純電動乘用車車速與經(jīng)濟性關(guān)系式研究

龔利全 張西富 張海波 肖和萍 魏燚

摘 要：汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展引起車輛保有量的增加，引起車輛使用能量消耗的大幅增漲，若車輛使用者能知道車輛的能量消耗率與車速之間的關(guān)系，即可改變一些惡性駕駛習慣節(jié)省能源，實現(xiàn)經(jīng)濟用車。本文主要從純電動乘用車百公里能量消耗率與車速之間的關(guān)系研究而求解出車速與能量消耗率的關(guān)系式C函數(shù)，從而可得知各瞬時車速工況的能耗，也可估算出各循環(huán)工況下的經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：整車經(jīng)濟性;能量消耗率擬合函數(shù);擬合曲線;MATLAB;CRUISE

1 前言

車輛的運行車速通常決定了它所處的瞬時工況下的能量消耗，既使是一輛所謂的節(jié)能車輛，純電動汽車亦是如此，按標準測試工況（NEDC、WLTC、CLTC-P）的能量消耗率較低，但由于使用運行車速不同亦會是一輛不節(jié)能或不是低能耗車輛。這就需要我們研究車輛車速與經(jīng)濟性之間的關(guān)系，并推廣指導車輛的使用者知道車輛的此性能，即可在實際使用中可以降低使用能耗，實現(xiàn)經(jīng)濟用車綠色出行。

2 研究方案

2.1 變量選取

在研究整車車速對經(jīng)濟性影響時，將整車參數(shù)作為常量，即選定研究載體車輛，將測試或運行車速v作為自變量，以百公里能量消耗率C或續(xù)駛里程D作為因變量，研究特定對象車輛隨車速的變化而變化的能量消耗量。

2.2 研究對象選取

為了便于研究，選取純電動乘用車作為特定研究對象，同時為了便于測試方案制定與仿真分析，直接選取AVL CRUISE自帶純電動乘用車模型中的車輛參數(shù)進行研究分析。

2.3 工況選取

車速為自變量，因變量為百公里能量消耗率或續(xù)駛里程，車速工況采取等速運行工況進行，每5km/h取一點，從0到最高車速之間選取運行車速點設(shè)置仿真運行工況，并按相應(yīng)工況仿真獲取結(jié)果。

2.4 數(shù)據(jù)處理

記錄自變量與因變量數(shù)據(jù)矩陣，同時擬合形成曲線，使用MATLAB非線性擬合求解函數(shù)關(guān)系式使得各離散點作最小二乘擬合。

3 方案仿真

3.1 任務(wù)創(chuàng)建

在AVL CRUISE中選取Hybrid and Electric Models下的Electric Vehicle工程下的ver 0001中創(chuàng)建Task Folder并創(chuàng)建從5-150km/h范圍內(nèi)每隔5km/h創(chuàng)建運行工況任務(wù)，或者將已經(jīng)創(chuàng)建好的車速工況直接導入任務(wù)直接導入Task Folder。

3.2 仿真模型創(chuàng)建

仿真模型直接選取AVL CRUISE中的Hybrid and Electric Models中的Electric Vehicle工程下的ver 0001，如圖1，該模型的參數(shù)不作調(diào)整，使用創(chuàng)建的運行任務(wù)。具體車型可以參考此模型或新創(chuàng)建模型后標定各部件與系統(tǒng)參數(shù)。

3.3 仿真輸出

使用AVL CRUISE自帶純電動乘用車模型并運行5-150km/h的每個車速工況任務(wù)得出仿真結(jié)果，見表1。

4 數(shù)據(jù)處理

百公里能量消耗率=（耗電量/續(xù)駛里程）/100，即C=（E/D）/100;因此只需分析v與C的關(guān)系，稱之為C函數(shù)。

4.1 仿真數(shù)據(jù)繪制

將仿真輸出結(jié)果數(shù)列散點采用excel擬合曲線，可得出圖2曲線。

根據(jù)初始擬合曲趨勢圖可以看出是一條與多項式曲線逼近的曲線。即可假設(shè)一多項式表達式，再以仿真的數(shù)據(jù)用MATLAB進行非線性曲線擬合：nlinfit。求出多項式的各項常數(shù)值，使得曲線與已知數(shù)據(jù)點在最小二乘意義上充分接近。從而獲得具體車型的車速與百公里能量消耗率之間的C函數(shù)關(guān)系式。

