基于等效能耗的汽車行駛工況重構(gòu)算法研究

龔春忠 張洪雷

摘? 要：汽車行駛工況對(duì)汽車的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性參數(shù)的設(shè)計(jì)開發(fā)有重要的參考意義。不同工況對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程有非常顯著的影響。本文通過研究汽車實(shí)際道路行駛工況，依據(jù)等效能耗的原則，通過工況重構(gòu)算法快速精確地生成等效工況。該技術(shù)可應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的個(gè)性化動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與個(gè)性化續(xù)駛里程預(yù)測功能中。

關(guān)鍵詞：汽車行駛工況;等效能耗;工況重構(gòu)算法

中圖分類號(hào)：U461.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2018）06-0031-04

Research on reconstruction algorithm of vehicle driving condition based on equivalent energy consumption

GONG Chun-zhong， ZHANG Hong-lei

（ Zhejiang Hozon New Energy Automobile Co.， Ltd. trial

production test department， Jiaxing， Zhejiang 314000， China ）

Abstract： The driving condition of the car has important reference significance for the design and development of the dynamic economic parameters of the automobile. Different working conditions have a very significant impact on the driving mileage of electric vehicles. In this paper， by studying the actual driving conditions of the vehicle， the equivalent energy consumption and principle are used to generate the equivalent working condition quickly and accurately through the working condition reconstruction algorithm. This technique can be applied to the intelligent network in automobile power system design personalized and personalized mileage prediction function.

汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要給定用戶的典型工況，作為設(shè)計(jì)的輸入[1]。但是，世界各地區(qū)在選擇何種工況作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)有一定的差異。我國采用與歐標(biāo)相同的NEDC工況[2]。而動(dòng)力系統(tǒng)的匹配效率、汽車能耗的設(shè)計(jì)，均與工況有關(guān)。如果工況選擇不合理，將會(huì)造成匹配工作與實(shí)際情況存在較大偏差。在互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)時(shí)代，客戶駕駛工況的提取數(shù)據(jù)量將變得巨大而全面，如何使用一種有效的算法將實(shí)際行駛路況數(shù)據(jù)重構(gòu)成典型工況，是一個(gè)具有深刻意義的研究課題。

為了研究不同城市的工況特點(diǎn)，文獻(xiàn)[3]使用極大似然估計(jì)法與馬爾可夫鏈相結(jié)合的方法構(gòu)建工況，文獻(xiàn)[4]采用離散小波變換的多分辨信號(hào)分解算法對(duì)汽車行駛工況進(jìn)行構(gòu)建，文獻(xiàn)[5]采用主成分分析法對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)片段進(jìn)行降維處理，接著利用K 均值聚類技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分類，是一種典型的統(tǒng)計(jì)構(gòu)建道路工況的方法。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的發(fā)展，收集與統(tǒng)計(jì)大量汽車的實(shí)際行駛工況變?yōu)楹唵我仔械墓ぷ鱗6]，基于大數(shù)據(jù)的分析可以快速逆向生成工況[7]。本文通過汽車路試采集路況數(shù)據(jù)，使用等效能耗的方法，構(gòu)建與實(shí)際工況近似的等效工況。

1? ? 汽車實(shí)路工況獲取

汽車實(shí)路工況是指在實(shí)際道路上行駛的t-v曲線。通常，不同的城市，不同的路段，甚至不同的駕駛員，都有各自獨(dú)特的實(shí)路工況。汽車制造商獲取實(shí)路工況的方法通常有試驗(yàn)法和用戶數(shù)據(jù)采集方法。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，汽車制造商將以試驗(yàn)為主要途徑的工況逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)閺挠脩籼帿@取信息為主要途徑。

本文主要研究的工況構(gòu)建算法，在應(yīng)用上與大數(shù)據(jù)技術(shù)一起完成，但開發(fā)與測試時(shí)，數(shù)據(jù)的獲取是通過試驗(yàn)獲得。浙江合眾新能源汽車有限公司EP10車型，在浙江省桐鄉(xiāng)市二環(huán)路做耐久試驗(yàn)的過程中，使用V-Box采集了t-v數(shù)據(jù)。如圖1所示：

