同理，建議爬坡車速和最大爬坡度允許理論推導。坡道起步性能需要實測，主要是堵轉轉矩的確認。4%爬坡車速、12%爬坡車速和30min最高車速可僅選擇一個在底盤測功機上測試，放到熱管理相關的試驗中驗證。

綜上分析，電動汽車動力性指標的設置需要兼顧多個維度，包括用戶使用感受、應用場景、設計與試驗驗證的便利性等。合理而明確地定義好相關指標，才能便于各汽車制造商橫向對比與分析優化，更客觀合理地提供給用戶量化參數。將分析方法與測試方法結合，提出規范的測試標準，才能更有利于不同廠家之間在新的平臺競爭。