1.2 动力性

电动汽车的动力性是消费者较为敏感的指标，也是企业和学术界的重要研究课题。本节介绍全面考核电动汽车动力性指标的方法，将爬坡性能、加速时间、最高车速均纳入电动汽车动力性能指标的设计范围，同时提出了通过空载、标准载荷、满载三种工况，观察动力性指标的稳定性，并将设计结果用于验证各指标值及其达成率。

在动力性开发过程中，性能开发工程师需要与产品规划部门确认车型主要的动力性指标，而动力性测试工程师的核心测试指标是加速时间，从原始加速时间测试数据中判断车辆是否符合设计状态。在数据的滤波、起始点选择、置信度判断、其他动力性指标等效等问题上，都需要动力性测试工程师掌握高超的数据分析能力，以帮助性能开发部门及各相关专业判断车辆动力性方面的问题。

1.2.1 动力性指标

GB/T 18385—2005《电动汽车 动力性能 试验方法》定义了电动汽车的动力性指标及其细化分类，分为加速性能、最高车速、爬坡性能3类。

1.加速性能

加速性能是指电动汽车从速度 v ₁ ，加速到速度 v ₂ ，所需的最短时间。根据 v ₁ 与 v ₂ 不同，通常关心以下3个加速性能指标：

1）0—50km/h加速时间，主要体现汽车起步的加速性能。

2）0—100km/h加速时间，主要体现汽车常用车速区间的加速性能。

3）50—80km/h加速时间，主要体现汽车超车过程的加速性能。

本书在设计算法中预留一个自定义加速时间。

2.最高车速

最高车速分为瞬时最高车速与30min最高车速。标准中只规定了30min最高车速的测试方法，未规定汽车瞬时最高车速的试验方法。汽车的30min最高车速不仅与电机的特性有关，还与动力蓄电池的容量有关，动力蓄电池必须能够提供汽车持续行驶30min的最高车速而不出现限功率或掉电状态。通常情况下，都不会以动力蓄电池的容量极限作为设计极限，而是以电机能够持续30min稳定输出功率并保持不过热为设计条件。汽车的最高车速，则以5min最高车速的电机输出功率为设计依据。

本书对最高车速指标的定义有两个：

1）5min最高车速，体现汽车达到瞬时最高车速的能力。

2）30min最高车速，体现汽车维持最高车速的能力。

3.爬坡性能

标准要求通过坡道起步能力与坡度车速来体现爬坡性能。

1）坡道起步能力：定义为电动汽车在坡道上能够起动且在1min内向上行驶至少10m的最大坡度，表现了汽车的坡道起步能力。本书定义的坡道起步能力使用5km/h车速下的等效最大爬坡能力。

2）坡度车速：定义为电动汽车在给定坡度的坡道上能够持续行驶1km以上的最高平均车速，表现了汽车在行驶过程中最大的爬坡性能。设计时，通常以20km/h或50km/h的车速作为最大爬坡能力的参考。

综上所述，动力性指标综合描述见表1-1。

将设计指标定义更全面，各指标设计求算更合理，才能获得精度更高的设计结果。表1-2列举了一款哪吒汽车的动力性初步设计结果，具体设计方法将在后续章节中详述。当电机选型确定并在市场上找到对应的电机供应商以后，可为下一步整车动力性经济性仿真开发工作提供更精确的电机参数。

1.2.2 关键技术指标与测试

上述的三大类动力性能指标（加速性能、爬坡性能、最高车速）是应用层面的技术指标，而对于分析与优化，则需要更多的概念。关于汽车动力性仿真的文献较多，主要采用MATLAB/Simulink或者ADVISOR、CARSim、LabView等工程软件做仿真分析。测试数据分析的相关文献相对较少，滕艳琼等在《汽车动力性试验系统数据处理》中对加速性能测试数据进行了分析计算，王琳等在《基于MATLAB GUI的汽车动力性试验数据分析软件设计》中则更系统地采用MATALB结合GUI功能对实测数据进行处理，计算汽车的各项动力性指标。

