轻型商用电动汽车整车道路耐久验证体系

轻型商用电动汽车整车道路耐久验证体系作者：程小强李声超张俊程教育段龙杨来源：《工业技术创新》2018年第05期摘要：电动汽车产业蓬勃发展，相应的整车道路耐久验证体系开发迫在眉睫。

以燃油汽车整车道路耐久验证体系为基础，充分考虑电动汽车和燃油汽车在整车结构、动力系统和传动系统、活动区域、温度敏感性、质保要求等方面的差异，为轻型商用电动汽车确立整车道路耐久验证体系，包括在整车道路综合耐久试验规范中，重点实施高速工况设计、工况覆盖、里程与周期控制和特殊工况设计；在整车道路专项耐久试验规范中，紧密结合电动汽车特点，保留传动、转向、悬挂类专项试验；在整车环境耐久试验规范中，将高寒耐久试验优化为低温耐久试验，并提出高温、腐蚀耐久试验要点，阐述了总体开发逻辑和具体要求。

关键词：轻型商用电动汽车；耐久试验；验证体系；试验场中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2018） 05-008-07工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.05.003引言随着我国经济的高速发展，汽车保有量不断攀升。

燃油汽车排放的尾气给环境带来了巨大的危害，而电动汽车在环保等方面具有突出优势，使其开发和研究成为各汽车公司的主流发展方向[1]。

由于电动汽车与燃油汽车在部件结构、驱动能源方面存在较大差异，所以制定科学的电动汽车整车道路耐久验证体系迫在眉睫。

耐久验证体系一般可分为实验室耐久验证体系、道路耐久验证体系两部分。

实验室耐久验证体系存在较大不足：一是其大多为部件级测试，与整车环境有差异；二是其试验环境比较单一，缺少光照、沙尘、泥土、雨水、温度、驾驶员操作等实际环境综合作用效果的考量[2]。

对于道路耐久验证体系，由于很多台架试验的载荷设计都是源自道路试验，所以合理的道路耐久验证体系才是保障汽车产品耐久性能的优化选择。

本文以轻型商用电动汽车为研究对象，以燃油汽车和电动汽车在结构、性能、质保等方面的异同分析为基础，以用户对电动汽车的耐久性能需求为依据，分析研究了针对轻型商用电动汽车的整车道路耐久验证体系的总体开发逻辑和具体要求。

1 燃油汽车整车道路耐久验证体系1.1 基本框架燃油汽车整车道路耐久属性验证体系一般由“整车常规耐久”和“整车环境耐久”两大模块组成，基本框架如图1所示。

各主要汽车厂商的整车道路耐久验证体系大同小异，且已经经历了很多年的市场验证，故认为该验证体系较好地覆盖了市场的需求。

由于电动汽车耐久性能在需求层面上与燃油汽车接近，故可以借鉴之。

1.2 试验考核目标分析整车常规耐久试验（包括综合耐久试验和专项耐久试验）的设计目标是验证车辆是否满足用户在一般环境条件下的使用寿命目标；整车环境耐久试验的设计目标是验证车辆是否满足用户在某些苛刻环境条件下的使用寿命目标。

1.2.1 综合耐久试验综合耐久试验涵盖了用户在车辆使用过程中可能碰到的典型工况，以及为了合理地加快试验载荷输入而设计的特征试验工况（如铁路交叉路、搓板路、坑洼路、比利时路、共振路、绕“8”字等[3]）。

试验目标是以适当的试验里程和试验时间，累积覆盖目标比例用户[4]，目标使用里程[5]的最小总负荷，是验证体系中的核心“标尺”。

1.2.2 专项耐久试验整车综合耐久试验只能验证车辆是否满足一般用户使用条件下的寿命目标，但是有一部分目标用户使用条件比较特别，比如，常年在高速上行驶，高速高负荷里程占比非常高；長年在盘山公路上行驶，转向使用频率很高且转向幅度很大等。

