整车行驶工况与性能匹配

电动汽车基本技术的应用

谢卫星 樊嘉炜 2009年4月8日

第一章 整车的行驶工况与性能的匹配

当电动汽车与传统的内燃机汽车相比时，它们行驶时的车轮与地面之间相互接触所产生的力学过程有着无本质上的区别，而且这两类汽车在传统的汽车转向装置系统、悬架装置系统及制动装置系统﹙传统汽车有着五大装置系统，动力装置系统、电器控制装置系统﹚也有着基本相同之处。但它们的差别主要是采用了不同的动力源和电子接口控制装置系统。这里我们不讨论电子接口控制装置系统技术的应用，指对电动汽车的动力源加以讨论和应用。我们知到传统的汽车动力是有内燃机所产生的热能而转换成机械能，从而推动汽车的行驶，而现代的电动汽车则是全部或部分由蓄电池、燃料电池等作为电能而转换成机械能驱动汽车的行驶。因此，电动汽车在制动性能、操纵稳定性、平顺性及通过性与内燃机汽车应当是基本一致的。但是受到多种因素的制约，当前的电动汽车在动力性﹙动力有现﹚、续驶里程﹙行驶里程有现﹚、成本和可靠性﹙有由电子接口控制装置系统技术在振动下可靠性就差，提高可靠性成本就要有所增加。当前的电动汽车单价都在百万以上﹚等方面还与内燃机汽车有这一定的差距。为了设计制造出性能优越、价格便宜的电动汽车，首先需要对电动汽车的实际使用工况进行详细的调查，燃后进行针对性的设计，提出各个部件的参数要求，使各个动力源可在较优的工作范围内工作，并且优化和提高电动汽车的各种性能，而降低成本。例如，在燃料电池混合动

力汽车上，根据对应行驶工况下的均衡功率和功率范围，使可以大致确定出燃料电池和蓄电池组的容量，通过控制策略的伏化，可使燃料电池的输出功率变化的范围较少，从而有利提高燃料电池的总体效率、可靠性和使用寿命等。另外，行驶工况对于电动汽车的性能参数，如对续驶里程有着决定性意义，如果没有具体的行驶工况，电动汽车在实际的行驶中的续驶里程就很难评价。因此，行驶工况对设计各种电动汽车有这十分重要的意义。

㈠ 汽车行驶工况的概述

常见的内燃机汽车的动力来源是于化石燃料的化学能（热能﹚，经过内燃机转化成机械能，其效率较低﹙燃料的32%）并会产生有害的排放物﹙主要包括二氧化碳CO2、一氧化碳CO、碳氢化合物、氮氧化合物NO和氧化硫﹚，危害这环境和人类的健康。1973年美国加州率先通过汽车排放法规，促进汽车工业开发更高的燃烧效率和更低排放的发动机﹙机械喷射K型、电喷射L型、电子喷射E型﹚。该法规必须要有一种能够应用于各类不同的发动机之间性能差异的测试程序，这种测试程序的方法被称为行驶工况﹙DrivingCycIe，DC，简称工况﹚。为了能够在试验台架上再现实际车辆的行驶状况，针对不同的情形﹙如城市、山区、道路、各种车型等﹚并开发了各种车辆的行驶工况，是美国开创推动了世界各国的车辆行驶工况的研究和开发，如今，由于评价目标和研究对象的不同、形成了种类繁多、用途各不相同的工况。这些工况满足了从轻型车到重型车、从汽油机到紫油机等各种系列车辆的性能测试。其用途主要有以下三个方面：

① 确定污染物的排放量和燃油消耗量； ② 对新新车型进行验证和校准；

③ 评古各种技术指标和测定交通控制方面的风险等。

行驶工况是汽车实际道路的行驶状况的反映，伴随着工况深入的研究和不断的完善，行驶工况具有这典型的实际道路驾驶状况，能够反映出车辆真实的这行工况，可用于车辆的研究、让证和检查/维护﹙Inspeetion/Maintenance，简称I/M﹚。 1．调查行驶工况的内容

按照工况调查所包含的内容来分，有可分为行驶完全工况和行驶非完全工况。

① 完全工况——主要调查内容包括车速、油耗、加速度、制动力、制动次数、挡位、换挡次数、进气管真空度、发动机转速、发动机输出功率等，以及汽车行驶过程中的交通状况，如试验路段上的行驶坡度、立交桥的长度和坡度、交通信号灯的数量和变换时间及间隔距离、交通流量、主要机动车类型及所占的比刻等，还包含着当时的风向、风力、气温、气压等气象参数。

② 非完全工况——调查内容要比完全工况少得多，主要调查耗油量和排放物的多少。 2．行驶工况的用途

按照行驶工况的用途来分，可以分为标准工况和非标准工况两类。 ① 标准工况——是由一个国家或地区通过法规形式确立的用于认证和检测及维修的用途行驶工况﹙交通部、行业管理、运管处等政府所

