京津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況研究*

張樹培 黃 璇 王國林 李孟良 張瑋

（1.江蘇大學(xué)；2.中國汽車技術(shù)研究中心）

1 前言

目前針對(duì)傳統(tǒng)車型的模態(tài)工況主要有歐洲NEDC模態(tài)工況、日本10-15模態(tài)工況[1,2]，這些工況主要用于汽車排放法規(guī)的制定、新車型的設(shè)計(jì)開發(fā)、污染物排放評(píng)估以及特定區(qū)域的燃油消耗量測(cè)量等[3,4]。針對(duì)再生制動(dòng)，國際上還沒有一套公認(rèn)的模態(tài)工況，再生制動(dòng)的研究和測(cè)試主要采用歐洲NEDC模態(tài)工況來代替，因此有必要制定出一套針對(duì)我國道路情況的應(yīng)用于再生制動(dòng)研究和檢測(cè)的模態(tài)工況。

參考?xì)W洲NEDC工況、日本10-15工況及相關(guān)模態(tài)工況的制定方法，本文提出了一種基于多元統(tǒng)計(jì)學(xué)概率分布理論的模態(tài)工況制定方法，對(duì)北京和天津的道路工況數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與處理，建立了北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況，并且對(duì)所建立的模態(tài)工況有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 道路工況數(shù)據(jù)采集及特性參數(shù)分析

2.1 道路工況數(shù)據(jù)采集

為了獲取能夠反映實(shí)際道路運(yùn)行狀況的道路工況數(shù)據(jù)，對(duì)北京和天津的道路與交通狀況進(jìn)行調(diào)研，設(shè)計(jì)具體的試驗(yàn)路線并安裝車速傳感器，最后采用混合動(dòng)力轎車在北京和天津按照指定的路線進(jìn)行車速-時(shí)間數(shù)據(jù)采集。其中，包括14個(gè)工作日、6個(gè)休息日，每個(gè)工作日及休息日包括早、中、晚不同時(shí)間段且道路流量在高峰、中等或低峰不同時(shí)期的數(shù)據(jù)。車型參數(shù)如表1所示。

表1 車型參數(shù)

2.2 特性參數(shù)分析

對(duì)北京和天津道路工況數(shù)據(jù)的特性參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 道路工況數(shù)據(jù)特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 再生制動(dòng)模態(tài)工況參數(shù)及統(tǒng)計(jì)分析

3.1 再生制動(dòng)模態(tài)工況參數(shù)確定

當(dāng)裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)裝置的車輛制動(dòng)時(shí)，整車動(dòng)能除了一部分在制動(dòng)過程中克服輪胎滾動(dòng)阻力和空氣阻力消耗外，其余能量由制動(dòng)系統(tǒng)消耗轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。再生制動(dòng)時(shí)的能量平衡方程[5]為：

式中，Ef為制動(dòng)過程中克服滾動(dòng)阻力消耗的能量；Ew為制動(dòng)過程中克服空氣阻力消耗的能量；Eb為制動(dòng)系統(tǒng)消耗的能量，即制動(dòng)能量；Ez為整車動(dòng)能；m為整車質(zhì)量；v0為制動(dòng)初速度；v1為制動(dòng)末速度；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

理想狀態(tài)下，制動(dòng)能量可以通過傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)傳遞和轉(zhuǎn)換后變成電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)能裝置中被回收利用。為了定量分析制動(dòng)過程中整車動(dòng)能與制動(dòng)能量的關(guān)系，引入一個(gè)新的參數(shù)——能量可利用率ηr，其定義為：

再生制動(dòng)模態(tài)工況應(yīng)與道路工況特性參數(shù)具有較高的相關(guān)性，且應(yīng)與道路工況的再生制動(dòng)能量回饋效果相似。因此，確定再生制動(dòng)模態(tài)工況參數(shù)為制動(dòng)初速度、制動(dòng)減速度、能量可利用率。

3.2 再生制動(dòng)模態(tài)工況參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

參考車型參數(shù)，對(duì)北京和天津再生制動(dòng)模態(tài)工況參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如下：制動(dòng)初速度主要分布于15～80 km/h，其中有4～5個(gè)峰值分布段，如圖1所示；制動(dòng)減速度主要分布于0.2～1.0 m/s2，且在區(qū)間[0.2，1.0]上遞減；能量可利用率主要分布于0.5～0.8。

