新能源商用車典型工況及其載荷譜的實證分析

摘 要：在當今社會，隨著環(huán)境保護意識增強和對傳統(tǒng)燃油車輛排放污染問題的關注，新能源商用車逐漸成為汽車行業(yè)在今后發(fā)展中新形勢。本論文旨在通過實證研究新能源商用車的典型工況和載荷譜，深入探討其工作狀態(tài)和負荷特性，為新能源商用車設計、研發(fā)和實際應用提供理論基礎和技術支持。通過本研究，希望為新能源商用車的發(fā)展和推廣提供一定的參考和借鑒，促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，推動工程技術領域的進步與創(chuàng)新。

關鍵詞：新能源商用車 典型工況 載荷譜實證

0 引言

新能源商用車在當今社會中扮演著越發(fā)重要的角色，其具有環(huán)保、高效、節(jié)能特點，受到政府、企業(yè)和消費者的廣泛關注和支持。隨著新能源技術不斷進步和成熟，新能源商用車的市場份額也在逐漸增加，成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，典型工況和載荷譜是評估新能源商用車性能、設計和使用情況重要依據(jù)。通過對典型工況和載荷譜實證分析，更加全面地掌握車輛在實際工況下的運行狀態(tài)和負荷特性，為傳動系統(tǒng)設計提供技術支持和數(shù)據(jù)參考。

1 新能源商用車典型工況概述

1.1 新能源商用車的運行特點

與傳統(tǒng)燃料車相比，新能源商用車具有顯著環(huán)境優(yōu)勢，并表現(xiàn)出獨特的操作特點，首先，它們在不同駕駛階段，如啟動、加速、減速、滑行和停止的能量消耗模式是很大不同的。傳統(tǒng)燃機（ICEs）在走走停停的條件下經(jīng)常出現(xiàn)效率低下，因為動力傳遞固有延遲和必須在最佳扭矩范圍內(nèi)運行。相比之下，新能源商用車中電動馬達提供瞬時扭矩，這意味著在頻繁啟動和低速、高扭矩條件下，如城市交付，更平穩(wěn)、更有效地處理，在再生制動方面，新能源汽車（NEVs）在減速過程中回收能量，將動能轉(zhuǎn)化為存儲在電池中的電能，從而提高整體能源效率——這與傳統(tǒng)icev制動系統(tǒng)中作為熱量耗散的能量形成鮮明對比。隨著提高能源效率、降低排放、降低維護成本以及與智能交通系統(tǒng)集成潛力，新能源商用車是傳統(tǒng)燃料動力汽車一種很有前途的替代方案，在最大限度地利用其運營特性的城市和交付應用中。

1.2 典型工況的分類與定義

新能源汽車商用車典型工況主要包括城市工況、城際工況、高速工況和特殊工況。其中：（1）城市工況：低速行駛，頻繁起停，大量時間處于怠速或低速轉(zhuǎn)彎。（2）城際工況：中等速度行駛，車輛較少停滯，適中加速減速頻率。（3）高速工況：高速持續(xù)行駛，頻繁加速和高速轉(zhuǎn)彎情況較少。（4）特殊工況：山區(qū)、礦區(qū)重載上下坡，以及嚴寒工況等。

1.3 影響典型工況的因素

典型工況受諸多因素影響，如道路條件、交通流量、駕駛行為、天氣狀況和車載負荷等，該因素波動會直接影響新能源汽車商用車的載荷譜特征[1]。

2 載荷譜的基本概念與測量方法

2.1 載荷譜的定義與類型

載荷譜是描述車輛在特定運行工況下承受載荷變化表或序列，根據(jù)表征的物理量不同，載荷譜分為力載荷譜、應力譜和功率譜等。不同載荷譜在研究車輛的耐久性、舒適性和經(jīng)濟性時具有不同的應用價值。

2.2 測量載荷譜的傳感器與設備

測量載荷譜需要高精度傳感器和數(shù)據(jù)采集設備。主要設備包括：（1）力傳感器：測量輪胎接地力及其他相關力。（2）應變片：用于測量車輛架構和關鍵部件應力變化。（3）加速度計：采集車輛在不同工況下的加速度數(shù)據(jù)。

2.3 測量點的選擇與布置原則

選擇和布置測量點需要考慮以下原則：（1）代表性：測量點應能代表車輛運行過程中主要承載部位的動態(tài)載荷特征。（2）可操作性：測量設備安裝和維護應簡單便于操作。（3）安全性：傳感器布置應確保不影響車輛的正常行駛和安全操作[2]。

3 實證研究方案設計

3.1 研究對象的選擇

選擇XX品牌新能源汽車商用車作為研究對象，此類車輛在城市短途貨運和城際物流中有較高的市場保有量和實際應用價值。車輛應滿足以下基本要求：電池容量60kWh以上，最大續(xù)航500公里，車貨總質(zhì)量不超過5噸。

選擇XX品牌的新能源汽車商用車，主要是因為其在市場上較高保有量和實際應用價值。該車輛廣泛用于城市短途貨運和城際物流，能夠提供豐富實際運行數(shù)據(jù)支持，XX品牌作為市場領先者，其技術水平和產(chǎn)品質(zhì)量在行業(yè)內(nèi)具有較高的代表性。