制定的法规﹚。

② 非标准工况——属于一些科研机构和汽车制造商用于特定研究用途的非法规类的行驶工况﹙自制定的规章﹚。 3．行驶工况的表现形式

按照行驶工况的表现形式来分，可以分为瞬态﹙Transient﹚和模态﹙ModaI﹚工况两类。

① 瞬态行驶工况——指的是在瞬态行驶工况的速度及时间曲线与车辆的实际运行过程是非常相似的，必须符合车辆的实际运行特征。 ② 模态行驶工况——指的是在横态行驶工况的速度及时间曲线主要由一些线段组成，分另代表匀速度、匀加速度、和匀减速度等运行工况。模态行驶工况的优点是试验操作较为简单，但不太符合车辆的实际运行特征。

㈡ 国外汽车行业的行驶工况情况

世界范围内的很多国家都以制定了各自的标准、指令和法规等形

式，提出了不同车型在应对各种条件下行驶工况的标准。而当今世界对车辆的排放与测试行驶工况主要分成三类：

② 美国行驶工况标准﹙USDC﹚；

③ 欧洲行驶工况标准﹙EDC﹚，筒称欧门； ④ 日本行驶工况标准﹙JDC﹚。

1．美国行驶工况标准﹙USDC﹚

美国行驶工况标准种类繁多，用途各异，一般包包括认证用﹙FDC系﹝如生产所需的各种证书﹞﹚；研究用﹙WVU系﹝如科研

所需的技术资枓、资金等﹞﹚；短工况﹙I/M系﹚三大体系。还有美联邦的测试程序﹙FTP75﹚、洛杉矶﹙LA92﹚和负苻模似工况﹙IM240﹚等行驶工况。

① 适用于乘用车和轻型载货车辆的行驶工况标准——20世纪60年代由于人们无序的使用汽车，而产生大量的废气及热量﹙城市的污染源80﹪来于汽车的排放物﹚，导致了大气被非常严重的污染，至使美国加州洛杉矶地区的空气出现光化学烟雾﹙在气温达到24～32℃时，而湿度又较低的条件下，使其中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮在强烈的太阳紫外线照射下，吸收太阳光的能量，这些物质的分子气变得很不稳定，它们形成了新的物质，一种剧毒的光化学烟雾﹚。为了改善这种状况经过调查和研究，发现有一条具有代表性的汽车上下班路线上解折出车辆的速度及时间曲线，在1972年被美国环保局﹙筒称EPA﹚将它用作认证车辆排放的测试程序﹙筒称FTP72，又称为UDDS﹚。用这个测试程序来控制车辆的排放标准。FTP72规定在冷车状态下从0～505s的过度工况和稳态﹙怠速﹚状态下从506～1370s的过度工况的构成。1975车又在FTP72规定的基础上增加了600s热车辆浸车和热状态过度工况﹙即重复冷过度工况﹚，持续时间2475s，构成了包含车辆运行四个阶段的FTP75工况，同时可用于车辆热启动排放的检查标准。如图1—1所示为美国的FTP75行驶工况。 图1—1

实际在1943年9月8月洛杉矶市就出现了世界历史上从末有过的

“毒雾”事件，部分居民喉咙肿痛，胸闷气短，此后年复一年不断发生此事件，特别严重的是1955年9月的两天之内就有400多名65岁以上的老之死亡，几千人受到不同程度的伤害，蔬菜变质，1/4的森林干枯而死亡。

由于现代交通网络的发展，实现了许多新干线和高速公路，车辆在高速公路上运行的时间占总出行时间的比例越来越多，这使发动机的三种主要污染物﹙一氧化碳CO、碳氢化合物CxHy和氮氧化合物NOx﹚的排放特征随之也发生了改变，于是美国环保局﹙EPA﹚也发布了经过修订的“认证车辆排放测试程序﹙FTP）”版本。在此期间开发了许多更加真实的交通状况的发动机工况，如考虑到车辆在行驶过程中所变化的道路情况US06、车辆在行驶过程中所开空调满负荷运行的SC03等，作为FTP的补充的发动机工况，形成了一个比较完正的FTP发动机工况的法规，并应用于2001年后所生产的车型排放测试。HWFET的行驶工况是用于乘用车在高速公路上燃油经济性测试的运行工况，如图1—2所示。另外，考虑到道路的坡度对车辆燃油的削耗影响，还开发了可变坡度的HWFET－MTN工况。

美国乘用车型在高速公路上行驶的工况图1—2所示 除了述发动机运行工况外，还有以下几种典型的研究型工况。 ⑴ LA92——具有很高的最高速度和平均速度、有这较少的怠速运行时间和在单位里程中的停车次数以及更高的最大加速度。﹙这项测试指标就是发动机在一定指标下的最大的负荷运行工况﹚。