4.2 C函數(shù)關(guān)系表達式求解

求解函數(shù)關(guān)系表達式方法如下：

4.3 將初始C函數(shù)與原始離散點對比

將各仿真結(jié)果離散點與擬合的C函數(shù)曲線都繪制在二維坐標圖3中，可以看出擬合曲與各離散點還是很接近的，尤其是車速從35km/h及以上速度區(qū)間。從整體關(guān)系而言車速25km/h以上速度區(qū)間，該車型的百公里能量消耗率都是隨車速的增大而增大，而且是以車速變量的二次增函數(shù)關(guān)系。車速在5-35km/h區(qū)間的擬合程度偏離誤差相對0.5-1kWh/100km，尤其是車速5km/h時的偏離達到3kWh/100km。

4.4 C函數(shù)修正

按車速的正常使用范圍，一般城市道路車速限制30-70km/h，高速道路車速限制在60-120km/h，可按20-130km/h區(qū)間再進行擬合可得到優(yōu)化后的C函數(shù)式：

C=0.0011v^2-0.0004v+7.2465

再將其以MATLAB計算繪制在同一二維坐標圖4中，生成修正后的C函數(shù)擬合曲線（藍色），可以看出在20 km/h及以上車速區(qū)間明顯優(yōu)于原始C函數(shù)擬合曲線（黑色），整個常用車速使用區(qū)間都非常逼近各離散點（紅色），將此C函數(shù)用于車輛經(jīng)濟性分析。

4.5 隨動性分析

為了分析百公里能量消耗率隨車速變化的變化率，采用對C函數(shù)進行求導，得出其斜率函數(shù)k。

k=0.0022v-0.0004，其在車速20km/h以上時斜率線如圖5。

根據(jù)k函數(shù)圖形可知，是屬于遞增函數(shù)，且斜率隨車速增加而增加，即百公里能量消耗率隨車速的增加而增加，即車速越高能量消耗率增加值在加大。

4.6 C函數(shù)擴展應(yīng)用

當某一車型的C函數(shù)求解后，并根據(jù)整車經(jīng)濟性開發(fā)典型工況應(yīng)用研究出的NEDC、WLTC、CLTC_P之間的難易系數(shù)，可在不進行NEDC、WLTC、CLTC_P仿真或?qū)崪y，按各類工況的最高車速、平均運行車速點及占比的組合，使用C函數(shù)獲得各工況最高車速、運行平均車速點經(jīng)濟性，而估算出各循環(huán)工況下的經(jīng)濟性指標。

5 結(jié)論

純電動乘用車車速與其能量消耗率之間的關(guān)系即其C函數(shù)求解研究可以做出如下判斷：

1.采用此方法求解修正后的C函數(shù)是可以用于各瞬時車速工況經(jīng)濟性研究評價的。

2.某一具體車型其能量消耗率在車輛使用車速范圍內(nèi)，隨車速的增加而增加，車輛運行車速是車輛能量消耗率的關(guān)鍵影響因子。

3.C函數(shù)求解過程可采用仿真或試驗測試數(shù)據(jù)，然后用MATLAB非線性曲線擬合求解出C函數(shù)公式。

4.在研究評價具體車型的經(jīng)濟性時，可以采取只仿真或?qū)崪y常用車速區(qū)域，用30、60、90、120km/h的數(shù)據(jù)求解C函數(shù)，從而可得出各瞬時車速下的能量消耗率及續(xù)駛里程，甚至可以根據(jù)C函數(shù)分析得出所需評價的NEDC、WLTC或CLTC_P工況下的經(jīng)濟性指標，從而減少仿真與試驗測試工作量。

參考文獻：

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