（车辆工程专业论文）城市公交车行驶工况的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近些年，我国对节能汽车的研究不断深入。2 0 0 9 年2 月，财政部与科技部共同公布 了在国内1 3 个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的决定。在对节能汽车的设 计过程中，需要一个合理的行驶工况循环图来完成整车动力匹配及制定控制策略。本文 主要以某城市示范运行的混合动力城市公交车为研究对象，以试验室参加的国家科技部 ”8 6 3 ”计划课题为背景，针对城市公交车行驶工况循环图从建立到分析检验的全过程展 开研究。 首先对行驶工况作了相关研究，文中分别介绍了行驶工况的提出背景、相关概念、 分类方法及构建过程中所遵守的原则，它们为城市公交车行驶工况循环图的建立提供了 理论基础。 确定了构建行驶工况的总体方案后，试验小组设计了g p r s 无线通讯模块采样设备 来获得反映车辆真实行驶状况的数据；将g p r s 无线通讯技术与车上c a n 总线通讯技 术结合到一起，以精简的硬件结构获得了远程在线察看及存储数据的功能。 利用统计学相关原理，借助m a t l a b 专业计算软件，可以归纳出城市公交车特有 的行驶规律，相应地构造出行驶工况循环图的解析方法，并按此方法建立所在城市的公 交车行驶工况循环图。 为了分析所建立的城市公交车行驶工况循环图的实际应用价值，试验小组以该工况 为参考，重新调整了原混合动力车的控制策略。不同于以往采用a d v i s o r 软件对整车 建模进行仿真试验，文中采用了一种国外新的建模技术能量宏观再现( e m r ) 法对 试验车型串联式混合动力客车进行建模；同时，试验采用逻辑门限值法作为整车调 整的控制策略。 最后，选定燃油经济性作为检验控制策略调整效果的标准，进而分析所构建工况的 实用价值。将调整过控制策略的混合动力客车与另一台未改变控制策略的客车作了油耗 对比试验，结果为调整过控制策略的车油耗明显少于另一台车，这样证实了以所构建出 的城市公交车行驶工况循环图为参考来调整控制策略，具有实际应用的价值。 关键词：城市公交车；行驶工况；混合动力；e m r ；油耗 城市公交车行驶工况的研究 r e s e a r c ho nt h er e a l w o r l dd r i v i n gc y c l ef o rc i t yb u s e s a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h er e s e a r c ho ne n e r g y - e f f i c i e n tv e h i c l e sh a sm a d eag r e a tp r o g r e s s i n f e b r u a r y ，2 0 0 9 ，c h i n e s eg o v e r n m e n ta n l l o u n c e dt h ed e c i s i o nt os u b s i d i z ee n e r g y e f f i c i e n t a n dn e w e n e r g yv e h i c l e si nt h ep u b l i ct r a n s p o r ts e c t o ri n13c i t i e s i nt h ec x ) u g eo fd e v e l o p i n g n e wv e h i c l et y p e ，t oc o m p l e t et h ep o w e r m a t c h i n ga n de s t a b l i s he n t i r ev e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g y , ar e a s o n a b l ev e h i c l ed r i v i n gc y c l ei sn e e d e d t l l i sp a p e rt a k e st h ed e m o n s t r a t i o nh y b r i d e l e c t r i cb u sa st h er e s e a r c ho b j e c t , a n dl a u n c h e st h er e s e a r c ho ft h ew h o l ep r o c e s sf r o m e s t a b l i s ht oe x a m i n a t i o no f t h ev e h i c l ed r i v i n gc y c l e ，b a s e do n 8 6 3 ”p r o j e c t f i r s ts y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h ed r i v i n gc y c l e ，s e p a r a