⑵ ARB02——加州大气资源委员会﹙CARB﹚根据对车辆的长期跟踪所研究开发出的发动机运行工况，目的是测试车辆处在FTP72边缘之外区域外发动机运行情况，它包括了冷启动和行程结束的部分﹙拈冷启动过程和冷启动结束的过程部分﹚

⑶ HL07——是美国环保局协同汽车制造商开发的发动机运行工况，目的是测试车辆在超出一定速度范围情况下的一系列加速度的能力，在这些加速度的情形下车辆必须全开油门。（它主测试车辆在各个速度层级中的发动机运行工况，以便开发和修正美国现有的发动机运行工况）。

⑷ REP05——针对未被FTP工况所覆盖的车辆运行工况范围，如开发了一些驾驶过程中的发动机运行工况﹙人和人的驾驶方法是不一样的，所以也会给车辆的运行带来各种运行工况﹚。

⑸ REM01﹙Remainder﹚——用于启动状况研究的工况等。它们都以速度和加速度为目标，注重研究更加细致的瞬态变化过程。 ② 重型车辆的行驶工况——近年在研究重型车辆的行驶工况时有侧重于向瞬态工况方向靠拢的趋势。其中BAC被堆荐为测试重型车辆燃油经济性的操作规程﹙SAEJ1376﹚。CBD14是商业中心区域的车辆测试运行工况，它也是BAC复合测试运行工况的一部分。运用14个相同的运行工况模拟公交车停车及运行的驾驶模式。CBD14近似于CBDBUS运行工况，但是时间步长可变﹙运行时间和道路的长度是可以有所变化的﹚。

比较著名的还有市内测功机测试工况﹙UDDSHDV﹚，它主要模拟重

型汽油机在市内区域进行运行工况的操作，运行长度为1060s，怠速为33%，而中均速度为30.4Km/h，并用于燃油蒸发排放测试。纽约城市运行工况﹙NYCC﹚则更是代表了市内区域道路的大型车辆的运行工况。它们作为FTP标准工况被广泛应用。如图1—3所示分别给出了市内测功机测试工况和纽约城市运行工况两种行驶工况标准。

图1—3所示

为了评价公交车的排放效果，通过覆盖几条不同的、公认为比较繁忙的公交线路，美国西弗吉尼亚大学﹙WVU﹚对纽约城市曼哈顿地区的公交车进行了混合动力和常规动力的操作和状态进行了调查，并开发了一组含10个短行程的运行工况，短行程之间怠速时段19s；为了满足能量的消耗测试指标，将短行程的测试数目增加到20个，作为常规的在用运输车辆﹙货车和城市客车﹚的运行工况。 除了用于对低盘进行测功﹙测功机﹚的工况外，对于重型车辆的发动机在台架上进行代表性工况测量，以转速和转矩的计算，描述出车辆特性。通常测试工况包括一套稳定的按照发动机转速和转矩﹙欧洲和日本规定﹚定义的操作事项，或者是同时以瞬时发动机转速和转矩指标﹙美国规定﹚的瞬态工况（对于功率的测试各国之间是可以相互使用技术指标，但对排放物各国之间一般是不可以相互使用技术指标的）。

2．欧洲汽车的行驶工况﹙EDC﹚

研究人员系统地研究了适合欧洲交通状况的各种不同车辆的行驶

特征的行驶工况，并依据道路的拥挤程度或车辆流量的大小，以不同的道路区域加以分类定义，如市区道路、郊区道路和高速道路以及平均速度、加速度的多种层级的归类，人为地开发了多层叠成稳定性的速度和加速度的片段。

认证于轻型车辆在低盘测功机上的排放标准﹙欧洲EDC﹚，又称为MVEG-A，而现在发展为新的欧洲汽车行驶工况﹙NEDC﹚。在该工况里局部的行驶速度是设定为恒定的，是一种稳态工况﹙ECE15﹚，包抬市内﹙EUDC﹚、市郊或市郊低工率的汽车行驶工况﹙EUDCL﹚。ECE15是一类包括4种具有代表在市区内驾驶车辆状况的行驶工况﹙UrbanDC﹚，具有低速，低负荷和低排气温度的特征指标。由于车辆在城郊运行量的增加，1992年开发了代表高速行驶工况的EUDC或EUDC-LOW片段，在ECE15的基础上增加了1个EU-DC或EUDC-LOW，构成了现在大家熟知的ECE+EUDC。在2000年之前实际应用时的行驶工况是不计量0～40s的运行数据，即欧洲Ⅱ号排放法规。而欧洲Ⅲ/Ⅳ号排放法规则由于更加严格控制车辆的排放﹙发动机的冷启动排放﹚，排放采样是和运行工况同步进行，并称为新的欧洲运行工况﹙筒称NEDC﹚，验测时间持续为1180s，平均速度为32.1km/h，最大加速度为1.06m/s2。

