純電動(dòng)城市客車駕駛行為與能耗關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析

王圣海

(上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心 大客車分中心，上海 201108)

能耗是純電動(dòng)城市客車的重要性能，它影響公司的運(yùn)營(yíng)成本，影響車輛的續(xù)駛里程，還影響車輛的電量配置,從而影響車輛的成本。影響能耗的因素比較多，如車輛配置零部件的效率特性[1-4]、整車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平[5-8]、整車控制策略[9-10]等。本文沒有從這些影響因素展開論述，而是通過對(duì)車輛運(yùn)行過程中駕駛員操控動(dòng)作、車輛運(yùn)行特征與能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性進(jìn)行分析，提出影響車輛能耗的駕駛行為因素及相關(guān)建議。

1 數(shù)據(jù)收集

1.1 試驗(yàn)車輛的選取

試驗(yàn)車輛的狀態(tài)要盡可能一致，只有駕駛?cè)藛T不同，這樣的試驗(yàn)結(jié)果才能準(zhǔn)確反映駕駛行為因素對(duì)能耗的影響。本試驗(yàn)所用的4輛城市客車屬同一批次產(chǎn)品，配置完全相同，各零部件特性如電機(jī)效率MAP等也完全相同，運(yùn)行線路相同，編號(hào)分別為A、B、C、D，4車的駕駛員不同。

試驗(yàn)車輛有關(guān)參數(shù)為：車長(zhǎng)12 m，整備質(zhì)量12 100 kg，最大滿載總質(zhì)量18 000 kg，純電動(dòng)直驅(qū)方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出扭矩是3 000 Nm，車輛最大時(shí)速69 km/h。

1.2 數(shù)據(jù)的采集及處理

試驗(yàn)過程中在4車的CAN總線上加裝CAN記錄儀，采集整車動(dòng)力系統(tǒng)和電附件系統(tǒng)零部件的工作狀態(tài)信息，包括動(dòng)力電池的電壓和電流、電機(jī)控制器輸入的直流電壓和電流、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩、剎車和油門的開度、擋位等。試驗(yàn)車輛在公交線路上運(yùn)行一個(gè)星期后，從車上拆下CAN記錄儀，導(dǎo)出有關(guān)的數(shù)據(jù)，用以分析研究。

用Vector公司的CAN log采集完數(shù)據(jù)后，再用其CANoe軟件打開采集的blf格式數(shù)據(jù)，將CAN記錄儀導(dǎo)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Excel格式的數(shù)據(jù)，與整車的電機(jī)效率MAP、整備質(zhì)量、最大車重、主減速比、輪胎滾動(dòng)半徑、整車滑行系數(shù)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率等數(shù)據(jù)一起由Matlab軟件讀入并由Matlab計(jì)算出車速數(shù)據(jù)(由電機(jī)轉(zhuǎn)速、主減速比、輪胎滾動(dòng)半徑計(jì)算得出)和車輛加速度數(shù)據(jù)(根據(jù)車速在單位采樣時(shí)間內(nèi)的變化量得出)，并由公交循環(huán)中車輛車速絕對(duì)值與時(shí)間的積分除以車輛總的運(yùn)行時(shí)間可以計(jì)算出車輛平均速度，同理Matlab可以計(jì)算出平均正向加速度和負(fù)向加速度。同時(shí)Matlab還要計(jì)算出制動(dòng)時(shí)間百分比和阻力功耗。車輛的運(yùn)行阻力由式(1)計(jì)算[11]：

F=a+bv+cv2

(1)

車輛的運(yùn)動(dòng)阻力功耗根據(jù)式(1)得出，即阻力功耗

(2)

每公里的運(yùn)動(dòng)阻力功耗是在公交循環(huán)中按照上式的計(jì)算值除以行駛里程得到的平均值。

2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果及分析

通過對(duì)4車一個(gè)星期的多組公交循環(huán)數(shù)據(jù)的處理分析，駕駛行為、零部件、車輛各特征數(shù)據(jù)等與能耗數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性影響因素逐漸清晰。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，車輛加速過程中的平均正向加速度、減速過程中的平均負(fù)向加速度、車輛行車過程中處于制動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間百分比、車速的大小、電附件工作狀態(tài)等因素都對(duì)能耗特性有明顯影響，具體分析如下。

2.1 加速度對(duì)能耗特性的影響

圖1是各車加速過程中平均加速度與電機(jī)能耗的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖。正向加速度即車輛加速過程中沿車輛行進(jìn)方向的驅(qū)動(dòng)加速度，負(fù)向加速度即車輛制動(dòng)減速過程中沿車輛行進(jìn)方向的制動(dòng)加速度。