为了使动力性指标的设置与定义更合理，试验过程中更能体现车辆动力性主要特点，更有利于汽车制造商依据标准对车辆动力性进行设计、测量与改善，本节从动力学原理出发，对电动汽车动力性指标的定义与测试展开研究。首先，将运动设备普适的表征动力性能指标运用到电动汽车上，包括功率密度指标与最大加速度指标；然后，分析理想的车辆加速过程特性曲线、爬坡性能特性曲线等动力测试过程曲线，并结合电动汽车的特点分析其影响因素；接着，通过特性曲线推导若干重要应用场景的动力性指标；最后，以试验案例对数据处理方法进行分析，并对电动汽车动力性设计与测试过程中的若干问题进行探讨。

1.带有动力源物体的普适指标

对于各类电动机、发动机等机械动力转换器件，有两个重要指标描述其动力性能：一是功率密度，二是峰值推力与自身重力的比值。当把电动汽车及其载荷视为一个动力器件，亦可沿用该指标对其动力性能进行量化。

由于车辆载荷、环境温度、电池电量等条件对其动力性能均有影响，后面再讨论各影响条件的定义与修正。首先把电动汽车的功率密度定义如下：

式中 P _max ——整车最大驱动功率（kW）；

m ——整车当量惯量（t）；

ρ ——功率密度（kW/t）。

类似地，将电动汽车的最大加速度定义如下：

式中 F _驱 ——车辆驱动力（N）；

F _阻 ——车辆行驶阻力（N）；

a _max ——车辆最大加速度（ g ）。

功率密度可根据车辆配置的动力系统直接算得，最大加速度可在加速性能试验中获得。

2.电动汽车极限加速过程的相关指标分析

在设计阶段可以获得车辆在相对理想状态下的加速性能、爬坡性能等曲线。为了更好地定义各应用场景的动力性指标，需要对加速、爬坡等应用场景全过程模拟复现，各项指标可被视为各过程曲线中提炼的重要结论。最重要的曲线是时间-速度曲线，若不考虑打滑与配重影响，其他曲线均完全可由该曲线推导。

（1）加速性能曲线

车辆在平直跑道上全油门加速过程测得时间与车速的关系曲线如图1-2所示。加速曲线是车辆在测试动力性过程中最易获取的曲线。由于大多数电动汽车都是单速比，在加速时不会有档位切换短暂失去动力的过程，因此加速曲线过渡平滑。

部分地区标准使用加速距离的概念，即车辆在已行驶的距离对应车速，通常用于判断超车距离是否足够长。此时，需要绘制行驶距离与车速的关系。在加速性能测试过程中，主要测量车辆的速度和时间，未直接测量车辆行驶距离。因此，距离-速度曲线需要使用时间-速度曲线推导而获得，如图1-3所示。

电动汽车的加速过程受电机外特性的影响，通常分为恒转矩加速段和恒功率加速段。电机外特性通常使用转速-峰值转矩表达。因此，车辆加速特性使用速度-加速度曲线表达，如图1-4所示。当车辆道路阻力为0时，该曲线刚好与电机外特性相同。可以在底盘测功机上，采用仅摸底惯性力的方式测量车辆动力系统外特性。临近车轮打滑极限的加速曲线是分析打滑临界加速度常用的曲线。通常前轮驱动车辆打滑临界点为0.45 g ，后轮驱动车辆打滑临界点为0.55 g ，四轮驱动车辆打滑临界点为1 g 。车辆打滑与轮胎抓地力、空气阻力寄生下压力、整车结构与重量分布等因素相关。

（2）爬坡性能曲线

爬坡性能是车辆在坡道上行驶的各种工况性能的总称，主要有坡道起步性能、最大爬坡度、各车速下的最大爬坡车速以及持续爬坡性能。对于电动汽车而言，由于电机的工作特性，通常峰值转矩与峰值功率的持续时间为30s左右。当考察车辆的持续动力输出性能时，通常能够依据电机特性仿真持续输出的功率特性。持续爬坡与热管理通常使用10min持续过载特性，30min最高车速使用30min持续过载特性。因此可理论推导出车辆在不同车速下的最大爬坡度、持续爬坡度特性，如图1-5所示。