由于变速策略的不同﹙变速采用的装置不同﹚，在模态状况下运行工况时所消耗的能原或排放很可能造成测试结果有一些细微的差异。欧洲ECER15.04所釆用的行驶工况，是针对手动和自动挡位的车辆考虑到的差异，行驶工况的行驶距离和平均速度分別为4.06km和

18.7km/h﹙手动﹚以及3.98km和18.4km/h﹙手动﹚。如图1—4所示

图1—4所示

从行驶速度和时间曲线中可分析发现，欧洲行驶工况的稳定速度比例太高；各种驾驶状况的分布不均，如平均驾驶工况的持续时间较短而市区中心的驾驶工况持续时间较长等，而且平均加速度值也比真实的要低。总之，由于EUDC属于模态行驶工况，并不能代表真实的驾驶状况，存在这一定的局限性。

出于新型动力车辆的需求，欧洲开发了基于BRITE-EURAM HYZEM项目，开发了一组HYZEM的瞬间行驶工况。HYZEM包含了市内道路行驶工况、市郊道路行驶工况和高速行驶工况。该行驶工况是基于贯穿了欧洲城市道路，以89部车辆的真实驾驶模式所记录的数据开发的行驶工况，因而它代表了欧洲车辆的行驶工况的实际运行标准。相对于模态行驶工况，其部分稳定速度要少很多，平均速度40.4Km/h，停车次数0.69次/ Km，平均加速度0.71m/s2，最丈加速度1.3m/s2。可能由于它是1997年后所研究的成果，尚末被官方采用，但己被各种研究工作广泛应用。 3.日本汽车的行驶工况

日本与欧洲的行驶工况相似，也属可模态行驶工况。在1976年之前，日本一直采用本国的10行驶工况标准﹙10mode﹚来模似市内道路的行驶工况，要重复6次的测试，对后56次取样，即所谓热启动。

1976年之后生产的车型，采用11行驶工况标准，从冷启动开始，重复4次的测试，并对全过程取样，行驶距离为4.08 Km，平均速度30.6Km/h。1991年11月开始采用新板的10-15行驶工况，如图1—5所示，由三个10行驶工况和一个15行驶工况构成。虽然10-15行驶工况并末被国际所公认，但行驶工况的研究在日本仍得到持续和深入的开展。

图1—5所示

4. 中国汽车行驶工况的发展状况

从汽车大国来讲（现在全世界汽车保有量以达到7.6亿辆，这其中美国占有2亿多辆、欧洲占有2亿多辆、日本占有7000万辆、而我国汽车以每年平均13%.5的速度增长载至2006年年底，汽车保有量为2200辆）对于研究汽车行驶工况我国是起步较晚的，在 20世纪80年代由长春汽车研究﹙一汽集团﹚对我国的北京天津和天津道路行驶工况进行了调查研究，但是直使用了以直方图为标准的统计方法，最基本的统计是以车速-加速度﹙u-α﹚直方统计，即找出汽车车速和加速度相应于时时、里程及油耗的概率密度和分布白`数据特征。目前我国乘用车的燃料消耗和排放测试工况等均采用欧洲ECE15行驶工况。载货车的燃料消耗测试采用6行驶工况法，如图1—6所示。城市客车的燃料消耗测试采用4行驶工况法，如图1—7所示，

图1—6所示

图1—6所示

2002年，国家科技部在十五“863”电动汽车重大专项工程中，设立了国家典型乘用车和城市客车道路行驶工况的研究课题﹙编号2003AA501993﹚。课题由国家汽车技术研究中心牵头，并与国内的一些大学和科研院所共同合作承担了课题的研究工作。载至2005年年初，项目取得了阶段性成果，公布了典型乘用车和城市客车道路行驶工况，标准分为两类：一类为瞬态道路行驶工况，另一类为稳态道路行驶工况。如图1—8所示、如图1—9所示分别给出了乘用车和城市客车的典型道路行驶工况。

图1—8所示

图1—9所示

㈢ .汽车行驶工况的特征分析

汽车在道路上的行驶状况如合是用一些参数表达出来的，如车速、加/减速度、运行时间等参数反映汽车运动的特征。通过对这些运动参数和特征的调查和解析，就能开发出能够代表运动特征的行驶工况。无论以模态或瞬态参数表达，行驶工况最终都表达为速度-时间曲线，时间步长（时间步长通常为1s）。