2? ? 概率密度普與工況構(gòu)建

不同的行駛工況對(duì)應(yīng)汽車不同的能量消耗率，電動(dòng)汽車通常用百公里耗電量來描述。電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程及能量消耗率是制約電動(dòng)汽車發(fā)展最關(guān)鍵的參數(shù)。本文提出的汽車工況重構(gòu)法，是以汽車行駛實(shí)際工況為原始數(shù)據(jù)，首先，根據(jù)v-a概率密度譜，獲取汽車實(shí)際工況下在不同的車速、加速度性能下的工況分布情況;其次，將工況密度網(wǎng)格化，近似成勻加速、勻減速、勻速等方格區(qū)域;接著，使用勻加速、勻減速原理，獲取汽車在車速不為0，加速度不為0的情況下各工況的加減速時(shí)間矩陣;然后，將概率密度矩陣與減速時(shí)間矩陣相除，通過修整與補(bǔ)正原理，獲取加減速段的段數(shù);最后，通過修整后的段數(shù)矩陣，逆向構(gòu)建出適合于試驗(yàn)使用的NEDC工況循環(huán)。

2.1? ?v-a概率密度譜

如果車上有加速度傳感器，則直接讀取加速度傳感器的值，可以獲得更精確結(jié)果。如果沒有加速度傳感器，則將采集到的t-v曲線做濾波處理，濾波處理后再通過數(shù)值微分獲得加速度a。（v，a）點(diǎn)對(duì)的分布，將直接影響電機(jī)的工作區(qū)域。因此，將該采樣中的（v，a）點(diǎn)對(duì)做統(tǒng)計(jì)分析，得到如圖2所示的v-a概率密度譜。

圖中 ，將（v-a）分割為一個(gè)矩陣，加速度范圍為-6.5m/s2～6.5m/s2，速度范圍為0～125km/h。速度統(tǒng)計(jì)分組間隔10km/h，加速度統(tǒng)計(jì)分組間隔1m/s2，獲得矩陣Z。

2.2? ?v-a概率密度譜

矩陣Z中的各網(wǎng)格v-a區(qū)間數(shù)量即為汽車在該區(qū)域的工作時(shí)長。如果將汽車的工作狀態(tài)從網(wǎng)格的左端勻加速運(yùn)動(dòng)到右端，則計(jì)算出經(jīng)過一次該區(qū)域的時(shí)間。其中，加速度為0時(shí)，其通過時(shí)間不

使用該方法計(jì)算。

對(duì)于勻速段間隔時(shí)間均為10km/h，則該時(shí)間僅與加速度相關(guān)。各加速度對(duì)應(yīng)的通過時(shí)間如表1所示：

2.3? ?v-a段數(shù)矩陣構(gòu)建

當(dāng)v≠0且a≠0時(shí)，汽車通過某段區(qū)間的總時(shí)間除以通過一次該區(qū)段所需要的時(shí)間，即可獲得該區(qū)域段數(shù)。當(dāng)v=0或a=0時(shí)，不可通過分段法獲得。計(jì)算的段數(shù)通過四舍五入，可以獲得段數(shù)矩陣Zn。

通過矩陣Zn構(gòu)建工況，需要Zn矩陣具備如下特點(diǎn)：在每個(gè)車速下，均滿足a>0時(shí)的段數(shù)與a<0時(shí)的段數(shù)相等。這樣才能構(gòu)建一起一落的車輛狀態(tài)。而因?yàn)閆n是通過四舍五入獲取的整數(shù)值，因此存在不對(duì)稱的可能。為了令其對(duì)稱，需要將其人為補(bǔ)對(duì)稱。通過分布特點(diǎn)可知，人為靠近a=0處的加速度密度最高，最易被忽略歸入勻速段，因此補(bǔ)線段的原則是，在靠近a=0處補(bǔ)齊。配平后對(duì)稱的矩陣如下。

2.4? ?基于v-a概率密度矩陣的t-v曲線重構(gòu)

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的NEDC工況循環(huán)是20min，一個(gè)循環(huán)是10.9km，對(duì)于續(xù)駛能力限值達(dá)到150km的汽車來說，執(zhí)行13個(gè)完整循環(huán)和一個(gè)不完整循環(huán)，就

可以通過測試。而最后一個(gè)循環(huán)是否能順利通過最高車速的點(diǎn)上，工程師想盡辦法在這個(gè)問題點(diǎn)上優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車，因?yàn)槠溆绊懤m(xù)駛能力的7.7%。但如果每個(gè)循環(huán)重構(gòu)選擇時(shí)間15min，里程為8.2km，則續(xù)駛里程為150km的汽車，將執(zhí)行18個(gè)完整循環(huán)和1個(gè)不完整循環(huán)，此時(shí)影響續(xù)駛里程的情況為5.6%，較之前提高27.2%.