（3）阻力分布与功率分布曲线

通过仿真或在底盘测功机上测试，可以获得车辆驱动力/驱动功率与车速的关系曲线，通过滑行试验，可以获得车辆道路阻力与道路阻力功率曲线。图1-6和图1-7所示分别是车速-驱动力/道路阻力曲线和车速-驱动功率/道路阻力功率曲线。两曲线围成的面积越大，车辆的动力性越强，而道路阻力描述了车辆经济性，所以这两张图可作为整车动力性经济性综合性能的参考。

3.关键技术指标

为了方便交流与量化，需要从上一节分析推导得出的各曲线进一步提取出关键指标，通常分为加速性能指标、爬坡性能指标和最高车速指标。

（1）加速指标

从时间-速度曲线可以获得0—50km/h加速时间、50—80km/h加速时间和0—100km/h加速时间三个量化指标，如图1-8所示。从距离-速度曲线可以获得0—50km/h加速距离、50—80km/h加速距离和0—100km/h加速距离三个量化指标，如图1-9所示。目前，加速距离指标已经很少被使用。在制动性能表达上经常使用100—0km/h的制动距离，0—100km/h加速距离与100—0km/h制动距离实际上是对称的概念。在车辆开发过程中，保持参数的完整性以便用于发现更多与动力性、经济性和制动性相关的参数。

（2）爬坡指标

依据相同的思路，在车速-最大爬坡度曲线上可以获取爬坡性能相关要点，包括最大爬坡度、4%爬坡车速（对应高速爬坡）和12%爬坡车速（对应山路爬坡）。按照最严的热管理校核要求，试验应当在12%爬坡车速下持续10min，对应工况点落在10min最大爬坡度上。比较特殊的是车辆坡道起步能力，通常使用驱动电机的起动转矩作为仿真分析依据，也可表现在爬坡曲线上。各指标在曲线上的位置如图1-10所示。

（3）最高车速指标

最高车速通常有两个指标，一个是车辆可行驶的最高车速，另一个是可持续行驶30min的最高车速。在仿真设计中，车辆行驶最高车速为车速-最大爬坡度曲线中最大爬坡度为0时对应的车速；30min最高车速对应驱动电机30min持续外特性。可持续30min最高车速通常还受到动力蓄电池储能的影响，但是目前从多款车型来看，驱动电机的30min可持续功率是最关键的影响因素。

在当前标准中，最高车速与爬坡车速的测量都以行驶距离为主要参照，而30min最高车速则以行驶时间作为参照。对于电机外特性来说，使用持续时间定义更为合理。最高车速主要受到驱动电机轴承最高转速承受程度以及峰值功率持续能力影响。因此，标准定义的最高车速测试时间应该修正为30～60s之间较为合理。

（4）其他动力性指标

由于电机的特性，通常由恒转矩切换为恒功率时会出现加速度迅速下降的情况，这个转折点被定义为恒转矩与恒功率的拐点。双电机工作时则可能存在两个拐点。对于追求极限加速性能的车辆而言，拐点处的车速越高，在相同的零百加速目标下，对轮胎抓地力性能要求越低，因此在经济性与动力性之间需要寻找合适的拐点作为平衡点。

4.试验设计及其问题处理

前面分析了理想模型下的动力性相关指标，但在实际测试中通常会遇到各种问题，例如测试设备采样频率与精度、环境温湿度与风速条件、路面平整度条件等因素的影响导致结果差异，甚至试验数据的分析方法也有可能造成试验结果的差异。为了让测试结果更精确可靠，需要对相关因素进行分解分析，并给出测试结果的置信区间。这里结合实际测试示例对这些问题逐一分解讨论。