在相同的试验控制条件下﹙如环境温度、风速、滚动阻力系数等﹚使被测试的车辆在底盘测功机上复现行驶工况﹙模态测试方法﹚，就

可以将车辆的动力性能、经济性能以及车辆的排放性能等多项指数进行测试和对比。由于各种行驶工况具有这不同的运动特征，为此将这些运动特征归结为四种验测模式，怠速、匀速、加速、减速。应当指出同一辆车在不同道路上行驶的工况经过测试后的结果是不相同的。 对于行驶工况的统计分析需要引入一组经过测试后统计的特征值。这些特征值主要以：距离﹙Km﹚、时间﹙s﹚、平均车速﹙Km/h﹚、平均行驶速度﹙Km/h﹚最大车速﹙Km/h﹚、最大加速度﹙m/s2﹚、平均加速度﹙m/s2﹚、最大减速度﹙m/s2﹚、平均减速度﹙m/s2﹚、怠速时间比例﹙%﹚、匀速时间比例﹙%﹚、加速时间比例﹙%﹚、减速时间比例﹙%﹚、和最大特定功率Kmax﹙m2/s3﹚等。其中特定功率K﹙m2/s3﹚的定义为2υα﹙υ—车速，m/s；α—加速度，m/s2﹚，并取最大特定功率﹙Kmax﹚作为特征值。如表1—1所示给出了国内外一些典型行驶工况部分特征值的对比分析，主要包含时间、距离、平均车速、最大加速度和最大特定功率等参数。

世界各秈典型行驶工况部分特征值 表1—1所示

工况 PTP75 LA92 UDDS SC03 HWFET ARB02 US06 WVUCITY WVUSUB WVUINTER J10.15 COMMUTER 时间/S 2475 1436 1370 601 766 1640 601 1408 1665 1665 673 330 距离/Km 平均车速 ц/﹙km/s2﹚ 17.69 25.8 15.71 39.62 11.99 31.53 5.73 34.56 16.41 77.66 31.78 70.07 12.81 77.31 5.29 13.60 24.81 25.88 11.9 54.77 4.3 22.71 6.4 70.48 最大加速度 α/﹙m/s2﹚ 1.48 3.08 1.48 2.28 1.43 3.35 3.75 1.14 1.30 1.42 0.79 1.03 最大特定功率Kmax/﹙m/s2﹚ 40.15 57.08 40.15 47.06 31.29 96.06 97.69 20.65 25.24 23.33 8.81 14.34 NEDC 1180 10.87 32.12 ECE 196 0.98 18.35 NewYorKBus 600 0.98 5.94 NYCC 599 1.89 11.43 CBDTRUCK 850 3.51 14.88 CSHVR 1760 12.77 21.87 CBDBUS 575 3.21 20.24 UDDSHDV 1061 8.88 30.34 乘用车瞬态① 1195 7.68 23.14 乘用车模态① 1195 7.68 23.08 公交车瞬态 1304 5.83 16.10 公交车模态 1304 5.84 16.12 注意：汉字代表中国，①城市行驶工况。 1.06 1.06 2.77 2.68 0.36 1.16 1.03 1.96 2.29 1.39 1.25 0.83 18,51 14.65 39.70 38.76 4.77 21.02 14.02 45.08 51.74 38.58 19.23 17.46 通过对表1—1所示的对比分析，可以看到：

① 当Kmax﹙最大特定功率﹚值较低时而平均车速较高时，也就是说是以较低的功率来维持较高的运行速度，这时的车辆是处在一种比较理想的运行状态上﹙行驶工况比较理想﹚。一般来说，车辆在畅通的道路上如高速或市郊等道路上的运行状况就是以，如通勤﹙COMMUTER﹚、高速公路﹙HWFET﹚、和州际高速﹙WVUINTER﹚等工况。 ② 当ц﹙平均车速﹚、α﹙最大加车速﹚和Kmax﹙最大特定功率﹚值都均较低时，行驶工况是最适度的，如FTP72、NEDC等工况。 ③ 当α﹙最大加车速﹚和Kmax﹙最大特定功率﹚值都较高时，车辆的运行就需要有较大的功率才能维特在该种行驶工况下运行，相比来说是一个比较高力度的行驶工况，如LA-92和SC03等。

④ 当平均速度处于20Km/h以下时，最能代表市内驾驶、如NYCC、WVUCITY等行驶工况。

从表中还可以看出，US06是比较高力度的行使工况，其各项参数几乎都是美国环保局（FTP）所规定值的2.5倍。但从单纯特定功率上来看，美国的行使工况基本都是以瞬状运行工况，包含了加速度和

负荷的多种瞬状行驶工况的变化，其特定功率要比欧洲和日本行驶工况﹙模状﹚大得多，因此对车辆的动力生能要求比较苟刻。在选择和使用各种行驶工况时，可以通过研究这些特征值来选择适合各种不同需求的行驶工况。

在表中的基本特征参数的基础上，进一步研究各个行驶工况速度﹙10Km/h为间距划分﹚区间的概率分布特征，从统计学上分析各种行驶工况之间的差异。一般来说，认证行驶工况速度区间的概率分布范围是比较宽的；而研究行驶工况则侧重于表现车辆的两个极端的运行状态，即低速区间﹙中心城区﹚和高速区间﹙市郊和高速公路﹚概率分布权重均较大的运行情况 ㈣ .汽车行驶工况的开发方法

