陈福震 马海峰 孙立志 孙跃辉
吉利汽车研究院（宁波）有限公司 浙江省宁波市 315300
根据新能源正积分可抵消平均燃油消耗负积分的规则，2020年，中国乘用车市场“双积分”存在-338万分的缺口。而据兴业证券发布的研报显示，当前新能源积分交易价格已从最初的300～500元/分上涨到2500～3000元/分，达到近10倍的增长速度。近日，有媒体爆出一汽-大众将从特斯拉购买碳积分的消息，出价约为每个积分3000元人民币，以帮助其满足环保规定。
面对日趋严格的双积分政策，降低油耗/电耗已成为各车企的不二选择。基于以往数据研究表明，轮胎滚动阻力造成的燃料消耗占总消耗量的14%～20%。此外，在当前纯电动车的研发难点普遍集中在续航里程的提升上，而一时间受困于成本压力又找不到特别行之有效的解决方法时，针对纯电动车型采用更低滚阻轮胎成为提升电动车续航里程一个简单直接的手段。
为应对整车厂通过使用低滚阻轮胎，实现降低油耗，增加续航里程的要求，各轮胎供应商正在着力布局未来轮胎低滚阻规划。如某品牌轮胎，规划在2022年底，实现5.5‰的低滚阻轮胎，在2024年底，达成5‰的目标，同时保证其他性能。相较于当前市场普遍7‰左右的滚阻，有较大提升。
图1 某品牌轮胎滚阻现状及规划
3.1 低滚阻对于滑行阻力的影响（乘用车子午线轮胎）
通常我们用整车滑行阻力，代表汽车行驶需克服阻力的大小。汽车行驶阻力一般包括轮胎阻力（摩擦力）、卡钳拖滞力、传动系统阻力、空气阻力等。基于研究表明，在中低车速下，汽车的油耗电耗有70%-80%用来克服轮胎滚动阻力，而在高车速情况下，风阻成为了影响阻力的又一关键因素。
乘用车滑行阻力中滚动阻力参考如下公式：
P：胎压，单位：kPa
α：滚动阻力胎压修正系数，参考值：-0.485386
β：正压力修正系数，参考值：1.1001
M：测试质量；
单位Kg
a：滚动阻力修正系数，参考值：0.0286276
b：滚 动 阻 力 修 正 系 数，参 考 值：9.52476E-05
c：滚 动 阻 力 修 正 系 数，参 考 值：-8.7253E-08
V：车速，单位：km/h
如图2所示：横向看来，随着车辆整备质量的增加，车辆滑行时的平均阻力也随之增加，对应的整车油耗、电耗亦增加；
纵向看来，相同整备质量的车辆，在10-120km/h车速下的平均阻力随着轮胎滚动阻力的增加而增加，轮胎滚动阻力系数每降低0.5‰，阻力约下降10N。
图2 平均阻力随车重变化和滚阻差异的变化(10-120km/h)
图3为某一车辆（1750Kg级别的SUV）在不同车速及不同轮胎滚阻条件下，车辆实际的滑行阻力曲线。可以看出，随着车速增加，行驶阻力逐渐加大，同时，车速越高，行驶阻力的增加更快，主要为风阻影响；
也再次证明，滚阻降低，整车整体阻力呈现下降趋势。
图3 行驶阻力随车速及滚阻变化趋势（10-120km/h）
3.2 低滚阻轮胎对乘用车的油耗影响（以某1750kg级别SUV为例，对比滚阻6.3‰和6.8‰）
3.2.1 低滚阻对于汽油车/混动车的油耗影响（WLTC）
如图4所示，为某车型分别使用滚阻6.3‰和6.8‰滚阻的轮胎，进行WLTC循环工况转毂测试，实际测得的轮端驱动能量对比。
图4 WLTC循环工况驱动能量对比
可以看出，同一车辆只更换不同滚阻轮胎：6.3‰轮胎滚阻对应的整车驱动能量需求为4.136kWh，而6.8‰轮胎滚阻对应的整车驱动能量需求为4.191kWh。故轮胎滚动阻力系数降低0.5‰，轮端能量需求可以降低0.055kWh；
基于此，对于传统燃油车及混合动力车型，下降0.5‰的轮胎滚阻在WLTC循环中的节油贡献：
（1）当发动机平均效率为36%（传统燃油车）：WLTC循环工况节油=驱动能量/转化系数/发动机循环平均效率*100/循环里 程=0.055/8.6/0.36*100/23.7=0.075L/100km
（2）当发动机平均效率为40%（混合动力车）：WLTC工况节油=驱动能量/转化系数/发动机循环平均效率*100/循环里程=0.055/8.6/0.4*100/23.7=0.067L/100km
计算公式：油耗（L/100km）=驱动能量/转化系数/发动机循环平均效率★100/循环里程（WLTC：23.7Km）
转化系数=汽油热值（KJ/Kg）★密度（g/ml）/3600（kWh/KJ）=8.6
基于以上计算，轮胎滚阻从6.8‰降低到6.3‰，对传统燃油车，WLTC循环工况可降低油耗0.075L/100Km，对于HEV等热效率较高的车型，可降低油耗0.067L/100Km。
3.2.2 轮胎滚阻对插电混合动力车及纯电动车的电耗影响（WLTP）
使用相同测试方法，在某车辆上更换不同滚阻的轮胎，6.3‰滚阻对应的整车循环能量需求为3.776kWh；
6.8‰滚阻对应的整车循环能量需求为3.857kWh；
故可计算循环电耗如下：