3.1.1 技術參數(shù)的適用性

所選車輛技術參數(shù)如電池容量和最大續(xù)航能力，符合當前新能源汽車商用車的主流配置。電池容量60kWh以上，能夠保證車輛在不同典型工況下長時間測試，最大續(xù)航500公里，確保車輛能夠完成多種實際測試路線而不需要頻繁充電。

3.1.2 載荷能力的多樣性

車貨總質(zhì)量不超過5噸，既能夠滿足城市短途貨運需求，也能應對城際物流的運輸要求。選擇這樣車輛，在模擬真實運輸場景同時，獲取不同載荷情況下的詳細數(shù)據(jù)。

3.1.3 測試對象的多樣性

為全面覆蓋不同車型在不同工況下表現(xiàn)，本研究還根據(jù)車輛軸距、驅(qū)動方式、電池類型等關鍵參數(shù)挑選XX-001和XX-002兩款車型。

（1）XX-001：擁有更大的電池容量，適用于長距離運輸任務，其最大續(xù)航能力達600公里，特別適合城際物流的應用場景。較高電池容量也意味著在長時間運行過程中能提供更持久能量輸出，在實際測試中能更快地收集到多種工況下的載荷譜數(shù)據(jù)。

（2）XX-002：雖然電池容量稍低，但續(xù)航能力依然較強，達到550公里，適合城市短途貨運任務，特別是在頻繁起停和低速高扭矩工況下，其表現(xiàn)尤為突出。通過對XX-002的測試，深入掌握新能源汽車在城市復雜路況下的載荷譜特征。

為提供更加全面和準確數(shù)據(jù)，本研究將兩款車型進行多次重復測試，確保所得數(shù)據(jù)的可靠性和代表性。車輛選擇過程中，還考慮到不同車型動力學特性、電池系統(tǒng)散熱性能、輪胎磨損等多方面因素，以確保涵蓋多種實際工況[3]。

3.2 測試路線與工況的規(guī)劃

為全面覆蓋新能源汽車商用車在不同典型工況下性能表現(xiàn)并獲取載荷譜數(shù)據(jù)，本研究精心設計以下測試路線和工況，每條路線都具有明確代表性，能夠反映出車輛在不同運行環(huán)境下的動態(tài)載荷變化。

3.2.1 城市工況

城市工況測試選擇市中心繁華區(qū)域，長約20公里，該路線涵蓋高密度交通流量、頻繁的信號燈停留、多次起停等特點，以準確模擬城市日常交通環(huán)境。

（1）路線特點：頻繁起停、低速行駛、動態(tài)交通環(huán)境。

（2）測試時段：包括早高峰（7：00-9：00）、晚高峰（17：00-19：00），以及夜間空閑時段（22：00-24：00）。

（3）測試目的：通過采集起步、加速、減速、怠速等多種典型工況下載荷數(shù)據(jù)，掌握新能源汽車在城市復雜路況及頻繁起停條件下的載荷特征。

（4）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：車輛的速度、加速、剎車、轉(zhuǎn)向角和車內(nèi)外應力、連桿應力等數(shù)據(jù)，以便詳細分析其高頻振蕩特征。

3.2.2 城際工況

城際工況測試選擇城市間的典型物流專線，測試路線全程50公里，主要涵蓋快速行駛段和交匯處。

（1）路線特點：中速行駛，較少停滯，涵蓋城市連接道路和部分郊區(qū)道路。

（2）測試時段：全天不同時段進行測試，通過對比分析中午和下午時段的差異。

（3）測試目的：綜合考慮中等速度下車輛性能、加速減速及交錯交匯的復雜工況，旨在獲取車輛在長距離運輸中的載荷譜特征。

（4）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：包括車輛的速度、加速度、扭矩、車輛姿態(tài)（傾角、偏航角）等。

3.2.3 高速工況

高速工況測試選擇等級較高高速公路，全程100公里，主要包括自由車速段、匝道以及服務區(qū)等典型高速交通場景。

（1）路線特點：高速行駛、少量加速和減速、匝道轉(zhuǎn)彎。

（2）測試時段：全天不同時段進行測試，特別關注長時間持續(xù)高速運行和匝道行駛所帶來的動態(tài)載荷變化。

（3）測試目的：針對車輛在高速度下穩(wěn)定性、長時間行駛帶來的熱效應及高轉(zhuǎn)速帶動的部件載荷，深入分析其高頻低幅變化載荷譜特征。

（4）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：包括輪速傳感器數(shù)據(jù)、高速轉(zhuǎn)角、橫擺率、輪胎負載和路面不平度數(shù)據(jù)。