4 再生制動(dòng)模態(tài)工況制定方法

針對(duì)再生制動(dòng)的特點(diǎn)，城市再生制動(dòng)模態(tài)工況具體制定步驟如下。

4.1 制動(dòng)初速度峰值區(qū)間及再生制動(dòng)模態(tài)工況的預(yù)選制動(dòng)初確定

為了反映城市道路制動(dòng)過程的分布特性，確定的制動(dòng)初速度峰值區(qū)間應(yīng)是道路工況制動(dòng)初速度分布相對(duì)集中的區(qū)域，選取的再生制動(dòng)模態(tài)工況預(yù)選制動(dòng)初速度是道路制動(dòng)頻率較高的初速度點(diǎn)，且能夠覆蓋道路工況制動(dòng)初速度的主要分布范圍。

根據(jù)圖1可確定較明顯且分布相對(duì)集中的峰值區(qū)間為[10,20]、[22,32]、[40,50]、[60,70]和[75,85]，擬定5個(gè)峰值區(qū)間內(nèi)的峰值點(diǎn)15 km/h、30 km/h、45 km/h、66 km/h、80 km/h為北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況的預(yù)選制動(dòng)初速度。

4.2 短行程篩選與分類

考慮到模態(tài)工況的可操作性，以及便于道路測(cè)試和復(fù)測(cè)良好的重復(fù)性，最終形成的模態(tài)工況應(yīng)是形態(tài)規(guī)則、外形簡單、每個(gè)工況單元為一短行程（相鄰兩個(gè)停車點(diǎn)之間的汽車行駛過程，由一個(gè)怠速部分和一個(gè)行駛部分構(gòu)成），從而降低駕駛員操作誤差。結(jié)合模態(tài)工況的特點(diǎn)，對(duì)道路工況數(shù)據(jù)進(jìn)行短行程篩選與分類。

根據(jù)短行程定義，從道路工況數(shù)據(jù)中篩選出905個(gè)短行程。以短行程最高制動(dòng)初速度為篩選條件，將短行程按照制動(dòng)初速度的5個(gè)峰值區(qū)間進(jìn)行分類。表3是篩選的道路工況中短行程最高制動(dòng)初速度在5個(gè)峰值區(qū)間內(nèi)的短行程數(shù)。

表3 峰值區(qū)間段內(nèi)短行程篩選結(jié)果

4.3 各峰值區(qū)間內(nèi)短行程的制動(dòng)減速度-能量可利用率聯(lián)合分布統(tǒng)計(jì)

分別統(tǒng)計(jì)道路工況中最高制動(dòng)初速度在5個(gè)峰值區(qū)間內(nèi)所有短行程的制動(dòng)減速度-能量可利用率聯(lián)合分布圖。峰值區(qū)間[22,32]內(nèi)159個(gè)短行程的制動(dòng)減速度-能量可利用率聯(lián)合分布圖如圖2所示。

4.4 各峰值區(qū)間內(nèi)短行程的制動(dòng)減速度－能量可利用率聯(lián)合概率峰值點(diǎn)選取

在5個(gè)峰值區(qū)間內(nèi)的制動(dòng)減速度-能量可利用率聯(lián)合分布圖中選取峰值點(diǎn)組，峰值點(diǎn)組的選取應(yīng)滿足：峰值點(diǎn)組數(shù)不小于2種；峰值點(diǎn)組制動(dòng)減速度均值與區(qū)間內(nèi)所有短行程平均制動(dòng)減速度的偏差較小；峰值點(diǎn)組能量可利用率均值與區(qū)間段內(nèi)所有短行程平均能量可利用率的偏差較小。

4.5 再生制動(dòng)模態(tài)工況預(yù)選制動(dòng)初速度下的制動(dòng)減速度組確定

由步驟d中選取的5個(gè)峰值區(qū)間內(nèi)制動(dòng)減速度－能量可利用率聯(lián)合分布峰值點(diǎn)組，確定再生制動(dòng)模態(tài)工況5個(gè)預(yù)選制動(dòng)初速度下的制動(dòng)減速度組。例如選取的峰值區(qū)間[22,32]內(nèi)的制動(dòng)減速度－能量可利用率聯(lián)合分布峰值點(diǎn)組為[-0.4,0.575]、[-0.5,0.625]、[-0.6,0.725]、[-0.7,0.775]、[-0.9,0.825]， 則將峰值區(qū)間[22,32]內(nèi)的制動(dòng)減速度組-0.4 m/s2、-0.5 m/s2、-0.6 m/s2、-0.7m/s2、-0.9 m/s2擬定為其對(duì)應(yīng)的預(yù)選制動(dòng)初速度27 km/h下的制動(dòng)減速度組。

4.6 再生制動(dòng)模態(tài)工況加速工況參數(shù)確定

再生制動(dòng)模態(tài)工況主要針對(duì)制動(dòng)工況，無需考慮怠速工況與勻速工況，只需確定加速工況參數(shù)與制動(dòng)工況進(jìn)行匹配即可，為此選取北京和天津道路工況平均加速度0.5 m/s2作為北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況加速度。

