基于西安市工況的純電動汽車仿真分析

宋偉萍 宋偉超

摘 要：文章基于聚類分析結(jié)果，使用比功率分布方法構(gòu)建出西安市2路公交線路擁堵、比較通暢、通暢三類工況和綜合行駛工況?；贑ruise搭建純電動汽車整車模型，并基于所建綜合行駛工況對純電動汽車進行仿真分析。

關(guān)鍵詞：比功率分布;行駛工況;純電動汽車;仿真

中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-08-03

Abstract： Based on the results of cluster analysis， this paper uses the method of specific power distribution to construct three kinds of working conditions and comprehensive driving conditions of Xi'an No.2 bus line congestion， relatively unobstructed and unobstructed. The whole vehicle model of pure electric vehicle is built based on cruise， and the simulation analysis of pure electric vehicle is carried out based on the built comprehensive driving condition.

Keywords： Vehicle specific power distribution; Driving cycle; Electric vehicle; Simulation

前言

汽車的瞬態(tài)行駛工況廣泛用于汽車行業(yè)內(nèi)，它可用車輛排放和油耗確定、整車及零部件參數(shù)匹配與優(yōu)化，是汽車工業(yè)一項共性的核心技術(shù)[1-3]。我國目前工況國家標準和行業(yè)標準大多參考歐洲ECE工況，但研究表明其與我國實際車輛運行情況有較大的差異，因此需要建立符合我國實際情況的工況。近年來，我國對不同城市行駛工況進行了大量研究，采用聚類分析法、馬爾科夫鏈等方法構(gòu)建了城市公交行駛工況。

另外，本文應用GPS設(shè)備，逐秒采集西安市二路公交車速度值，作為構(gòu)建行駛工況的數(shù)據(jù)庫。

1 行駛工況建立

1.1 比功率參數(shù)

比功率參數(shù)（Vehicle Specific Power， VSP）定義為車輛運輸單位質(zhì)量（包括自重、旅客和物品），發(fā)動機所輸出的瞬時功率，單位為kW/t，表征車輛克服輪胎摩擦阻力，空氣阻力及動能、勢能變化所做的功。比功率參數(shù)能夠反映車輛行駛和排放特征，將交通信息（速度、加速度）與車輛信息（車輛類型、總質(zhì)量、迎風面積等）融合在一起，可以作為工況構(gòu)建的參數(shù)。由參考文獻可知，重型車VSP計算公式如下[4-6]：

式（1）中，v代表速度，單位為m/s;a代表加速度，單位為m/s?;g為重力加速度，取9.81m/s?;s代表道路坡度，本文取0;CR代表滾動阻力系數(shù)，取0.009384;ρa代表環(huán)境空氣密度，取1.2072kg/m?;CD代表風阻系數(shù)，取0.6;A代表迎風面積，單位為m?;m為車輛總質(zhì)量，單位為kg。本文工況采集數(shù)據(jù)的二路公交車均為蘇州金龍海格KLQ混合動力公交車，其車寬2550mm，車高3120mm，故計算得迎風面積A=2.550×3.120m?=8.0m?。整車整備質(zhì)量為11125kg。經(jīng)統(tǒng)計，平均載客人數(shù)約為90人，以人均質(zhì)量65kg計算，則車輛總質(zhì)量約為m=11125+90×65kg=16975kg。

1.2 短行程劃分和聚類分析

首先進行短行程劃分，短行程指車輛的一個怠速起始點到下一個怠速起始點的過程。本文將所采集的用于工況構(gòu)建的總數(shù)據(jù)劃分為2565個短行程。區(qū)間劃分上本文用聚類分析法，聚類出了擁堵、一般和通暢三類，在這三類的基礎(chǔ)上，基于比功率分布所構(gòu)建的西安市瞬態(tài)行駛工況，更為符合西安市公交車實際行駛特征。本文將總數(shù)據(jù)聚類為三類，分別代表擁堵、一般、通暢。其中擁堵類片段數(shù)為222，類集合時間為29477s，平均車速為8.31km/h，平均運行車速為19.61km/h;一般類片段數(shù)為1730，類集合時間為99183s，平均車速為14.08km/h，平均運行車速為18.52km/h;通暢類片段數(shù)為613，類集合時間為81514s，平均車速為20.35km/h，平均運行車速為22.78km/h。