從圖1(a)可知，正加速度與電機(jī)能耗關(guān)系是正相關(guān)，(平均)正加速度越大，說明駕駛員快踩、深踩油門的機(jī)會(huì)越多，車輛處于急加速的狀態(tài)越多。這樣直驅(qū)電機(jī)工作在高負(fù)荷區(qū)的機(jī)會(huì)比較多，而電機(jī)效率MAP圖中高負(fù)荷區(qū)通常都是效率相對(duì)較低的區(qū)域，因此,電機(jī)高負(fù)荷區(qū)工作機(jī)會(huì)越多電機(jī)能耗就會(huì)越大。這一點(diǎn)從車輛起步過程可以明顯看出，起步時(shí)如果油門全開電機(jī)處于零轉(zhuǎn)速最大扭矩工作點(diǎn)，此時(shí)的電機(jī)效率僅約為50%，在其他大負(fù)荷區(qū)域電機(jī)同樣效率相對(duì)較低，功耗大。因此(平均)正向加速度大的車輛能耗較高。

從圖1(b)可知，車輛的(平均)負(fù)向加速度絕對(duì)值越大，電機(jī)的平均能耗越高；(平均)負(fù)向加速度絕對(duì)值越小，電機(jī)的平均能耗越低。二者的相關(guān)性是負(fù)相關(guān)。平均負(fù)向加速度的絕對(duì)值越大，意味著車輛處于深度剎車的機(jī)會(huì)比較多，時(shí)間較長(zhǎng)。處于深度剎車時(shí)雖然車輛的一部分動(dòng)能被電機(jī)回饋發(fā)電，但由于此時(shí)電機(jī)工作在效率較低的高負(fù)荷區(qū)，深度剎車時(shí)電機(jī)回收能量較少，浪費(fèi)的能量較多。因此,車輛的平均負(fù)加速度絕對(duì)值越大，電機(jī)能量損失越大，車輛的能耗特性越差。

(a)正向加速度與能耗

(b)負(fù)向加速度與能耗

實(shí)際車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，平均正向加速度較大的車輛其負(fù)加速度絕對(duì)值通常也較大，這種通過頻繁的加速、減速動(dòng)作控制車輛行進(jìn)速度的駕駛習(xí)慣會(huì)導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)的能量損耗較高，而且深度剎車時(shí)氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)介入工作，整車動(dòng)能最終會(huì)被制動(dòng)盤吸收轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)掉，導(dǎo)致整車能耗升高。

2.2 制動(dòng)時(shí)間百分比對(duì)能耗特性的影響

圖2是各車電機(jī)系統(tǒng)每公里能耗與制動(dòng)時(shí)間百分比關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知，制動(dòng)時(shí)間百分比與電機(jī)能耗相關(guān)性是正相關(guān)，制動(dòng)時(shí)間百分比越大，電機(jī)能耗就越高；制動(dòng)時(shí)間百分比越低，電機(jī)能耗越低。

圖2 制動(dòng)時(shí)間百分比與能耗

制動(dòng)時(shí)間百分比越大，說明車輛處于制動(dòng)狀態(tài)的機(jī)會(huì)越多。制動(dòng)過程雖說伴隨著電機(jī)能量回饋，但由于電機(jī)的效率不可避免地存在著能量耗散，電機(jī)系統(tǒng)會(huì)浪費(fèi)掉較多的能量。另外，深度剎車時(shí)一部分車輛動(dòng)能被氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)吸收轉(zhuǎn)化為熱能消失；車輛制動(dòng)次數(shù)多，會(huì)消耗掉較多的壓縮空氣，電動(dòng)空壓機(jī)的負(fù)載率會(huì)升高，同樣會(huì)引起車輛能耗的增加。因此制動(dòng)時(shí)間百分比大的車輛能量耗散、損失機(jī)會(huì)多，車輛能耗高。

2.3 平均車速對(duì)能耗特性的影響

圖3是平均車速與車輛每公里運(yùn)動(dòng)阻力功耗相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知平均車速與阻力功耗相關(guān)性關(guān)系是正相關(guān)，平均車速越高，運(yùn)動(dòng)阻力功耗數(shù)值越大，平均車速越低，運(yùn)動(dòng)阻力功耗數(shù)值越小。

圖3 運(yùn)動(dòng)阻力與能耗

實(shí)際統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)平均車速為31 km/h時(shí)，每公里的阻力功耗有0.136 kWh，而平均車速為40 km/h時(shí)，每公里的阻力功耗已達(dá)0.2 kWh以上。阻力功耗隨車速上升得非常快(3次方關(guān)系)，它直接影響車輛的驅(qū)動(dòng)能耗，要改善車輛的能耗特性，必須控制車速,不能過高。

3 結(jié)束語(yǔ)

不同的駕駛習(xí)慣對(duì)于城市客車的能耗有顯著影響，不良駕駛習(xí)慣的能耗要比良好駕駛習(xí)慣的能耗高出30%以上。具有專用行車道路的城市客車，可以通過控制系統(tǒng)的功能優(yōu)化控制車輛的運(yùn)動(dòng)特性，從而優(yōu)化車輛的能耗特性。如控制系統(tǒng)可以引入GPS信息等用于主動(dòng)控制車輛在公交循環(huán)中的車速和扭矩輸出，使其處于較為合理的水平，從而降低車輛能耗。