t e l yi n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n d ， c o r r e l a t i o nc o n c e p t , c l a s s i f i e dm e t h o do ft h ed r i v i n gc y c l e , w h i c hp r o v i d e dt h er a t i o n a l e f o u n d a t i o nf o rt h ee s t a b l i s h m e n to f c i t yb u sd r i v i n gc y c l ec i r c u l a t i o nc h a r t a f t e rt h ed e t e r m i n a t i o no ft h ee x p e r i m e n tp l a n , g p r sw i r e l e s sm o d u l es a m p l i n gm e t h o d w a sd e s i g n e dt oo b t a i nd a t a , w h i c hc a l lr e f l e c tt h er e a lt r a v e lc o n d i t i o n s t h ec o m b i n a t i o no f t h eg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t hc a n - b u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf u l f i l l sr e m o t e o n l i n em o n i t o ra n dm e m o r yo ft h er e a l - t i m ed a t aw i t hs i m p l i f i e dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e b a s e do nt h em a t h e m a t i c a ls t a t i s t i cp r i n c i p l e ，谢t ht h ea i do ft h em a t l a b s o f t ：w a r e ，u n i q u e r u l e so ft h ec i t yp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ni sa n a l y z e d ，a n dt h ea r i t h m e t i ct os e tu pt h ed r i v i n g c y c l ei sb u i l t , w h a t sm o r e , t h ev e h i c l ed r i v i n gc y c l ec i r c u l a t i o nm a pf o rt h i st r a n s p o r t a t i o n l i n ei se s t a b l i s h e d t oc h e c kt h er a t i o n a l i t yo ft h eb u i l t 埘v i n gc y c l ec i r c u l a t i o nm a p ，t h ec o n t r o ls t r a t e g y f o rt h ec i t yb u si sr e a d j u s t e dw i t ht h i sm a pa st h er e f e r e n c e u n l i k eu s u a l l yt a k i n ga d v i s o r s o f t w a r et os i m u l a t ef o rt h ee n t i r ev e h i c l e ，h e r eo n en e wm o d e l i n gt e c h n o l o g y - e n e r g y m a c r o s c o p i cr e p r e s e n t a t i o n ( e m r ) i su s e dt ob u i l dt h em o d e lf o rs e r i e sh y b r i de l e c t r i cb u s i n a d d i t i o n ，t h el o g i ct h r e s h o l dc o n t r o lm e t h o di st a k e na st h ec o n t r o ls t r a t e g y f i n a l l y ，t h eo i lc o n s u m p t i o nw a sc h o s e na st h ec r i t e r i o nt oc h e c kt h ec