4.7 再生制動(dòng)模態(tài)工況合成

根據(jù)確定的再生制動(dòng)模態(tài)工況預(yù)選制動(dòng)初速度與其對(duì)應(yīng)的制動(dòng)減速度組以及加速工況參數(shù)，進(jìn)行再生制動(dòng)模態(tài)工況的合成，合成后的北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況如圖3所示。合成后，北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況總運(yùn)行時(shí)間為951 s，行駛路程為6.43 km，平均速度為24.23 km/h，最高車速為80 km/h，平均加速度為0.5 m/s2，平均減速度為 0.556 m/s2。

5 模態(tài)工況的有效性驗(yàn)證

5.1 相關(guān)性分析

再生制動(dòng)模態(tài)工況主要是為了反映道路的制動(dòng)狀況，確定的相關(guān)性參數(shù)包括平均速度、平均制動(dòng)初速度、平均減速度、減速度標(biāo)準(zhǔn)偏差、減速時(shí)間比例、制動(dòng)初速度分布比例等19項(xiàng)參數(shù)[7]，基本包含了所有與制動(dòng)相關(guān)的參數(shù)。

根據(jù)相關(guān)性分析可知,北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況和實(shí)際道路工況19項(xiàng)特性參數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.987＞0.95，具有較高的相關(guān)性。

5.2 基于Advisor再生制動(dòng)模態(tài)工況與實(shí)際道路工況下再生效果仿真的相似性分析

5.2.1 仿真思路的構(gòu)建

為了檢驗(yàn)北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況與實(shí)際道路工況再生制動(dòng)回饋效果的相似性，從而驗(yàn)證所建立模態(tài)工況的有效性，從北京和天津?qū)嶋H道路工況速度－時(shí)間數(shù)據(jù)中隨機(jī)篩選出一系列典型的數(shù)據(jù)片段，每個(gè)數(shù)據(jù)片段是從起動(dòng)到停車運(yùn)行時(shí)間較長的速度－時(shí)間段，將這些數(shù)據(jù)片段和所建立的北京與天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況、NEDC工況分別導(dǎo)入到Advisor軟件中，采用相同的仿真模型進(jìn)行基于實(shí)際道路工況和北京與天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況下再生制動(dòng)回饋效果的仿真，通過仿真結(jié)果對(duì)比來對(duì)北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況與實(shí)際道路工況再生制動(dòng)回饋效果的相似性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.2.2 再生制動(dòng)回饋效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

選用回饋率作為再生制動(dòng)回饋效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]?；仞伮适侵钢苿?dòng)過程中回饋能量與制動(dòng)能量的比值，其計(jì)算公式如下：

式中，Er為制動(dòng)過程中回饋能量。

5.2.3 仿真結(jié)果分析

北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況的回饋能量和制動(dòng)能量仿真結(jié)果如表4所示。

表4 回饋能量和制動(dòng)能量計(jì)算結(jié)果 kJ

北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況的回饋率仿真結(jié)果如表5所示。

表5 回饋率結(jié)果 %

從北京和天津?qū)嶋H道路工況速度－時(shí)間數(shù)據(jù)中隨機(jī)篩選出了93個(gè)典型數(shù)據(jù)段，基本涵蓋了所有北京和天津?qū)嶋H道路工況數(shù)據(jù)，且每個(gè)數(shù)據(jù)段是從起動(dòng)到停車運(yùn)行時(shí)間較長的速度－時(shí)間數(shù)據(jù)片段。從表5可以看出，93個(gè)速度－時(shí)間數(shù)據(jù)段再生制動(dòng)回饋效果仿真的平均回饋率為30.5%，在同一仿真平臺(tái)下，北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況回饋率與93個(gè)實(shí)車數(shù)據(jù)片段平均回饋率偏差為2.75%＜10%,誤差在允許范圍內(nèi)，而NEDC工況與實(shí)車數(shù)據(jù)片段偏差為30.88%，即北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況與實(shí)際道路工況回饋效果相似性較高，所建立的北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況與NEDC工況相比，城市再生制動(dòng)工況效果更為準(zhǔn)確，更適用于評(píng)價(jià)再生制動(dòng)效果。

6 結(jié)束語

所建北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況與實(shí)際道路工況的特性參數(shù)相關(guān)性較高，在同一仿真平臺(tái)下，與實(shí)際道路工況再生制動(dòng)回饋效果的相似性較高。通過驗(yàn)證北京和天津城市再生制動(dòng)模態(tài)工況的有效性，從而檢驗(yàn)了城市再生制動(dòng)模態(tài)工況制定方法的可行性與合理性，對(duì)于其他城市乃至全國城市再生制動(dòng)模態(tài)工況的制定具有參考價(jià)值。

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