合肥市純電動公交工況研究＊

唐邦強 尹志宏 張炳力 李鎖斌

（昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院1） 昆明 650093） （合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院2） 合肥 230009）

在純電動汽車的能源管理系統(tǒng)中，最重要的輸入?yún)?shù)之一是車輛操縱狀態(tài)（如制動、啟動、加速、減速等）［1］.車輛操縱狀態(tài)有隨機性和規(guī)律性.隨機性由駕駛員單次行駛過程中根據(jù)行駛狀態(tài)隨機進行調(diào)整；規(guī)律性則是某一類汽車在行駛過程中反映出來的符合一定規(guī)律的操縱狀態(tài)，這個規(guī)律就是行駛工況.行駛工況是指某一類車輛（如乘用車、商用車）在特定環(huán)境（如市區(qū)、市郊、公路）按特定方式駕駛的速度－時間歷程.公交工況是一類特殊的行駛工況，其特點是啟制動頻繁、速度變化范圍大、平均車速低、啟停之間行駛距離短等.研究純電動公交工況目的是建立一個更合理的工況循環(huán)，為控制策略提供參考依據(jù)，控制能耗.本文就合肥市純電動公交工況的數(shù)據(jù)采集、處理、典型工況提煉與合成、分析與討論等方面展開闡述.

1 工況研究現(xiàn)狀及建立意義

國際上主要有3類行駛工況，美國行駛工況（USDC）、歐洲行駛工況（EDC）和日本行駛工況（JDC）.我國《汽車燃料消耗量試驗方法》（GB／T12545.1－2008）規(guī)定了乘用車模擬城市工況循環(huán)燃料消耗量試驗方法——十五工況法；《商用車輛燃料消耗量試驗方法》（GB／T12545.2－2001）規(guī)定六工況法和四工況法.城市公交車適用四工況法，四工況法是由換擋加速0～25km／h、勻速25km／h、加速25～40km／h、減速行駛4個工況循環(huán)組成.但是城市公交車具有特殊的運行狀態(tài)，受到氣候、道路、人流、車流、車型、駕駛習(xí)慣等因素的影響，各地具有不同的特性，上述標(biāo)準(zhǔn)與城市公交車的實際工況有差異.因此各國以典型城市為代表對公交工況進行了研究，國外著名的有紐約公交工況（CYC－New York Bus）、曼哈頓工況（CYC－Manhattan）、德國紐倫堡公交工況（CYCNuremberg R36）、倫敦公交工況（CYC－UKBUSMASS－VAR）.國內(nèi)有北京（2005）、武漢（2005）、廣州（2005）、上海（2006）、大連（2007）公交工況［2－6］.這些公交工況雖然實驗手段、合成方法不同，但都是針對當(dāng)?shù)貙嶋H情況，選擇燃料汽車按一定規(guī)律合成的.

電動汽車方面，我國《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》（GB／T 18386－2005）規(guī)定了十五工況法和等速法.城市純電動公交適用等速法，具體是在道路上進行（40±2）km／h的等速試驗，實驗過程中允許停車2次，每次不得超過2 min.顯而易見，城市純電動公交車行駛工況和現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)有偏差，因為《商用車輛燃料消耗量試驗方法》中四工況循環(huán)是針對燃料汽車，缺少對純電動公交工況影響較大的駐車工況和急加速、急減速工況，采用四工況循環(huán)不能全面反映其真實工況；《電動汽車－能量消耗率和續(xù)駛里程－試驗方法》中等速法又有些簡單，與城市純電動公交的實際運行工況有較大差別，因此有必要對城市純電動汽車公交的行駛工況進行研究，制定一套符合實際情況的純電動公交行駛工況.

2 合肥市純電動公交工況的建立

2.1 試驗線路、車型、儀器的選擇

本次工況試驗線路針對安徽合肥純電動汽車示范運營的18路純電動公交線路，該線路是全國首條純電動公交車線路，運行區(qū)間為市政務(wù)辦公區(qū)－濱湖公交站，全程17.5km，如圖1所示.試驗線路中由主干道、快速路、次干道、支路路段組成，既含有交通擁堵路段，又含有暢通路段，能充分代表合肥市的道路實際情況.

圖1 合肥市18路純電動公交車運行線路圖

試驗車輛為某公司生產(chǎn)的純電動公交車，主要參數(shù)見表1，其中：動力電池采用磷酸鐵鋰電池，300 kW·h；電池組數(shù)12組；充電時間，慢充≤6h；控制器型號為RHZC－160－S05.實驗儀器為混合動力汽車綜合測試儀，該儀器選用便攜式工控機為核心，配以GPS速度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等，用于汽車的動力性能和經(jīng)濟性能測試，以及純電動汽車行駛過程中電流電壓信號、放／充電電量的測試等.