o n t r o ls t r a t e g y , s e q u e n t i a l l ya n a l y z et h ev a l u eo ft h eb u i l td r i v i n gc y c l e t h ee x p e r i m e n tt oc o m p a r eo i l c o n s u m p t i o no ft h eb u sw i t ht h ea d j u s t e ds t r a t e g ya n dt h eb u s 、矶廿lt h ef o r m a lo n e i st a k e n e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ev e h i c l ew h i c hh a sc h a n g e dt h es t r a t e g yi ss u p e r i o rt o t h eo t h e ro n ew i t ht h eo i lc o n s u m p t i o n t h u si t sa na p p l i e dm e t h o do fs e t t i n gu pt h ev e h i c l e d r i v i n gc y c l ec i r c u l a t i o nm a p k e yw o r d s ：c i t yb u s ；d r i v i n gc y c l e ；h y b r i dp o w e r ；e m r ；o i lc o n s u m p t i o n i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：笪邀立金塞主堑壁王猩鲍珏窒滏 作者签名：j 阜趋 日期： 4 年- 二l 月三日 导师签名：舻 日期：鲨 年；月孓日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 笪速立坌塞主猛壁王狸鲍叠壅滏 作者签名：趟萎l 一日期：茸年z 月三日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 2 0 0 9 年2 月5 日，国家财政部和科技部联合出台节能与新能源汽车示范推广财政补 助资金管理暂行办法，办法决定在北京、上海、重庆、长春、大连、杭州、济南、武 汉、深圳、合肥、长沙、昆明、南昌1 3 个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作， 鼓励试点城市率先在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域推广使用节能与新 能源汽车。混合动力公交车属于节能与新能源汽车这一范畴，对其开发具有重要意义。 在研究新车型的过程中，为了完成整车动力匹配及制定控制策略，需要一个合理的车辆 循环工况刚旧】。 现在国内外有一些标准的循环工况，如国内有用于重型混合动力汽车能量消耗试验 的中国典型城市行驶工况【3 】；国外有美国的f t p 7 5 、欧洲e c e l 5 和日本的1 0 1 5 等法规 用行驶工况【4 1 。但是，车辆在行驶过程中的实际循环工况与标准循环工况之间都会存在 或多或少的偏差，当混合动力电动汽车的实际循环工况与其设计所依据的标准循环工况 相差较大时，其实际油耗与设计预计油耗就会相差很大。据相关实验数据表明，在汽车 动力总成确定的情况下，采用一种控制策略让车辆按不同循环工况运行，汽车的百公里 油耗是不同的【5 1 。所以，为了使研究车辆在实际运行时获得理想油耗以及其他相关性能， 亟待构造一个与车辆实际行驶状况相符合的行驶工况循环图。本文就城市公交车的实际 行驶工况展开研究。 首先，对行驶工况在混合动力车研制过程中的重要作用及目前国内外对城市公交车 行驶工况的研究现状进行介绍。 1 2 行驶工况的作用 确定h e v 最佳混合度和优化整车控制策略是研制混合动力车的过程中非常重要的 两个环节，在不同行驶工况下，h e v 最佳混合度和控制策略的优化结果是不同的。这里 就不同行驶工况对这两个环节产生的影响进行介绍，从而可以清楚行驶工况所起到的重 要作用【6 1 。 1 2 1 行驶工况对h e v 最佳混合度的影响 混合度痧定义为电机额定功率p m 占总功率( 即发动机与电动机额定功率之和) p r 的比例。依据此定义可知尹在0 - 1 之间，传统汽靳为0 ，纯电动汽移为1 。并联混合动 力驱动系统的混合度计算公式如下式( 1 1 ) ： 城市公交车行驶工况的研究 厂：生：1 一旦：】一 墨 ( 】) pp( e + 己) 式中： e 为发动机额定功率。 为了体现工况与混合度的关系，必须从工况中提取一些参数作为工况信息的特征描 述。现已知道描述工况信息的参数有2 4 个之多【刀，这里选取对h e v 匹配和控制策略的优 化影响较大的参数，即功率和转矩的统计特征：平均功率需求k ，、功率需求标准差、 平均转矩需求蜊、转矩需求标准差以及停车时间占总时间的比例如打5 个参数【8 】 来讨论工况与动力总成匹配以及控制策略优化之间的关系。