將矩陣Zn重新構(gòu)造后，得到如圖3所示的t-v曲線。

3? ? 等效分析

重構(gòu)的工況與原來的工況對(duì)比，是基于概率密度趨于近似而定的。理論上來說，等效工況與重構(gòu)工況有很多參數(shù)是相等的。例如：全程平均車速、停車時(shí)間占比等。但最直接描述等效工況能耗與實(shí)測工況的接近程度，是其能耗指標(biāo)，這將作為重構(gòu)工況質(zhì)量判定最重要的指標(biāo)。

3.1? ?重構(gòu)工況與實(shí)測工況v-a軌跡對(duì)比

實(shí)測工況的t-v曲線可以構(gòu)建v-a軌跡圖，重構(gòu)工況的軌跡應(yīng)接近于實(shí)測軌跡，如圖4所示：

3.2? ?重構(gòu)工況與實(shí)測工況能耗對(duì)比

根據(jù)GB/T18352-2013，汽車的道路阻力載荷可以使用查表法。這種方法規(guī)定了汽車在轉(zhuǎn)轂上測試NEDC工況的輪邊能耗。重構(gòu)工況與實(shí)測工況相比，并與實(shí)際的NEDC工況相比，其能耗對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示：

表2可知，重構(gòu)工況與實(shí)測工況相比，重構(gòu)工況能耗偏高3～4%;實(shí)測工況與標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況相比，標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況能耗偏低13%～15%。

因此，選用重構(gòu)工況比選用標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況更接近。進(jìn)一步優(yōu)化重構(gòu)工況，令其能耗接近實(shí)測工況，是下一步的工作目標(biāo)。

4? ? 結(jié) 論

目前，中國純電動(dòng)乘用車采用NEDC綜合工況作為工信部公布的各電動(dòng)汽車車型的續(xù)駛里程參考工況。其意義是：選定一種公認(rèn)的方法讓所有電動(dòng)汽車企業(yè)可以橫向比較。但是隨著地域，駕駛員路線，甚至駕駛員習(xí)慣的差異，該工況與大多數(shù)精細(xì)化需求有較大的脫節(jié)。而迎合補(bǔ)貼政策，開發(fā)設(shè)計(jì)階段并沒有依據(jù)更詳細(xì)的分析參考。選擇一種更為合理的工況工作迫在眉睫。

統(tǒng)一一種典型中國工況標(biāo)準(zhǔn)，并不是最好的選擇。汽車供應(yīng)商在應(yīng)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)能耗最優(yōu)匹配方案的時(shí)候，總會(huì)面臨一個(gè)選擇：更好地符合標(biāo)準(zhǔn)工況還是更好地適應(yīng)客戶實(shí)際工況。我建議使用雙標(biāo)準(zhǔn)制度，如同汽車道路阻力，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的當(dāng)量慣量及阻力，亦可選擇汽車制造商自己滑行實(shí)測。工況可以選擇國家標(biāo)準(zhǔn)工況，亦可選擇汽車制造商通過大數(shù)據(jù)收集而等效能耗法重構(gòu)的工況。

等效能耗工況重構(gòu)算法的優(yōu)點(diǎn)有：1、以等效能耗為目標(biāo)，針對(duì)新能源汽車目的性強(qiáng);2、使用工況重構(gòu)，周期選擇更為合理;3、借助互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)，可逐步實(shí)現(xiàn)為客戶定制化最優(yōu)能耗匹配方案;4、所重構(gòu)的工況更利于試驗(yàn)開展。該方法局限于當(dāng)前技術(shù)依然有如下缺點(diǎn)：1、該構(gòu)建法是近似等效法，與實(shí)際情況差距有待驗(yàn)證;2、沒有考慮換擋規(guī)律，對(duì)換擋工況影響有待做進(jìn)一步分析優(yōu)化，但對(duì)單速比情況無此影響;3、沒有考慮坡度譜，實(shí)測中獲取道路坡度技術(shù)尚不成熟。這將是未來改進(jìn)的方向。

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