为了覆盖这些用户的需求，需要设计专项耐久试验，如高速专项试验、转向专项试验等进行考核[6]。

1.2.3 环境耐久试验我国幅员辽阔，在某些时间段，某些地区具有比较极端的环境，比如黑龙江漠河的高寒、新疆吐鲁番的高温、广东湛江的高腐蚀等[7]。

某些部件可能在上述极端的环境下出现性能过快衰退或者过早失效。

常规耐久试验无法覆盖这部分地区用户的需求，需要设计一些环境耐久试验进行考核。

2 电动汽车与燃油汽车的异同分析电动汽车与燃油汽车相比，主要是动力系统及传动系统发生了变化，即用“动力电池+驱动电机+减速箱”系统取代“燃油系统+发动机+变速箱”系统。

另外，由于电动汽车的推广还存在一些技术瓶颈，如充电时间过长、续航里程偏短，以及公用充电设施还远不如加油设施完善等，必然导致电动汽车和燃油汽车在使用场景上会有较大差异。

2.1 基本结构异同分析从耐久验证角度看，电动汽车的车身、底盘、电子电器等基本结构与燃油汽车相似，但是电动汽车的动力电池质量通常在600～1 000 kg，通过支架挂在车架上。

如此大质量的外挂件，需要在结构考核工况设计过程中特别关注。

2.2 动力系统和传动系统异同分析图2a和图2b所示分别是典型的燃油汽车和电动汽车的动力传动系统示意图，两者的异同分析如表1所示。

因此，总结燃油汽车和电动汽车动力传动系统的不同点如下：（1）能量源由燃油变为动力电池；（2）动力源由发动机更换为驱动电机；（3）变速箱更换为减速箱，且无离合器。

相同点：驱动机构同为驱动桥。

2.3 活动区域差异分析表2所示是某调研公司提供的某轻型商用燃油汽车和同平台的电动汽车里程数据分布表。

因此，总结燃油汽车和电动汽车在活动区域的不同点如下：（1）电动汽车城市里程比例为53%，明显高于燃油汽车的20%；（2）电动汽车高速里程比例仅为10%，而燃油汽车比例高达30%；相同点：两者城郊里程比例均较高，且比较接近。

2.4 温度敏感性差异动力电池技术还不太成熟，随着温度下降，内阻会增加，电池输出效率下降，车辆续航会有较大折损，表3是某电动汽车和燃油汽车在不同温度条件下的续航里程数据。

综上，当前电动车的低温敏感性明显高于燃油汽车。

2.5 质保要求差异分析我国为了引导新能源汽车生产企业加强研发、提升产品质量，将产品质保作为考核要求。

电动汽车和燃油汽车质保要求对比如表4。

从质保政策看，可以得出以下结论：（1）电动汽车的质保要求高于燃油汽车；（2）质保期内，商用电动汽车行驶里程大概率会达到质保里程。

3 电动汽车整车道路耐久验证体系设计3.1 考核基本目标制定电动汽车作为汽车家族的子分类，同样需要满足用户的使用需求；同时，针对电动汽车独有的关键部件，如动力电池、驱动电机等，需加强考核。

主要考核内容和要求如表5。

通常一项试验难以覆盖全部考核需求，或者从时间上无法满足工程开发的要求，故需要建立一套包含各种耐久规范的验证体系。

3.2 整车常规耐久试验规范同燃油汽车类似，电动汽车整车常规耐久规范包含整车综合道路耐久试验规范和整车专项道路耐久试验规范两大类。

3.2.1 整车道路综合耐久试验规范整车综合道路耐久试验规范是验证体系的主体部分，可以覆盖大部分目标用户的使用寿命需求。

当前，一般采用车轮轴头伪损伤的方式控制总体结构考核强度[9]。

根据统计数据分析，若定义城郊的平均伪损伤密度（累计伪损伤与里程的比值）为5，那么乡村的平均伪损伤密度为3.2、城市的平均伪损伤密度为2.3、高速的平均伪损伤密度为0.6。