如表1 1 所示是几种工况下统 计特征值与最佳混合度厂，的数值。 表1 1 几种工况中的统计特征参数值及最优混合度 t a b 1 1o p t i m a lh y b r i d i z a t i o na n ds t a t i s t i c a ld i a g n o s t i c 呈婴宝堕2 1 兰兰翌! 堑也g z ! 宝兰 工况名称 嚣罐磬髦慧警鬻乞锍腮澄，锱掌 从表1 1 数据可以看出，混合度与工况平均功率和其标准差之间存在一些关联的变化 趋势。尽管混合度与工况的统计特征值之间的关系还是未知的，可是我们可以通过对大 量工况的仿真试验，得到足够的样本数据，从而利用统计学的相关理论和方法或者是利 用神经网络工具对其进行回归分析，相信可以找到一个合理的关系。 1 2 2 行驶工况对h e v 控制策略的影响 在一定的工况背景下得到的最佳控制策略，都具有一定的局限性，虽然部分实时优 化控制策略可以做到不受具体工况的制约，但为了满足蓄电池荷电状态( s o c ) 保持这 一全局性要求，不得不依据s o c 相应地改变动力元件的工作状态，这样最终的控制效果 还是不能摆脱特定的工况背景。这里以基于等效燃油消耗率最小化的离线瞬时优化控制 策略为例就行驶工况对h e v 控制策略的影响进行说明。该策略是根据车辆行驶过程中可 能遇到的各种转矩需求和车速条件进行遍历寻优得出的结果，在线应用时增加了惩罚函 数( 见式( 1 2 ) ) 对优化结果的修正，该策略详细描述见文献【9 1 。 2 大连理工大学硕士学位论文 k = 1 - a x 3 ) c + 6 z s 4 0 c ( 1 2 ) 式中：彤为惩罚系数；x s o c 为蓄电池s o c 经过标准化在 - l ，l 】范围内的值；a ，6 为 系数。 要使实际行驶工况下的控制策略达到最佳，必须对惩罚函数的具体表达形式或者是 其中的系数进行针对性的调整，本文中调整系数b 的值。 表1 2 惩罚函数采用不同可调参数时对应的燃油经济性和最终稳定的s o c 值 t a b 1 2f u e le c o n o m ya n df i n a ls t a b l es o ca d o p t i n gd i f f e r e n t 呈虫旦! 堡垒! 宝p i 竖! 翌! ! 兰兰2 1 坐宝p 坚翌! 兰垒! 里g ! 旦呈曼! 1 2 呈 燃油经济性1 l 最终稳定的s o c 值 。 工况 b = 0 4b = 0 2b = 0 0b = 0 2b = o 4b = - 0 4b = - 0 2b = 0 0b = 0 2b = 0 4 表1 2 为不同工况下，采用等效燃油消耗率最小化的离线瞬时优化控制策略，调整惩 罚函数中的参数b 时得到的燃油经济性，以及最终s o c 稳定的值。 从表1 2 中可以看出，对每一种工况，均有一个最佳系数b ，使燃油经济性和最终稳 定的s o c 值最好。例如e t c 城市工况下，b = 0 2 时的燃油经济性较好，而b = 0 4 时，最终 稳定的s o c 值较高；而对于w v u c - i - 况，b = 0 时的燃油经济性较好，而b = 0 2 时，最终稳 定的s o c 值较高。将上述结果进行拟合，便可以得到各种工况下的最佳的可调参数，从 而对实时控制提供依据，使控制策略对实际工况适应性增强。由此可见，以不同的行驶 工况作为控制策略调整的参考，所得到的最佳可调参数的结果是不同的，即行驶工况对 h e v 控制策略存在影响。 通过行驶工况在以上两个设计环节中的影响，我们可以看出行驶工况在整个混合动 力汽车研制过程中具有非常重要的意义。 1 3 国内外行驶工况研究现状 这一节将分别从国外、国内目前对车辆行驶工况循环的研究现状进行介绍。 城市公交车行驶工况的研究 1 3 1 国外城市客车工况循环介绍 在电动汽车仿真软件a d v i s o r 中主要有六种国外城市客车工况循环： c y c b u s r t e 、c y c c b d b u s 、c y c m a n h a t t a n 、c y c n e w y o r kb u s 、c y c n u r e m b e r gr 3 6 、c y c u k b u s m a s s v a r in o 】。 a c y cb u s r t e t 况：实测于美国丹佛市1 6 大街的购物客车。路线全长1 1 6 5m i l e ，有 2 8 个停靠站，每段达到峰值车速18 m p h 。 b c y cc b d b u s 工况：用于中心商业区试验循环。工况包含1 4 个循环，用于仿真公共 汽车的停走循环驱动模式。该工况是b u s i n e s sa r t e r i a lc o m m u t e r ( b a c ) 复合试验 工况的一部分。b a c ( 曾设想用于表示长途运输工况循环) 作为s a e j l 3 7 6 ( 已于1 9 9 7 年取消) 的一部分用于测评重型车燃油经济性。 