国内外重多的研究机构和政府部门对汽车行驶工况进行了相关大量的研究工作，尽管在釆集数据方式、数据分析方法、行驶工况解析与合成手段等方面形式多样，但总体的技术流程可以归结为如图1—10所示的流程。

图1—10所示

1. 开发计划

数据釆集的方式——可按照数据釆集的车辆来分为两大类获取 数据釆集的方法。

第一类是用于专门的数据釆集试验车，采集数据。安装好所要的

测试仪器后，在预先确定的时间内、确定的目标道路上行驶的车辆，需要有规划的试验路线和时间。

第二类是直接在目标车辆上实际采集数据﹙即选取有代表性的车辆﹚。安装好所要的测试仪器后，接照各自正常的范围驾驶车辆，同时采集实际路况数据。这类采集方法在时间上和路线上没有规定，随意性很大。其优点是车辆在正常的使用状态下行驶，可以使较低的费用获取大量车型的数据。但是它不能针对确定的道路类型、有关位置、交通流量等信息的提取。

2. 试验路线和试验时间的确定——如果采用上第二类方法采集数据，则不需要考虑怎样来确定路线问题。如果采用上第一类方法采集数据，那么路线的确定将至关重要。因为路线的调查是对开发汽车行驶工况最基础的价段。其目标是从许多条道路中筛选出具有代表性的试验路线，这条路线能够集中反映出目标车辆在道路上的空间和时间分布规律，从而以少量的试验数据获得能够代表全局性的特征统计结果。实验证明，在城市内有这不同道路的等级﹙快速道、主干道、次干道、支路以及车道数、机非混合等﹚并对应着不同的交通流量和平均车速；当车辆在不同道路等级上运行时，行驶工况也有这不同的特点。在每一条不同的道路上，不同的交通强度﹙车辆流量、周转量或饱和度等﹚必然会对应这不同的行驶工况。也可以将10多辆车同时在某市区内不重复的道路上同时运行，采集数据，统计出车辆的运动学平率以及各自的份额，但是要实现这一工程需要大量的人力和物力。基于交通流量理论ц=KQ，其中ц——车速，Q——车辆流量，K

——车辆间距，通过交通流量的调查获得对应路线的交通流水平和所占有的份额。当在忽略时间差异的前提下，可以使用少量的车辆在这些路线上运行调查获取车辆运行时的数据，这种方法既科学合理又易于操作。车辆行驶工况主要是受到道路等级、交通强度、交叉路口的密度﹙路段内交叉形式和数量﹚以及时间四大因素的影响。通过调查、收集城市区域的一个周期内交通流的相关数据，并进行统计分析，根据数据的统计结果，将路线分成不同类别，再按照规定的标准进行样本的概率抽样，最后确定试验路线和试验时间。

3. 试验车辆和驾驶员的确定——试验车辆的确定需要三个方面，车辆的类型、数量和驾驶员。采用第一类数据釆集方式，车辆既可由经常关注研究目标﹙在这方面有经验﹚的专业驾驶员驾驶，但也可由一个普通驾驶员来驾驶。 ㈤ .汽车行驶工况数据的获取

1. 数据的设置——在国外许多行驶工况的研究工作在规划采集数据的类别时，为了同时满足多种用途，通常设置大量的采集参数，如车速、发动机转速、发动机油温和水温、行驶时间、行驶里程、道路坡度、节气门位置、燃油消耗量、环境温度、电气系统的能耗以及制动装置的使用情况等，甚至包括对雨刮器、照明灯、后窗加热器、空调和发动机风扇等的使用或操作。但对于开发一个具体的车辆行驶工况而言，以上这些参数并非每个都是必需的，过分的追求细节，在以统计特征为原则的行驶工况开发过程中并无具休意义。但从行驶工况的开发过程和表现结果来看，必须记录车速、发动机转速、燃油消耗量

及与燃油消耗量有关的参数﹙空调、道路坡度﹚。

2.脉冲数选择和采样间隔的设定——通常为了获得更加接近实际的数据，研究者希望尽可能利用车辆自身的传感器，而常用的外部高精度传感器如微波型和光电型等，因受雨、雪天气影响很可能不能正常工作。速度信号﹙提取ABS、TCS等﹚的脉冲数一般分别为，车轮每转一周脉冲信号数为6个、24个、48个，甚至于更高。如果从行驶工况构成参数比例分布一致性出发，建议尽可能采用多的脉冲信号数﹙48个/周以上﹚来获取实际行驶工况的数据。车载设备数据记录仪的采样频率﹙一般为5Hz、2Hz、1Hz﹚也是很重要的因素。时间间隔越长，数据波动越小；但是使用过大的采样间隔时间将会平滑掉较丈的加速度值，也将低估了低速所占有的比例。由于较大的加速度值对车辆的设计和评价有较大的影响，因此需要避免出现这种误差。根据当前车辆的传感器﹙速度传感器﹚配置情况，建议采用2Hz﹙0.5s﹚的采样频率。