（1）测试设备及其采样频率

在实际道路上测试时，车辆需要安装可测量实时车速的设备。为了便于分析，可以补充加速度传感器。在室内试验时则采用底盘测功机模拟道路阻力，用以测试车辆的动力性能。测试为动态过程，原始数据需记录秒采值，采样频率应≥10Hz。随着技术的发展，车上通常都安装了陀螺仪和轮速传感器，在不打滑的情况下测量值与实际车速误差低于1%，而且可以通过底盘测功机校准。因此，实际道路上采用车速信号进行动力性分析具有重要参考意义。

（2）环境条件

环境条件可沿用当前标准中的要求。其中风阻、道路平整度和路面附着系数对动力性测试结果影响较大，可以通过多次测量取平均值来获得更高精度的结果。

（3）零点确定

在测试车辆加速性能时，由于路面微小斜坡、测试员加速踏板操控、动力系统响应、车速测试干扰等因素的影响，起步零点较难确定。即便通过卡尔曼滤波分析，也会有0.05～0.2s的误差。部分车辆采用速度≥1km/h或≥3km/h的时刻作为起始点，因为通过该车速的时间间隔较短，将该速度设为零点可增强测量可重复性，提高数据可信度。对部分车辆加速响应的起步过程进行单独分析，将冲击、转矩响应与舒适性等因素综合优化。对于电动汽车而言，低车速下一般都处在恒转矩段，使用3—10km/h加速过程近似为直线，逆向交于速度为0对应的时间轴作为加速起始点，结果的可重复性更好。

（4）多次试验平均

试验结果的可重复性需要多次测量对比分析。多次测量取平均值也是提高试验结果在某精度范围内的置信度的重要方法。多次测量并调整相同的时钟插值后，可获得均值条件下的时间-速度曲线。

（5）通过加速曲线推导其他动力性指标

通过多次测量获得平均值的时间-速度曲线，对速度积分可获得行驶里程，从而获得行驶里程-速度曲线。对速度求导可获得加速度，采用滤波方式可获得较为平滑的速度-加速度曲线。根据车辆整备质量 m 、旋转惯量 m _r 、配重 m _p 、满载总质量 m _f 以及道路阻力系数 A / B / C ，可推导车辆爬坡性能、爬坡车速、驱动力、驱动功率等信息。

5.示例分析

某车型整备质量为1720kg，配重180kg，最大设计质量2055kg，旋转惯量为70kg，道路阻力系数 A =160N， B =0.5N/（km/h）， C =0.038N/（km/h） ² ，10min峰值功率下降率为0.8，30min峰值功率下降率为0.6。使用Vbox测量车速，在中汽研盐城汽车试验场性能道上进行加速性能测试，获得秒采数据如图1-11所示。

截取5km/h对应的起始点并向前推移3s，各样本数据如图1-12所示。由于车速信号较不稳定，采用均值滤波器做初步处理，然后用车速为3—13km/h段拟合逆向延长至坐标轴，获得各样本零点，零点调整后的数据如图1-13所示。

构造标准时钟，并采用线性插值方法将各样本信号转换为标准时钟下的速度，对各标准时钟下的样本求取均值，可获得拟合车速。同时求取各样本的标准差，如图1-14所示，当某样本点偏离3 σ 区间时适用于统计剔除规则。标准差体现了各时刻下对应车速的可重复性，但是道路有坡度或风速较大会导致标准差偏大，这也是衡量试验结果置信度的重要指标。通过加速曲线可以计算出0—50km/h加速时间、50—80km/h加速时间和0—100km/h加速时间三个量化指标。

通过时间-速度曲线可推导出加速距离-速度曲线。从距离-速度曲线可获得0—50km/h加速距离、50—80km/h加速距离和0—100km/h加速距离三个量化指标，如图1-15所示。零百加速距离为118.9m，由于电动汽车具有制动能量可回收的特性，而且驱动外特性一般与回收外特性对称，所以能量回收在制动距离上的贡献可作参考。