c c y cm a n h a t t a n 工况：用于曼哈顿地区的公共汽车驱动工况，数据来自混合电动和传 统公共汽车在纽约市几条公共汽车线路上的行驶工况，每一段都有几段组成，包括怠速、 加速、减速工况。整个数据包含来自传统公共汽车2 8 7 微段工况，以及来o r i o n l m c s 混合电动公共汽车1 1 2 微段工况。 d c y cn e wy o r kb u s 工况：用于纽约市的重型车或公共汽车行驶工况。 e c y cn u r e m b e r gr 3 6 工况：实测于德国纽伦堡市3 6 路公共汽车线路工况，见图1 1 。 上 昌 j o 甘 爱 i i 寸问s 图1 1 德国纽伦堡市3 6 路公共汽车线路工况 f i g 1 1c y c _ n u r e m b e r gr 3 6 f c y cu k b u sm a s sv a r 工况：为伦敦公共汽车线路的实测数据，考虑了实测线路 中乘客人数的变化。 世界范围内车辆排放测试用行驶工况可分成3 组：美国行驶工况( u s d c ) 、欧洲行 驶工况( e d c ) 和日本行驶工况( 巾c ) ；美国f t p ( 联邦认证程序) 为代表的瞬态工 况( f t p 7 2 ) 和e c e 为代表的模态工况( n e d c ) 也为世界各国所采用，如图1 2 。 a 美国行驶工况 4 大连理工大学硕士学位论文 美国行驶工况种类繁多，用途各异，大致包括认证用( f t p 系) 、研究用( w v u 系) 和短工况( i m 系) 3 大体系，广为熟知的有联邦测试程序( f t p 7 5 ) 、洛杉矶9 2 ( l a 9 2 ) 和负荷模拟工况( i m 2 4 0 ) 等行驶工况。 幺 荔 磋 缫 缀 f i g 1 2n e d c 蛐dn e d c v - tp i c t u r ef o rd r i v i n gc y c l e ( 1 ) 乘用车和轻型载货汽车用行驶工况 在2 0 世纪6 0 年代，人们上下班所用汽车排放的废气，使美国加州洛杉矶出现了烟雾 空气。为改善这种状况，需要削减汽车废气排放量。经过研究，从一条具有代表性的汽 车上下班路线上解析出车辆的速度时间曲线，在1 9 7 2 年被美国环保局( 简称e p a ) 用 作认证车辆排放的测试程序( 简称f t p 7 2 ，又称u d d s ) 。按照这种程序来控制车辆排 放削减，被认为考虑了最严格的情形。f t p 7 2 由冷态过渡工况( 0 5 0 5 s ) 和稳态工况 ( 5 0 61 3 7 0 s ) 构成。1 9 7 5 年在f t p 7 2 基础上加上6 0 0 s 热浸车和热态过渡工况( 重复冷 态过渡工况) 。4 个阶段构成f t p 7 5 ，持续时间2 4 7 5 s ，同时可用于车辆热启动排放的检 查。由于交通网络的发展，道路出现许多主干线和高速道路，车辆高速运行时间在出行 的时间中所占的比例越来越大，发动机3 种主要污染物的排放特征发生改变，e p a 发布 了f t p 修订。研究者们开发了许多能够更好反映真实交通状况的循环，如考虑了道路变 化的u s 0 6 、车辆开空调满负荷运行的s c 0 3 等，作为f t p 的补充工况，形成s f t p ( s u p p l e m e n t f t p ) ，并应用于2 0 0 1 年度后生产车型的排放测试。而被e p a 用于乘用车 高速公路燃油经济性测试的循环( h w f e t ) ，由于道路坡度对于车辆油耗的影响，还 开发了可变坡度的循环h w f e t - m t n 。除了上述工况外，尚有以下几个研究成果。 5 城市公交车行驶工况的研究 具有更高的最大速度和平均速度、较少的怠速运行时间和停车次数英里，以及更高的 最大加速度的l a 9 2 ( 洛杉矶9 2 ) 。 a r b 0 2 由c a r b ( 加州环保署) 开发的基于跟踪车辆的工况研究，它包括冷启动和行 程结束部分，目的是测试车辆的实际操作研究结果则超出了f t p 7 2 的排放消减量。 h l 0 7e p a 协同汽车制造商开发的发动机循环，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能力；在这种加速情形下大多数车辆必须全开油门。其用于在各种 速度层级的开发和修正美国现有工况循环。 针对未被f t p 循环描述和覆盖的车辆运行工况区域，开发了一些工况循环。如代表驾 驶工况的r e p 0 5 ( r e p f t p 之外) ；根据启动状况研究的r e m 0 1 ( r e m a i n d e r ) 循环。它 们以速度和加速度为目标，注重研究更加细致的瞬态变化效果。 ( 2 ) 重型车用行驶工况 重型车辆的研究近年来有侧重于瞬态工况方面的趋势。其中b a c 被推荐作为测试重 型车燃油经济性的操作规程( s a e 儿3 7 6 ) 。c b d l 4 是商业中心区域车辆测试循环，也 是b a c 复合测试循环的一部分，运用1 4 个相同的循环模拟公交车停车运行的驾驶模 式。