3.数据量的确定——国内行驶工况调查的相关研究也不少，但结果之间的差异较大，究其原因，一方面是交通流的调查不科学，规划的试验路线不具有代表性。另一方面是，采集的原始数据量有差异﹙不完全﹚，采集的数据量与量终导出﹙计算出﹚的结果的准确性有如图1—11所示的关系。从理论上讲，采集的数据越多，结果越是准确。但是当采集的数据量达到一定值n后，即使再增加数据量，它的准确性也不关有很大的提高。同时由于客观条件的限制，采集的数据量也是一定的。在条件许可的情况下，应该尽量多采集数据，当获得海量

的数据时，又需要采用高级的统计方法和手段加以分析和整理。

图1—11所示

4. 数据的分析与整理——数据分析与整理主要有两种方法，一种方法是把整个行驶过程作为连续事实和现象用统计的方法来解析，在构建﹙计划﹚行驶工况之前要根据试验区域范围人为地划分行驶工况的等级，并人为地的合成﹙编集﹚。另处一种则是从道路交通状况入手，通过对构建﹙计划﹚整个行驶过程的各个运动学片段﹙一个段落一个段落为运动学片段﹚的研究和归类，然后构建﹙计划﹚行驶工况，这一方法是目前国外使用最新的研究方向。当车辆从起步出发到目的地停车，车辆会受到道路交通的个种情况的影响，这其间会经过多次起步、停车操作。将车辆从一个怠速开始到下一个怠速开始的运动定义为运动学片段﹙以下简称片段﹚，如图1—12所示，使整个行程就可以视为各种各样的片段组合。其中某些片段反映的交通状况可能会是一致的。随然在不同的时间、地点和道路类型也可能会出现相同的片段，有时候繁忙的高速公路上的片段和拥挤的城市道路上的片段相似。将这些片段类型和交通状况联系起来，有针对性地分析苻合

低速、中速和高速运动形态，并在此基础上构建行驶工况。

图1—12所示

把车速作为曲线时间的函数来分析，这一曲线的特征参数也可作为交通状况的函数。从原始数据中连续地分割运动学片段，并对这些片段的特征参数如特续时间、片段长度﹙道路﹚、速度、加速度等进行主要成分得的分析。在此基础上，采用聚﹙聚合﹚类分折手段再对片段进行分类，获得与交通状况相对应的类别后再作整合；最后利用概率构造出合适的时间长度，以代表适中的行驶工况。对短行程特征的分析主要从以下几个方面考虑，短行程长度，怠速时间、短行程持续时间、平均速度、运行速度﹙不包括怠速时间的平均速度﹚、最大速度以及速度和加速度的标准偏差等。

5. 行驶工况的解折与合成——由于采集的数据量庞大，统计分析非常繁杂，比如主成分分析和聚类分析方法都涉及多维矩阵﹙一种利用机算机运算的公式﹚的计算，因此数据的分析处理以及行驶工况的构建都需要利用机算机来完成。开发的工具﹙软件﹚包括：用于统计、比较运动学特征的工具﹙软件﹚；随机再现速度和加速度联合分布、行驶工况的连续性等观测分析工具﹙软件﹚；主成分分析工具﹙软件﹚；聚类分析工具﹙软件﹚；概率分布评估工具﹙软件﹚。它们用于比较最终的行驶工况数据和原始数据之间的特征参数的分布规律；行驶工况的剪载工具﹙软件﹚，是用于修正和加权行驶工况数据并能够实现可视化的处理；车辆行驶工况趋势评估工具﹙软件﹚，是能够

结合大量的不同时期的数据对车辆行驶工况进行预测。

6. 行驶工况的验证——行驶工况验证主要任务是检验解折出的行驶工况与采集的原始数据的收敛约束程度，以及是否能够以小量的行驶采集的原始数据工况段集合代表采集的道路行驶数据特征。验证过程分为三个方面：行驶工况的有效性、识别性和可操作性。这些验证主要基于以下原因。

① 行驶工况的有效性验证——在确定了行驶工况之后，是需要通过重新计算速度、加速度的联合分布变化情况，并需要通过在台架上的试验进行验证。

② 行驶工况的识别性验证——与行驶工况的目标有关，用于车辆污染排放测试时，需要检验该类行驶工况对主要污染物的识别能力。 ③ 行驶工况的可操作性验证——由于在原始数据采样过程中噪声的影响，使速度、时间曲线不够平滑；一些曲线也有可能不易被跟踪复现，必须对原始数据进行光滑平顺处理。这些数据如何处理以及处理结果如何，需要实践验证。经过计算和实践验证之后，需要在行驶工况的两种表现形式之间做出选择——瞬态行驶工况和模态行驶工况。从研究的结果来看，瞬态和模态并没有太大的影响；但从特定功率来看，因为瞬态行驶工况的加速度变化更接近于实际情况，它通常包含了多种力度的驾驶行为。因此，瞬态行驶工况的可靠性更好。尤其在研究整车控制策略时，瞬态行驶工况肯定更合适。