根据表2的数据，电动汽车和燃油汽车相同里程下的總体结构伪损伤累积如表6。

电动汽车与燃油汽车生命周期累积伪损伤接近，符合耐久规范等效对标的0.5～2倍标准。

因此，认为电动汽车综合耐久规范设计的结构部分可以使用同平台燃油汽车的标准。

至于动力传动系统考核部分，表7是某燃油车型和对应电动车型的速度—里程分布统计数据。

可以看出，电动汽车0～40 km/h低速部分占比较高；41～100 km/h中低速部分，电动汽车和燃油汽车比例相当；中高速（101～120 km/h）和高速（>120 km/h）部分，燃油汽车的比例明显高于电动汽车。

因此，在传动相关的考核工况设计时：①低速、中低速部分，由于难以引入较大传动负荷，电动汽车可以维持和燃油汽车相近的里程比例；②中高速部分，由于容易实现电机高扭矩和高功率，有利于动力传动系统考核，比例可以比燃油汽车有所上升；③高速部分，与发动机的高温、高压、润滑效果下降的恶劣运行环境不同，电机高速工作环境与低速差异不大、高扭矩和高功率保持时间短，考核效率不高，里程比例可以比燃油汽车有所下降；④坡道相关工况大驱动扭矩和负扭矩（下坡能量回收）里程比例较高，有利于强化动力传动系统的结构考核，可以适当增加。

（1）高速工况设计电动汽车的绝对续航一般比同型燃油车低，另外，随着车速的升高，续航下降的速度高于同型燃油汽车，如表8所示。

另外，如表3所示，电动汽车的续航对低温的敏感性同样高于燃油汽车。

所以，在高速试验工况设计时，既要考虑续航对车速的敏感性，也要考虑环境温度（季节）变化、大功率电器（如空调等）使用等情况对续航的影响，避免出现满电状态下无法完成一个高速工况的情况。

（2）工况覆盖在工况设计的过程中，需要考虑用户可能出现的极限状况覆盖，如：低速大扭矩大功率、高速大扭矩大功率、低速负扭矩、高速负扭矩等[10]，这类数据可以用Matlab编程进行统计分析[11]。

（3）里程与周期控制如表9所示，燃油汽车的试验效率高于电动汽车。

假设允许的试验时间为120天，根据表9的数据，总试验里程应该控制在35 000～40 000 km。

（4）特殊工况设计电动汽车有很多与高压电相关的接插件，在城市涝灾频发时，这些接插件的防水功能对于用车安全至关重要。

综合耐久试验提供了比任何零部件台架试验和系统台架更接近真实用户使用的试验条件[12]，能够很好地模拟用户全寿命结构震动累积，所以，如果能在综合耐久试验中引入高湿环境仓浸车工况，则可以以极低的成本，有效地考核接插件抗振能力，降低功能失效或者安全相关的售后风险。

3.2.2 整车道路专项耐久试验规范燃油汽车专项耐久试验及其在电动汽车中的适用性如表10所示。

综合考虑表2的数据，电动汽车高速里程占比明显比燃油汽车低；另外，驱动电机高速过程中，没有高温、高压、润滑效果明显下降的问题，所以可以考虑剔除高速专项试验。

当前轻型商用电动汽车只有自动挡车型，常啮合的减速器替代了变速箱，所以没有手动变速箱相关挡位操作问题，所以，不需要换挡相关的专项考核试验。

由于电动汽车没有类似于离合器功能的相关结构，不存在由误操作或者激进驾驶带来的动力系统异常冲击的情况，所以离合器误操作相关的专项试验也没有必要。

由于续航偏低、充电时间偏长，电动汽车试验效率偏低，平均每天的有效试验时间只有燃油汽车的85%左右。

动力传动系统耐久疲劳不比结构耐久疲劳，加速系数难以做到很高，如果耐久验证的时间不增加，为了保证传动系统的在限定的周期内进行充分验证，需要设计专门的强化考核试验，辅助动力传动系统的考核，设计方法参考整车综合道路耐久试验规范的传动系统考核工况设计要求。