電動車城市道路循環(huán)試驗開發(fā)方法研究

吉雷　袁志剛　姚偉　李偉慶　鄭興華

摘 要：針對傳統(tǒng)試驗場對電動車起步、停車工況驗證不足的問題，基于城市道路起步停車次數(shù)多的特點，文章提出一種電動車城市道路循環(huán)試驗開發(fā)方法。結(jié)合城市道路類型以及駕駛方式定義試驗場景庫，按照試驗開發(fā)目標(biāo)定義強度指標(biāo)。根據(jù)試驗場景庫和試驗里程構(gòu)建初步試驗方案，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備開展道路載荷測量。通過雨流計數(shù)法及疲勞損傷理論對道路載荷數(shù)據(jù)進行載荷強度計算，得出強度系數(shù)。根據(jù)強度系數(shù)閾值調(diào)整試驗方案，達到強度系數(shù)目標(biāo)，確定試驗方法。實測結(jié)果證明：該方法具有可操作性，并能達到目標(biāo)要求，完成實際試驗開發(fā)。

關(guān)鍵詞：電動車 城市道路 道路載荷 強度系數(shù)

1 引言

當(dāng)前面臨空氣污染和能源危機等社會問題，電動汽車作為一個重要的解決方案，目前取得了很大的技術(shù)進步，并逐步得到用戶認(rèn)可。在政策和市場的雙重作用下，2022年我國新能源汽車依然保持爆發(fā)式增長，全年產(chǎn)銷量分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9％和93.4％，連續(xù)8年位居全球第一。并且，新能源汽車的市場占有率達到25.6％，高于2021年12.1個百分點。其中，純電動汽車依然是整個新能源市場的核心，2022年銷量為536.5萬輛，同比增長81.6％。

從消費者的使用需求來看，82.6%的消費者為代步使用，因此電動車在實際使用中城市工況占大多數(shù)。城市工況會產(chǎn)生很多起步停車的動作，并且經(jīng)常使用到能量回收功能，在能量回收過程中會對動力電池充電并對傳動系產(chǎn)生載荷，因此電動車城市工況會對驅(qū)動電機、傳動軸和動力電池產(chǎn)生更大的載荷強度。傳統(tǒng)試驗場試驗是基于燃油車進行設(shè)計開發(fā)，啟停工況少，不能滿足對于該載荷強度的驗證。

本文根據(jù)試驗?zāi)繕?biāo)，設(shè)計通過公開路面實現(xiàn)耐久試驗開發(fā)方案，通過實際道路載荷測量和強度計算，能夠達到目標(biāo)要求，試驗方法獲得認(rèn)可，驗證了該方案的可行性，為基于公開路面進行耐久試驗開發(fā)提供指導(dǎo)。

2 試驗場景庫及強度指標(biāo)定義

根據(jù)城市道路特點及實際駕駛方式，對城市道路進行調(diào)研，即統(tǒng)計道路類型和與道路類型對應(yīng)的路況和駕駛行為。道路類型包括環(huán)島、鐵軌路口、紅綠燈路口等，路況包括城市擁堵路況，駕駛行為包括掉頭、直角轉(zhuǎn)彎、超車、起步、剎車等。

針對該試驗的目標(biāo)和考察重點定義強度指標(biāo)，包括：橫向加速度、縱向加速度、Z向加速度、油門踏板、車速、電機轉(zhuǎn)速、電機扭矩。

3 道路載荷測量

3.1 規(guī)劃初步運行方案

根據(jù)場景庫與測試要求的匹配性以及總的試驗里程規(guī)劃初步運行方案。比如為了滿足縱向加速度強度指標(biāo)，需要選擇紅綠燈多的城市擁堵路段，這樣會有更多的起步和停車次數(shù)，并且需要用運動的風(fēng)格駕駛車輛，運動的風(fēng)格指的是大的油門起步以及重踩制動踏板，這樣會產(chǎn)生大的縱向加速度以匹配測試要求。

結(jié)合道路類型、路況和駕駛行為制定初步運行方案，該方案包括兩條城市道路，分別見圖1和圖2。

3.2 道路載荷測量準(zhǔn)備

選取和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相同的車輛，并按車輛允許載荷的80%進行加載。加載通過裝載85kg水人的方式進行，對于不足的載荷可以用沙袋進行補充。

通過車輛總線連接數(shù)采設(shè)備，并進行配置文件編寫，保證能夠記錄強度指標(biāo)對應(yīng)的總線信號。

對駕駛員進行培訓(xùn)，遵守道路交通規(guī)則，以安全為前提。按照運行風(fēng)格進行駕駛，快速起步和大力制動可以獲得更好的縱向載荷，快速過彎可以獲得更好的橫向加速度，Z向加速度通過不同路面顛簸和對應(yīng)的車速來獲取。