3.2.4 特殊工況

特殊工況測試選擇一段含有復雜路況的路線，全程30公里，涵蓋上下坡、急轉(zhuǎn)彎及較差路面。

（1）路線特點：包含急劇上下坡度、急轉(zhuǎn)彎及多種不同質(zhì)量的路面。

（2）測試時段：全天不同天氣條件下進行測試，確保數(shù)據(jù)多樣性和廣泛性，以大多數(shù)顯現(xiàn)不同路面帶來的動態(tài)負荷。

（3）測試目的：特別關注在復雜型號工況和極端條件下測試車輛的極限負荷表現(xiàn)，分析其在不同復雜路況下的載荷譜特征。

（4）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：包括坡度、彎道半徑、路面系數(shù)、牽引力、制動力、路面震動及顛簸幅度等關鍵數(shù)據(jù)。

3.2.5 數(shù)據(jù)采集與處理方法

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測試數(shù)據(jù)采集使用高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括：力傳感器用于測量車輛各個輪胎的垂直負載及橫向、縱向力量分布。應變片貼附于車架關鍵部位以測量動態(tài)應力，并通過多點應力分析以確保車輛結構強度，高精度加速度計用于實時監(jiān)測車輛運動狀態(tài)及震動特征，測量多維加速度變化，GPS與IMU模塊記錄車輛的實時運動軌跡、速度及姿態(tài)變化，結合位置信息模型以及整個測試路線[4]。

（2）數(shù)據(jù)處DooEy6XiAyKbzoTewI3Otg==理方法

采集的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理軟件進行預處理，以保證數(shù)據(jù)準確性及可分析性，初步數(shù)據(jù)處理使用MATLAB等工具對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)濾波，去除干擾噪聲，如采集儀器帶來的高頻噪聲。通過時域分析方法，研究載荷譜隨時間變化，識別出車輛在不同工況下的高頻振蕩和沖擊波動，例如在頻繁起停的城市工況中觀測到的峰值載荷。利用傅里葉變換將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，分析載荷譜頻譜特征及頻率分布，主要用于分析在高速工況和特殊工況條件下，車輛系統(tǒng)的振動特性。對所有載荷譜特征值進行統(tǒng)計分析，計算峰值、均值、標準差等參數(shù)，以描述典型工況下的載荷分布特性并進行規(guī)律總結。（表1）

通過采用高精度傳感器和多類別工況全面測試以及系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)處理，本研究將更深入理解新能源汽車商用車在實際使用環(huán)境中載荷特征，并顯化不同典型工況對車輛載荷譜的影響。研究結果將為新能源汽車技術改進和車輛設計提供重要數(shù)據(jù)支持，同時為相關政策制定和車隊管理提供科學依據(jù)。

4 典型工況下的載荷譜數(shù)據(jù)分析

4.1 時域分析

時域分析主要關注載荷隨時間變化情況。城市工況下，車輛頻繁起停，載荷在時間軸上呈現(xiàn)明顯的高頻振蕩特征；城際工況中，載荷隨時間表現(xiàn)為中頻動態(tài)變化；高速工況中，載荷相對穩(wěn)定，僅在加速和減速時有明顯變化；特殊工況中，載荷隨時間變化復雜，主要受到路面起伏和坡度的影響[5]。

4.2 頻域分析

頻域分析關注載荷譜的頻率特征，通過傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，分析載荷的頻率分布特征。數(shù)據(jù)顯示，城市工況下高頻成分占主導；城際和高速工況中，低頻和中頻成分占主導，特殊工況中，頻譜分布較為復雜。

4.3 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析主要關注載荷譜特征值分布，包括均值、標準差、峰值等。通過統(tǒng)計表明，不同工況下的峰值載荷和均值載荷存在較大差異，這對于商用車在不同典型工況下的耐久性設計具有重要參考價值。（表1）

5 結果與討論

5.1 研究結果總結

通過對新能源汽車商用車在各種典型工況下載荷譜進行實證分析，發(fā)現(xiàn)不同工況下的載荷特征存在顯著差異。城市工況下體現(xiàn)出高頻振蕩特征，城際工況和高速工況下載荷譜較為平穩(wěn)，特殊工況下載荷譜復雜且頻率分布廣泛。

5.2 結果的可靠性與有效性評估

研究結果可靠性通過多次重復測試及不同車輛的對比測試得到驗證，同時采用專業(yè)數(shù)據(jù)采集設備和可靠數(shù)據(jù)處理方法，確保數(shù)據(jù)的準確性與有效性。

5.3 研究的局限性

研究存在以下局限性：僅選取數(shù)款特定型號新能源汽車商用車，測試路線和工況可能未完全覆蓋所有實際工況；未來可擴大研究對象范圍，并進行更復雜的工況測試。

6 結語

綜上所述，新能源商用車典型工況及其載荷譜實證分析對于掌握車輛的運行特點、優(yōu)化設計與研發(fā)具有指導意義。新能源變速器的設計不僅考慮車輛的運行特點，還需結合新能源動力系統(tǒng)的工作特性，以實現(xiàn)更高的能源效率和更優(yōu)越的駕駛性能。因此，本研究的成果對于新能源變速器設計的指導意義在于，提供對新能源商用車典型工況及其載荷譜的深入分析，為新能源變速器設計提供有效的參考和依據(jù)。

參考文獻

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