㈥ 电动汽车的行驶工况在整车性能分析和匹配研究中的应用

行驶工况的统计和分析在现代电动汽车的设计中起着重要的因素。匹配一辆电动汽车的动力系统，首先要确定电动汽车的行驶工况，在行驶工况分析的基础上，提出整车的动力性能指标，然后根据动力性能指标对动力系统进行参数匹配，最后釆用计算机仿真技术对系统的参数匹配结果进行险证并提出优化方案。

1. 确定动力性能指标——由于受到性能和成本的制约，现代电动汽车在设计中必须依照目前的行驶工况进行据有针对性的设计，首先要提出合理而恰当的整车动力性能指标。以北京市区使用的电动公共汽车为例，是通过十五“863”重大专项课题研究的，己经制定出了我国的典型城市公交车行驶工况，如图1—10所示，通过对该工况进行统计分析，其主要特征参数如表1—2所示。

中国典型城市公交车行驶工况 表1—2所示

参数名称 参数指标 参数名称 平均速度（Km/h） 16.1 最大减速度（m/s2） 最高速度（Km/h） 60.00 平均减速度（m/s2） 平均行驶车速（Km/h） 22.5 怠速所占时间百分比% 总行驶里程（Km） 5.83 均速所占时间百分比% 总行驶时间（s） 1304 加速所占时间百分比% 最大加速度（m/s2） 1.25 减速所占时间百分比% 2平均加速度（m/s） 0.35 参数指标 -2.47 -0.53 28.37 17.41 32.12 22.09 根据上述统计分析结果，以北京为例，结合市区道路的特点可以提出北京市区电动公交车的动力性能指标如下：最高车速≥70Km/h；0～50 Km/h加速时间≤25s；最大爬坡度≥15%。

2.整车参数匹配与仿真——在进行电动汽车的整车参数匹配时，首先要以运行工况为基础，根据动力性能指标和部件自身的技术发展水平来初步确定电驱动系统的部件性能要求，再根据部件的性能对汽车的

动力性能进行校核，从理论上初步评定该方案是否符合设计目标和要求，然后对前面的部件性能进行修正，重复以上的过程，直至达到设计目标。在上述工作的基础上再开展动力源匹配优化设计和仿真，从而完成整车系统参数匹配过程。

参数匹配过程大致可以分为初步设计、性能校核和动力源匹配三个阶段，如图1—13所示。初步设计首先确定电动机类型，然后根据电动机的特点确定变速器﹙或减速器﹚的传动比范围，进而确定变速器的挡位数和传动比，最后得到驱动电动机和变速器﹙或减速器﹚的基本参数。

图1—13所示

电动汽车性能校核主要是根据动力性能指标要求对初步设计方案进行性能校核，常用的校核项目包括最高车速、最高爬坡度和最高加速度等。如果校核不合格，则需要返回初步设计，重新改进电动机和变速器的参数。如果校核合格，则需要根据动力源的动力分配策略进行动力源的参数匹配和优化。在这一阶段，住住需要建立整车和各部件的仿真模型，并应用于系统仿真的方法来细致、精确地评估动力系统的参数匹配效果。

动力系统性能的仿真是以行驶工况作为输入，可以得到动力系统的基本性能和各个部件的基本运行状态，从而可以对电动汽车的各种指标参数进行预估和评价，并把握和洞察整车及部件的各类“动状行为”。

以一辆12m的燃料电池城市客车为例说明，该车以燃料电池+动力电池﹙FC+B﹚为混合驱动的动力系统。燃料电池为90KW的质子交换膜燃料电池，动力电池为336V/80A·h的镍氢（NiH）电池。驱动电机采用矢量控制交流感应电机，额定功率为100KW，最大功率为180KW，最大转速为6000r/min。如图1—14所示为燃料电池城市客车整车仿真模型框图，从图中可以看到，仿真模型是以汽车行驶工况作为输入，车辆控制器根据行驶工况的要求和车辆实际车速来实现整车各系统的协调控制。如图1—15所示给出了以我国典型城市公交车行驶工况作为输入行驶工况时的仿真结果，图中结果表明，仿真车速基本重合，可见该系统的匹配方案能够满足整车动力性能的要求。如图1—16所示给出了燃料电池城市客车整车动力系统中部分关键部件参数的仿真结果。

图1—14所示

图1—15所示

图1—16所示

3. 整车能量消耗和排放试验——行驶工况的另一个主要用途是进行电动汽车或混合动力汽车的能量消耗和排放试验，只有各种同类车型按照统一的行驶工况获得的能耗和排放试验结果才具有可比性。试验通常在试验场道路或转鼓试验台上进行，试验过程中需要用行驶工况监测仪进行监测，使汽车按选定的行驶工况住返行驶多次，从而测得整车能量消耗的平均值。

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