3.3 道路載荷測量

在遵守道路交通規(guī)則和安全的前提下，按照要求的駕駛方式在選定的兩條道路上行駛，采集道路載荷數(shù)據(jù)，記錄每條路測量的開始和結(jié)束時間以及駕駛員姓名。為了避免數(shù)據(jù)的隨機性，對每條道路進行4次測量，并由兩名駕駛員進行駕駛，按照要求做好數(shù)據(jù)記錄。

4 載荷強度計算

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先通過測量時間檢查數(shù)采設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)是否完整，并對原始數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化。對數(shù)據(jù)總線解析文件進行編輯處理，獲得需要的總線信號。通過特定的數(shù)據(jù)解析文件對原始數(shù)據(jù)進行提取，得到強度指標(biāo)對應(yīng)的總線信號，包括橫向加速度、縱向加速度、Z向加速度、油門踏板、車速、電機轉(zhuǎn)速、電機扭矩等?？v向加速度信號如圖3所示。并按要求的格式輸出，以便進行載荷強度計算。

4.2 載荷強度計算

應(yīng)力幅的大小直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的損傷度計算，因此需要對測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，以便得到不同大小應(yīng)力幅的出現(xiàn)次數(shù)。然后結(jié)合各應(yīng)力幅對應(yīng)的損傷度和各應(yīng)力幅出現(xiàn)的次數(shù)，得出結(jié)構(gòu)的總損傷。

雨流計數(shù)法簡稱雨流法，也稱塔頂計數(shù)法。雨流計數(shù)法對載荷的時間歷程進行計數(shù)的過程反映了材料的記憶特性，具有明確的力學(xué)概念，因此該方法得到了普遍的認(rèn)可。

雨流計數(shù)法計數(shù)方法如圖4所示：

1）雨流的起點依次從每個峰值的內(nèi)側(cè)邊開始，波形左半部為內(nèi)側(cè)邊；

2）雨點在下一個峰值落下，直到對面有一個比開始時的峰值更大的峰值為止，也就是說比開始時的最大值更大的值或者比最小值更小的值為止；

3）當(dāng)雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時，也就停止；

4）按以上過程取出所有全循環(huán)，并記下各自的變程；

5）再按正負(fù)斜率去除所有半循環(huán)，并記下各自的變程；

6）把取出的半循環(huán)按修正的“變程對”計數(shù)法配成全循環(huán)。

本文通過雨流計數(shù)法以及疲勞損傷理論對道路載荷數(shù)據(jù)進行強度計算，并和強度標(biāo)準(zhǔn)進行對比，得出強度系數(shù)。

如果某強度指標(biāo)未達到強度標(biāo)準(zhǔn)，則從場景庫中選擇能夠提高該指標(biāo)的場景，從而將相應(yīng)的路段、路況和駕駛行為加入到新的運行方案中。比如，縱向加速度指標(biāo)不滿足強度標(biāo)準(zhǔn)，就多加紅綠燈，加速行為、制動行為。

如果某強度指標(biāo)明顯超過強度標(biāo)準(zhǔn)，可以從新的運行方案中剔除能夠提高該指標(biāo)的場景。

對新的運行方案進行強度計算，直到所有指標(biāo)都滿足強度系數(shù)閾值，縱向加速度、橫向加速度及Z向加速度強度系數(shù)計算結(jié)果如圖5所示。

對不同電機扭矩和持續(xù)的時間進行統(tǒng)計，電機扭矩和持續(xù)的時間與目標(biāo)值具有良好的一致性，如圖6所示。

4.3 制定試驗方案

根據(jù)載荷計算結(jié)果，確定試驗路線及駕駛方式，制定試驗方案。主要要求如下：

1）車輛按允許載荷的80%加載；

2）在遵守道路交通規(guī)則的前提下，按照運動的方式駕駛，重踩油門加速起步以及重踩制動踏板減速，已獲得足夠的縱向加速度；快速過彎以獲得足夠的橫向加速度；

3）按照路線1和路線2交替循環(huán)運行的方式開展試驗，完成10萬公里試驗里程。

5 結(jié)論

本文通過試驗場景庫及強度指標(biāo)定義、道路載荷測量、載荷強度計算及優(yōu)化，完成城市道路循環(huán)試驗開發(fā)，試驗方案已獲得認(rèn)可。該方法簡要過程如圖7所示。

實測結(jié)果證明，該方法具有可操作性，為后續(xù)基于公開路面開發(fā)耐久試驗提供參考。

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