c b d l 4 近似于c b d b u s 循环，但是时间步长可变。其它还有用于货车的 c b d t r u c k 循环、城郊通勤往返测试的c o m m u t e r 循环。 比较著名的还有市内测功机测试循环( u d - d s h d v ) ：模拟重型汽油机市内区域的 操作，运行长度为1 0 6 0 s ，3 3 为怠速、平均速度3 0 4 k m h ，并用于燃油蒸发排放测试。 纽约城市循环( n y c c )则更是代表了市内区域道路大型车辆的运动工况。它们作为 f t p 标准工况被广泛应用。 除了用于底盘测功机的工况外，对于重型车辆，还有使用在发动机台架上的代表性 工况，它用发动机转速和转矩计算的车辆特性( 最大功率比率、最大转矩) 来描述。测 试工况循环包括一套稳定的按照发动机转速和转矩( 欧洲和日本规则) 定义的操作事项， 或者是同时以瞬时发动机速度转矩指示( 美国规则) 的“瞬态 循环。 b 欧洲行驶工况 在欧洲，为研究适合欧洲的交通状况的循环，研究人员系统地比较各种已有的用于 测量和控制排放程序( 欧洲、日本和美国) 和技术( 采样和分析装备等) ，通过各种不 同的车辆，研究车辆行驶工况。依据道路拥挤程度或流量大小，分类定义成不同道路区 域，如市区、郊区和高速以及平均速度、加速度的多种层级归类，人为地开发和层叠成 稳定的速度和加速度段。用于在底盘测功机上认证轻型车排放的e d c ，在欧洲又称为 m v e g 2 a ，现发展成为新e d c ( n e d c ) 。在该循环里局部循环速度是恒定的，是一种 稳态工况。包括市内( e c e l 5 ) 、市郊( e i j l ) c ) 或市郊低功率车( e u d c l ) 。e c e l 5 是一个包括4 个代表市区驾驶状况的运转循环( u r b a n - d c ) ，具有低速、低负荷和低排 气温度的特性。由于车辆城郊运行比例增加，1 9 9 2 年开发了代表高速行驶工况的e u d c 6 大连理工大学硕士学位论文 或e u d cl o w 片段，在e c e l 5 基础上增加1 ) 卜e u d c 或e u d cl o w ，就构成现在大家熟 悉的e c e + e u d c 。在2 0 0 0 年之前( 即欧洲i i 排放法规) 实际应用时，工况不计量0 - - 一4 0 s 的运转。而欧洲h i n 排放法规则由于更加严格控制车辆排放( 考核发动机冷启动排放) ， 排放采样和运转循环同步，采用完整的运转循环，并称之为新欧洲运转循环( 简称 n e d c ) 。其持续时间为1 2 2 0 s ，平均速度为3 2 1 2 k n 曲，最大加速度为1 0 6 m s 2 。 欧洲e c e r l5 4 所采用的运转循环，针对手动和自动挡车辆就考虑了这种差异的行 驶距离和平均速度分别为4 0 6 k i n 和1 8 7 k m h 以及3 9 8 k i n 和1 8 4 k m h 。从速度时间曲线中 分析发现，欧洲循环稳定速度的比例太高；各种驾驶状况的分布不均，如平均驾驶工况 的持续时间短而中心市区驾驶工况的持续时间长等，而且平均加速度值也比真实的要低 一些；e c e 循环仅接近过去时代的城市中心状况。总之，这种循环存在着相当的局限性。 当欧洲循环被认为不充分时，研究人员确认f t p 7 2 循环能相对较好地满足欧洲城市的平 均交通状况。主要原因是由于n e d c 属于模态循环，并不能代表真实的驾驶状况。出于 开发新型动力车辆的需要，欧洲基于b r i t ee u r a m h y z e m 项目开发了一组称之为 h y z e m 循环的实际行驶工况，它属于瞬时循环。h y z e m 1 2 】包含了市内循环、市郊循环 和高速循环。该工况基于贯穿欧洲城市道路、8 9 部车辆真实驾驶模式记录数据库，因而 它比标准的欧洲循环更能代表驾驶条件。相对于模态循环，其稳定速度部分要少很多。 平均速度4 0 4 k n g h ，停车次数o 6 9 次k i n ，平均加速度0 7 1 r i g s 2 ，最大加速度1 3 州s 2 。 可能由于它是1 9 9 7 年后的研究成果，尚未被官方所采用，但已被各种研究广泛使用。 c 日本行驶工况 与欧洲行驶工况相似，日本工况也属于模态工况。在1 9 7 6 年之前，日本一直采用1 0 工况( 1 0 m o d e ) 来模拟市内行驶工况，重复6 次，对后5 次取样，即所谓热启动。1 9 7 6 年度以后生产的车型，采用1 l i 况，从冷启动开始，重复4 次循环，对全过程采样，行 驶距离和平均速度分别为4 0 8 k m 和3 0 6 k m h 。1 9 9 1 年1 1 月，采用了1 0 1 5 工况，由4 个1 0 工况和1 个1 5 工况构成。虽然j 1 0 1 5 工况并未成为国际工况，但行驶工况的研究在日本仍 得到持续和深入。日本坚持自己的工况( 世界其他各国，或采用欧洲或采用美国) ，主 要是该工况与欧洲、美国的认证行驶工况具有良好的相关性。 