6.3‰滚阻对应的电耗＝能量/电驱系统循环平均效率（0.7～0.85）*100/循环里程（23.7）＝18.74 kWh/100km；
6.8‰滚阻对应的电耗＝能量/电驱系统循环平均效率（0.7～0.85）*100/循环里程（23.7）＝19.15 kWh/100km；
经验计算公式：电耗（Kwh/100km）=能量/电驱系统循环平均效率（0.7～0.85）*100/循环里程
若电池可用电量为100kWh，则对应增加续航里程为
4.1 轮胎性能目标定义
考虑汽车轮胎影响车辆的多个性能，如动力性、经济性、操控稳定性、舒适性、制动性能、耐磨、抗冲击等。降低轮胎滚阻，将会导致其他性能的降低，但是随着技术的升级，新轮胎材料及花纹的应用，性能降低量会逐渐减小，直到达到或者超越原始轮胎性能。
基于市场定位及客户可感知度，在保证耐磨及抗冲击性能的前提下，针对其他性能，滚阻为必须保证项，NVH及舒适性为客户易于感知项，且容易产生抱怨，应优先保障；
操控为非常用工况且一般客户较难感受差异，但是对紧急情况及敏感客户又有价值，可优先级略靠后；
制动距离需保证在一定安全范围内必须达成，考虑标杆胎制动水平较好，距离安全范围有一定预留，故制动可适量放宽；
动力性同时收到动力性能能力，在输出扭矩不超越轮胎打滑极限时，可不做考虑。
基于以上分析，排除a.必须保证性能项-耐磨及抗冲击性能，b.不需考虑性能-动力性后，轮胎性能优先级排序：滚阻＞NVH=舒适性＞操控＞制动。故低滚阻轮胎需重点保证滚阻、NVH及舒适性。考虑标杆胎性能水平及市场反馈，兼顾低滚阻轮胎可达成情况，初步定义轮胎性能目标按照参考胎水平设定，同时，基于性能优先级，在调校过程中，重点保证高关注项目。
表1 轮胎调校性能目标
4.2 低滚阻轮胎性能调教与平衡
首轮样件，轮胎使用低滚阻配方，提供AB两个方案，A方案轮胎滚阻达到了5.9‰，B方案轮胎滚阻6.1‰。舒适性上两方案对比，B方案同A方案相比，柔和感、包覆感、触感稍微更好，车辆更舒适，余振稍微偏多，但是整体感觉非常接近。在操控方面，B方案的附着力稍好于A方案，响应两者基本相当，极限操控B方案稍好。与标杆胎对比，A方案操控有0.5分差距，平顺性有0.5分差距，柔和感、隔离感接近，主要是弹跳和余振控制不足。B方案操控与标杆胎有0.5分差距，平顺性有0.25分差距。就噪声而言，A方案不可行，粗糙路面的空腔音（200-250Hz）无法接受；
B方案，路噪总值噪声高出0.8dB左右，空腔音及水泥刻槽路面啸叫音需要继续优化。A方案及B方案制动经测试均满足整车性能目标＜38m的要求。
综合此轮调校结果，要求下轮样胎放开滚阻到6.3‰，同时通过轮胎内层厚度增加，冠带密度增加，三角胶高度降低等方案，重点优化平顺性及NVH，提升操控性能。
第二轮调校，供应商将轮胎滚阻控制在6.4‰以内，各项性能同首轮样胎相比已经有较大提升，二轮A方案平顺性水平已同标杆胎一致，操控性能略低于标杆胎0.25分，NVH整体性能较标杆胎差异小于0.25分，其中200-250Hz空腔音甚至优于标杆胎0.6dB。
通过此轮调校及评价测试，A方案各项性能距离目标差异较小，评估针对薄弱项目还有可优化空间，故锁定方案A，并在A方案的基础上略微降低滚阻，继续优化操控并提升NVH性能。
4.3 性能验收
进入性能验收阶段，并结合前两轮开发结果及优化措施，最终确定量产低滚阻轮胎性能参数：
表2 首轮调校性能结果
在最终锁定轮胎方案中，操控无法再进一步提升，与标杆胎始终有0.25分的差异，虽然后续又针对性进行了优化，但是会导致其他性能降低或者滚阻上升。考虑性能优先级，且主要问题为极限操控下的轮胎侧滑增加，为客户的非常用工况，故认可此偏差。
从原理上看，轮胎滚动阻力降低，则地面与轮胎的附着系数降低，进而导致轮胎与地面的附着力降低，而轮胎附着力影响着车辆操控时的横向及纵向滑移控制，制动时的摩擦力，加速时候的打滑等。虽然通过轮胎优化能够有一些附着力提升的方案，但是仍旧会有差异。
本文通过低滚阻轮胎的阻力差异，进行了驱动能量差异的测试，并最终据此计算出滚阻降低对车辆油耗电耗的收益：车速120km/h，轮胎滚动阻力每降低0.5‰，行驶阻力下降约10N；
同时，对传统燃油车，WLTC循环工况每100km可降低油耗0.075L；
对于纯电车辆，轮胎滚阻降低0.5‰，可增加续航里程11.4Km。
在低滚阻轮胎调校过程中，需要特别注意的是滚阻降低，带来的其他性能的降低，特别是和附着力相关的性能，只有做到充分平衡，多次优化，最终才能得到相对较好的结果。低滚阻轮胎更适用于对油耗、电耗敏感的经济型车辆，对整车碳排放降低有贡献。但若是性能车，更加关注车辆的操控、制动、加速性能，就不推荐使用低滚阻轮胎了，这时候保证轮胎附着力是最关键的。
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