实测加速曲线受干扰较严重，无法直接求导获得加速度。在Vbox中有预卡尔曼滤波或者陀螺仪可直接获得加速度信号。这里采用均值滤波处理加速度曲线，结果如图1-16所示。均值滤波器在首末位置失真较严重，需要省略。获得车辆峰值加速度值为0.35 g ，拐点速度为62km/h，与电机拐点设计值吻合。

通过加速性能外特性、旋转惯量和最大载重等信息，可以推导出如图1-17所示的爬坡特性曲线。由于该试验为执行全油门加速到最高车速，未能分析出最高车速、持续30min最高车速、4%持续10min爬坡车速和12%持续爬坡车速等结果，只能给出这四个车速均≥120km/h的结论。建议后续标准将最高车速与全油门加速合并，便于车辆设计开发与分析验证。

滑行试验获得的道路阻力与加速度逆推惯性力之和即为驱动电机输出端外特性的估计值。推导出如图1-18所示的车速-驱动力与阻力曲线，由于力与速度的乘积为功率，所以能进一步推导出如图1-19所示的车速-驱动功率与阻力功率曲线。若该车轮胎半径为0.353m，减速器速比为11.62，则可计算出驱动电机的峰值转矩为210N·m。从图1-19中可直观获得峰值功率为130kW，越过该峰值后电机峰值功率下降较快，与电机结构设计初期定义的外特性吻合。

6.动力性其他问题讨论及测试标准建议

电动汽车动力性是车辆众多量化性能指标中最为直观、最易感知、最易精确量化的指标，但并不是完全孤立的。由以上的分析与推导可以看出，动力性经济性与道路阻力、热管理性能等密不可分。支撑整车动力性的主要零部件性能包括轮胎抓地力、驱动电机外特性、动力蓄电池持续放电性能等。

（1）配重与道路阻力问题

车辆的配重与道路滑行阻力分析相关，可间接获得验证车辆动力源是否达成相关指标的结论。因此，在做加速、爬坡、最高车速测试时，应尽量选择与实际道路阻力滑行试验中的配重相吻合。由于爬坡性能大家习惯上不能接受，且受配重影响极大，建议过渡性地保留满载爬坡的指标，是否会引起相关强制标准引用结论的修订需要再探讨。在GB/T 28382—2012《纯电动乘用车 技术条件》中，要求车辆最大爬坡度≥15%，但实际上爬坡性能与加速性能线性相关度极高，废除满载爬坡指标，仅提供标准载荷爬坡性能也是一个较优的备选方案。在实际测试中，最大爬坡度法规要求≥15%，这是满足大部分道路爬坡性能的基本要求，而坡度高于50%以上的路面较少，建议当最大爬坡度≤15%或≥50%时，爬坡性能直接按此结论给出；当15%≤最大爬坡度≤50%时，量化给出。

（2）旋转部件惯量问题

车辆的旋转部件主要有车轮总成、制动盘、传动轴、减速器齿轮与轴系、电机转子等，其中车轮总成旋转惯量占比较大。乘用车的旋转部件惯量等效到轮边当量惯量通常在40～120kg的范围内，因此在滑行试验中的分析、在底盘测功机上的模拟，均需要考虑旋转部件惯量。两驱底盘测功机的当量惯量需要加上测试过程中固定不动的旋转部件当量惯量，由加速特性推导爬坡特性、由加速特性推导驱动电机外特性时，均需要该值。现有标准中测试过程仅对车辆配重有要求，建议增加试验前旋转部件惯量的确认。

（3）热管理

驱动系统的极限工况是车辆热管理设计与验证的重要参考。目前针对纯电动汽车的整车热管理工况验证标准并不成熟，但热管理对动力性标准的引用与动力性标准对经济性标准的引用类似，尽量确定相同的工况，在零部件选型、整车性能验证对比上，都可以有比较简洁的对应关系。