1 3 2 国内城市客车工况循环介绍 在法规采用的行驶工况中，我国现行的g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 轻型汽车排放污染物 测试方法和g b f r18 3 6 8 2 0 0 l 电动汽车一能量消耗率和续驶里程一试验方法都 是基于e c e l 5 工况的。g b f t1 2 5 4 5 2 0 0 l 乘用车辆燃料消耗量试验方法中模拟城 市工况循环燃料消耗量试验也使用e c e l 5 i 况。 7 城市公交车行驶t 况的研究 与先进发达国家相比，我国对研究用汽车行驶工况方面的研究工作开展得较晚，真 正意义上的开展主要集中在一些高校、研究所或大城市。如东南大学、广东工业大学、 清华大学、天津大学、香港、北京、成都、武汉等。下面将以北京、武汉、上海三个城 市对公交车行驶工况的研究情况为例进行介绍。 a 北京城市客车循环工况【1 3 】 对北京城市循环工况的开发，大致经过如下5 个步骤，分别为： ( 1 ) 调研 调研的目的是确定研究城市的地域分布、线路选择和车辆选择。其中正在使用和规 划使用清洁汽车的线路作为重点试验对象。同时，制定出试验方案。 ( 2 ) 试验准备 ， 确定好测试线路和试验车辆后，即进入试验准备阶段，主要是把试验仪器安装在被 测试验车辆上，如图1 3 。在制动鼓处贴磁块，并与之相对装一个霍尔车速传感器，用于 测量车轮转速。在发动机曲轴皮带轮端面处贴磁块，与之相对装一个霍尔转速传感器来 测量发动机转速信号。在油门操纵机构合适处用细尼龙绳( 或细钢丝绳) 联动安装一个 光电式轴角编码器，用于测量汽车加速踏板信号。连接数据采集系统和笔记本电脑，将 各传感器连接到数据采集系统的接口上，数据采集系统连接笔记本电脑，借以储存测量 数据。 ( 3 ) 数据测量 笔i 佛电魉 1 霍尔转速传感器2 霍尔车速传感器 3 光电式轴角编码器信号线 图1 3 整个系统安装示意图 f i g 1 3s y s t e mi n s t a l l a t i o ns k e t c hm a p 大连理工大学硕士学位论文 实车运行时，通过数据采集系统将各传感器测量的信号进行处理，实时转换成相应 的各个参数数值，包括车速、加速度、发动机转速和加速踏板开度，并将这些数据值上 传到笔记本电脑中进行储存，等待进步处理和分析。同时，记录乘客上下车情况。 ( 4 ) 数据分析 对测试数据进行分析和整理，得出每条线路公交车辆实际运行的参数值。包括乘载 量分布，发动机转速、加速踏板开度、车速等时间历程曲线。此外，通过分析可得出变 速器挡位使用频次分布。 ( 5 ) 工况合成 根据所测得的每条线路的分析结果，利用统计学概率分布理论进行工况合成，得到 公交客车的动态运行循环工况，如图1 4 。 直 e 芒 嘲 醉 i角m i i t * l1 瓢雌翻x 一2 飘k i：| l 【m h l：誓 u c f i ，k 图1 4 北京城市客车循环工况 f i g 1 4b e i j i n gc i t yb u sd r i v i n gc y c l e b 武汉市公交车行驶循环工况【1 4 】 通过在武汉市进行公交车市区道路试验，在指定的公交线路上，每天往返3 次，历经 1 4 天，行驶里程1 8 2 5 k m ，采集样本2 7 8 2 9 0 个，采集数据的时间从早晨7 ：3 0 至晚上8 ：3 0 。 9 枷 弘 舯 筋 蛳 ：= m 5 城市公交车行驶工况的研究 图1 5 城市公交车行驶循环工况解析流程图 f i g 1 5f l o wc h a r tf o rc i t yb u sd r i v i n ge y e l e 将道路试验所得数据进行筛选、汇总，利用数理统计相关理论及m a t l a b 软件，提取 所有试验数据的平均车速、最大车速、速度标准差、平均加速度等1 4 个行驶工况特征值； 依次取1 定步长( 女1 1 8 0 0 s ) 的候选循环工况，提取同样1 4 个循环工况特征值，然后将 每一特征值与试验数据的特征值求相关，最后将相关系数最大的候选工况作为能够反映 城市公交车实际行驶特征的行驶循环工况，其基本解析流程如图1 5 。所建立的武汉市公 交车行驶循环工况，见图1 6 。 _ k 逞 戗 堰 图1 6 武汉市公交车行驶循环工况 f i g 1 6w u h a nc i t yb u sd r i v i n gc y c l e c 上海市公交行驶循环- r ；况t 1 5 】 将通过行车试验获得的上海市公交车短行程总体样本分为两类，第一类短行程反映 了车辆在交通畅通的道路上的行驶特性，第二类反映了车辆在交通状况拥挤的道路上的 1 0 大连理工大学硕士学位论文 行驶特性。在这个分类的基础上，本文构建出了三种工况，即畅通道路上的行驶工况、 拥挤道路上的行驶工况和综合工况。通过主成分分析和聚类分析分别将反映畅通道路、 拥挤道路和全部道路行驶特征的短行程集合作为一个独立的总体样本，这样就形成了三 个样本，即畅通道路短行程总体样本、拥挤道路短行程总体样本和全部道路总体样本。 