根據(jù)公式（2）（3）計算可得三類的比功率分布。

1.3 工況構(gòu)建

在上述聚類得出代表擁堵、一般、通暢三類的短行程集合后，可根據(jù)VSP分布分別從三類中選取出代表性的短行程片段，以此構(gòu)建出三類的特征工況，具體步驟如下：

1）在擁堵、一般和通暢三類集合中，分別計算其中每個短行程的比功率參數(shù)分布和該類集合的比功率參數(shù)分布。

2）計算三類中每個短行程片段與其所在類集合的比功率參數(shù)分布之間的相似程度。本文采用均方根誤差（RMSE）作為相似程度的衡量指標。均方根誤差計算公式如式（3）所示。

式（4）中，i代表VSP區(qū)間編號，取值為[-25，25]范圍內(nèi)的整數(shù);Bins，i代表某類短行程樣本集合里編號為i的VSP區(qū)間時間分布比例;Binmic，i代表單個短行程中編號為i的VSP區(qū)間的時間分布比例;N代表區(qū)間總數(shù)，本文為51。

將計算得出的三類中每個短行程與其所在類集合之間的均方根誤差作由小到大的排列組合，直至滿足工況所需時長，即可建立起每一類的特征工況。本文將三類工況時間定為1200秒左右。

2 建模及仿真

2.1 純電動汽車建模

本文基于Cruise搭建了純電動汽車整車模型，對所建綜合工況進行能耗仿真。首先建立駕駛室模型、輪胎模型、制動器模型、主減速器模型、電機模型等，隨后進行各部件之間的連接，包括機械連接、電氣連接以及信號連接。整車整備質(zhì)量1580kg，整車模型如圖5所示。

2.2 仿真分析

將本文所建綜合工況導入Cruise，進行仿真，可得仿真結(jié)果如圖6所示。

當電機正轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速同時為正或為負，此時電機作為電動機;當電機反轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速一正一負，此時電機作為發(fā)電機。如圖6可得電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、能耗隨時間的變化曲線。在此行駛工況下，電機最大轉(zhuǎn)矩為正轉(zhuǎn)238.28NM，累計能耗5182.949KJ。

3 結(jié)論

本文在實際采集的西安市公交車行駛數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行了聚類分析，聚出擁堵、一般、通暢三類，通過比功率參數(shù)分布建立了每一類的特征行駛工況，并構(gòu)建出綜合行駛工況，即西安市公交車行駛工況。同時，基于Cruise搭建了純電動汽車整車模型，并嵌入所建立的西安市道路行駛工況，進行了仿真分析。

參考文獻

[1] 石琴，鄭與波，姜平.基于運動學片段的城市道路行駛工況的研究[J].汽車工程，2011（3）：256-261.

[2] 詹森，秦大同，曾育平.基于多循環(huán)工況的混合動力汽車參數(shù)優(yōu)化研究[J].汽車工程，2016（8）： 922-928.

[3] 李海波，趙建華，羅東，等.基于NEDC循環(huán)工況的集成式電驅(qū)動系統(tǒng)匹配優(yōu)化[J].汽車技術(shù)，2018（2）： 15-18.

[4] Andrei， P. Real world heavy-duty vehicle emission modeling[D]. West Virginia： West Virginia University， 2011.

[5] 郝艷召，于雷，宋國華，等.基于比功率參數(shù)的北京市柴油公交車行駛和排放特征研究[J].汽車工程， 2010（2）：103-109.

[6] 賴瑾璇，于雷，宋國華，等.基于比功率分布的公交車行駛周期建立方法研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2014（1）：209-214.