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

采集參數(shù)：瞬時車速、行駛距離、時間、電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩、電機溫度、電池溫度、電流和電壓（以上數(shù)據(jù)采樣頻率為0.2Hz），參數(shù)采集時駕駛員正常操作，按汽車使用說明書和公交公司規(guī)定行駛，采集時記錄當(dāng)天天氣情況（氣溫、氣壓、濕度）和交通流量，采樣時間上保證交通高峰期和正常流量期均能被采集到.

數(shù)據(jù)處理過程中采用主成分分析法和聚類分析法，首先截取若干個1 200s的短行程，剔除其中的異常數(shù)據(jù)，修補缺損數(shù)據(jù)，使用軟件計算每個短行程的行車?yán)锍?，平均速度，瞬時加速度等，統(tǒng)計出行車時間、駐車時間、加速時間等.選用8個變量作為特征參數(shù)進行研究分析，見表2，繪出車速－時間歷程圖、加速度－時間歷程圖.圖2、圖3分別是某一短行程的車速－時間歷程圖及其相應(yīng)的加速度－時間歷程圖.統(tǒng)計出短行程的各工況比例，見表3.統(tǒng)計出微行程（從駐車到下次駐車之間）各工況次序，見表4.

表1 純電動客車主要技術(shù)參數(shù)表

表2 特征參數(shù)表

圖2 短行程速度－時間歷程圖

圖3 短行程加速度－時間歷程圖

表3 短行程統(tǒng)計

表4 微行程工況循環(huán)表

2.3 典型工況模塊提煉

在對每個短行程具體分析后，統(tǒng)計多個短行程數(shù)據(jù)可以看出：（1）行程由駐車階段和行車階段組成；（2）每個微行程階段大體表現(xiàn)出駐車－加速－勻速－減速－駐車的特性；（3）加速、減速階段加速度絕對值呈現(xiàn)?。螅〉奶匦?，且加速階段的最大加速度值比減速階段的最大加速度值小，也就是制動強度要大于加速階段的加速度.

根據(jù)聚類分析后的數(shù)據(jù)特性，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T12545.2－2001合成合肥市純電動公交車工況，工況分A，B，C 3個典型模塊，A模塊定義為低速狀態(tài)，駐車時間長，平均車速低，是急加速緩減速模式，適合紅綠燈多及其擁堵路段；B模塊定義為慢速狀態(tài)，駐車時間短，平均車速慢，是加減速均衡模式，適合紅綠燈較多擁堵狀況一般的路段；C模塊定義為中速狀態(tài)，駐車時間極短，平均車速中等，是緩加速急減速模式，適合紅綠燈少暢通路段.實際行駛狀態(tài)大都是A，B，C模塊的組合，只不過組合狀態(tài)不同而已.圖4是合肥市純電動公交工況循環(huán)圖，用于純電動公交車性能檢測.表5是各公交工況對比表，從表中可以看出，合肥純電動公交工況平均速度22.6km／h.這與18路公交單程45min的運行時間（平均速度23km／h）相吻合.說明了合成的工況是符合實際的.

圖4 組合工況循環(huán)圖

3 分析與討論

對比其他工況，合肥市電動公交車工況循環(huán)具有以下特點：（1）平均車速和最高速度較高；（2）最大加速度、最大減速度值偏小，說明純電動公交車起速、減速較慢，這與純電動汽車特性相符；（3）勻速時間短，駐車時間長；（4）運行時間固定，距離短，有利于實際操作；（5）工況由3個典型模塊組成，便于對實際運行狀態(tài)拆解，再組合分析.

合肥市純電動公交工況對新型快速發(fā)展中等城市具有參考借鑒意義，這些城市老城區(qū)相對狹窄，新城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施良好，道路寬闊暢通，人車流分開，與合肥情況相似，工況上也符合A，B，C 3種典型模塊的組合.對于大城市來說，工況也可以參照分解成這三個典型模塊，只是模塊中的參數(shù)值需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況進行修訂.

表5 公交工況對比表

［7］可推算出純電動汽車蓄電池的凈能量消耗Eout是速度v、時間t、加速度dv／dt的函數(shù)，即與工況相關(guān)，合理的設(shè)計工況所對應(yīng)的控制策略可以降低能量消耗.

4 結(jié)論與展望

通過對合肥市電動公交工況的建立、組合、分析與討論可知，合肥市電動公交車工況循環(huán)由A，B，C 3種典型模塊組成，符合公交車實際運行狀態(tài)，具有廣泛的城市代表性，適合作為電動汽車性能檢測的依據(jù)，同時可在此工況的基礎(chǔ)上制定控制策略.

在此的研究基礎(chǔ)上，還可以開展對工況自識別系統(tǒng)的開發(fā)與研究、電動汽車管理信息化平臺研究（實現(xiàn)對車輛技術(shù)狀態(tài)進行實時監(jiān)控）、基于工況的控制策略研究等等.

參考文獻

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