（4）车载传感器

根据GB/T 18386.1—2021标准，在汽车制造厂提供车载REESS的电压、电流传感器采集精度证明以后，允许在测试过程中使用车载传感器进行分析相关结论。中国汽研新能源汽车评价规程（CEVE）采用了车载传感器的结果，通过云平台进行能耗与续航分析。这开了一个极好的先例，因为基于卫星信号的速度采集并不是最可靠的，车辆在底盘测功机上经过标定后，其速度信号的精度有可能高于卫星速度信号的精度。

（5）电机匹配问题

驱动电机是影响整车动力性最关键的系统部件。通过整车动力性性能测试，可逆推驱动电机性能。尤其是持续工况的验证，对电机选型与匹配有重要的指导性意义。电机设置时通常不能与里程相对应，相同的电机配置到不同的车上，也较难确定在某工况下持续行驶里程与电机特性的对应关系。因此建议标准修订时全部切换为持续时间，仅保留30s外特性持续时间、10min热管理爬坡车速持续时间、30min最高车速持续时间三种外特性。而与动力相关的电机参数可进一步精简为如下几个：峰值转速、峰值转矩、峰值功率、堵转转矩、10min持续峰值功率下降率、30min持续峰值功率下降率等6个。

（6）电池匹配问题

动力蓄电池作为动力源头，其持续放电性能对驱动电机的性能发挥起到支撑作用。在当前技术条件下，电动汽车动力蓄电池SOC较低的时候，会限制电机功率输出，以防止动力蓄电池过放导致损坏，这也是电动汽车与燃油车动力性表现的差异之一。动力蓄电池充放电限功率特性是逐渐过渡的过程，当低到一定极限时，便无法支撑驱动电机峰值功率。因此，标准应当对测试的车辆SOC区间做适当定义。增程式电动汽车与纯电动汽车电池配电量通常有较大差距，相同车型增程式电动汽车电池配电量比纯电动汽车小。建议标准这样定义SOC限值：纯电动汽车加速性能测试时SOC≤40%，增程式电动汽车动力性测试时SOC≤60%，等速30min最高车速与爬坡车速测试时不设置SOC限值。整车标准的规范有利于动力蓄电池选型规范，有利于电池性能与整车性能匹配评价。

（7）打滑问题

电动汽车起步转矩大，达成相同0—100km/h加速指标的条件下，比燃油车更容易引起打滑。随着能耗标准越来越高，低滚阻轮胎必然是发展趋势，然而通常更低的滚阻系数意味着更弱的抓地性能，未来车辆的打滑问题将会越来越凸显，这也是仿真分析和实测过程的峰值加速度分析的重要参考。

（8）各指标相关关系

由以上分析可知，汽车各项动力性指标各有侧重，但是相关度较大。功率密度与最大加速度是描述汽车运动性能的基础指标，但在应用场景上并不直观。常用的定义是0—50km/h加速时间、0—100km/h加速时间、最大爬坡度、最大起步爬坡度、最高车速、30min最高车速、4%行驶1km爬坡车速和12%行驶1km爬坡车速等8个指标。由加速曲线和部分已知数据可以推导出后续结论，将最高车速的测试与加速时间的测试合为一个测试项目，可以获得不同维度的结果。为了缩短测试时间，应当精简测试项目，沿用GB/T 18386.1—2021的思路，实测能耗并推导续航。同理，建议爬坡车速和最大爬坡度允许理论推导。坡道起步性能需要实测，主要是堵转转矩的确认。4%爬坡车速、12%爬坡车速和30min最高车速可仅选择一个在底盘测功机上测试，放到热管理相关的试验中验证。

综上分析，电动汽车动力性指标的设置需要兼顾多个维度，包括用户使用感受、应用场景、设计与试验验证的便利性等。合理而明确地定义好相关指标，才能便于各汽车制造商横向对比与分析优化，更客观合理地提供给用户量化参数。将分析方法与测试方法结合，提出规范的测试标准，才能更有利于不同厂家之间在新的平台竞争。 kbt/tFtGpeTE5tVTUEe2d4inHD3kflU+QT4xARrdC/zj2CMizXA7v8WKYx8NZfGO