当要构建三种行驶工况中的某一种时，从对应的短行程总体样本中，随机挑选1 1 个短行 程，用这n 个短行程组成一个约1 2 0 0 s 的工况并计算这个工况的速度频度和加速度频度特 征值。如果这些特征值与对应总体样本中相应的速度频度和加速度频度的误差在1 0 以 内，则称这一工况为有效性判定条件，可以作为反映对应道路行驶特征的行驶工况，反 之，则重新随机挑选n 个短行程、组成工况、计算误差等，直到满足速度和加速度频度 误差允许范围内的工况出现为止f 1 6 】其综合行驶工况图如图1 7 。 g o ：、7 0 6 0 宣5 0 芒4 0 、3 0 趟2 0 酒l o o l3 0 9 0 0l o 时闯，s 图1 7 上海市综合行驶循环c i f i g 1 7i n t e g r a t e dd r i v i n gc y c l eo fs h a n g h a ic i 1 4 论文研究的主要内容 基于上述，为了完成整车动力匹配及制定控制策略，首先需要得到可以反映实际 道路状况的行驶工况循环图。本文以实验室参加的国家科技部“8 6 3 ”计划课题为背景， 以实际示范运行中的混合动力城市公交车为实验对象，围绕循环工况从建立到检验的整 个过程展开工作，主要研究内容如下： ( 一) 行驶工况相关研究部分：介绍了行驶工况的概念、分类方式、构建原则等， 为以下的构造研究提供理论指导。 ( 二) 实验规划部分：选定试验方案，明确行驶工况的创建步骤。 ( - - - ) 数据采集部分：规划采样方法，设计获得反映车辆实际运行状况参数的采样 设备。 城市公交车行驶工况的研究 ( 四) 数据整理与组建工况部分：总结城市公交车的行驶规律，构造行驶工况循环 图的解析方法，建立所研究公交线路的车辆行驶工况循环图。 ( 五) 控制策略调整部分：利用e m r ( 能量宏观再现) 方法建立所研究混合动力城 市公交车的仿真模型，为仿真试验做准备。根据所建立的行驶工况循环图，按照合理的 方法调整整车的控制策略，并将此控制方法运用到所建立的仿真模型中，进行仿真试验。 ( 六) 工况分析部分：设计实验来对比控制策略调整前后公交车的油耗变化，分析以 所构建的行驶工况图为参考来调整控制策略的实用价值。 1 5 本章小结 本章为全文设计的背景，说明了行驶工况在混合动力汽车设计中的重要意义；介绍 了国内外对行驶工况研究的现状；同时提出了全文主要的研究内容。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 行驶工况的相关研究 2 0 世纪7 0 年代，美国加州率先通过建立排放法规，推进汽车工业开发更高燃烧效 率和更低排放的发动机，该法规需要一个能够比较不同发动机之间性能差异的测试程 序；这种测试程序被称为行驶工况( 也称运转循环，d r i v i n gc y c l e ，简称工况) 。美国 开创并推动了世界各国的工况研究和开发，到现在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【1 1 1 0 2 1 行驶工况概念 通过对应时间点的加速度、速度值，运用相关公式就可以确定车辆运动中需要的机 械能量。无论车辆采用何种动力，当需要复现这种行驶工况时，使用一种共同的环境如 温度、风速、滚动系数等一些可以控制的条件时，采用定容取样系统( c v s ) 和数据分 析系统，可以对车辆的动力性、经济性以及车辆排放性能等指标进行比较判断。因此我 们希望找到一种方法来确定对应时间点的加速度、速度值。这样，便出现了车辆行驶工 况图的概念。 车辆在道路上的行驶状况可用一些参数( 如加速、减速、匀速和怠速等) 来反映， 这些参数的集合则构成了车辆的运动特征。通过对这种运动特征的调查和解析，绘制出 能够代表车辆运动状况，时间的步长通常为1 秒，表达形式为速度时间的曲线，即 为车辆行驶工况图。 由于实际道路条件和试验目的的多样性，各种行驶工况具有不同的特征。四种工况 ( 怠速、匀速、加速和减速) 的比例分布不同。通过运用某种模拟软件可以由相同的车 辆评价不同的行驶工况间的差异。由于采用不同的行驶工况测试结果不同，则采用不同 的工况也能够评估车辆的适应性能【l 刀。 2 2 行驶工况分类 按照行驶工况构造形式分类，行驶工况有两种主要的类型：一种是以美国工况f t p - 7 5 为代表的实际行驶工况( 瞬态工况) ；另一种是以欧洲工况e c e + e u d c 为代表的合成行 驶工况( 模态工况) 。模态循环用于能源消耗( 或排放) 方面，由于变速策略的不同可 能造成测试结果有一些细微差异。这两种行驶工况建立的方法有所不同：前者完全基于 真实的道路状况，后者在真实道路状况的基础上进行一些人为的处理，合成出具有代表 性的工况，但是都是建立在大量的统计数据的基础上，其目的都是为了更好地代表实际 的道路状况。 城市公交车行驶工况的研究 按照行驶工况的使用目的分类，可分为三种：认证工况；研究工况；i m 工况。只 有明确了开发工况的使用目的，才能更好地为研究工作做出指导，从而有针对性地制定 研究步骤与方法，因此，下面将对按使用目的分类得到的三种工况做进一步研究。 a 认证工况 认证工况又称作法规类工况，在新车出厂前，为了检验其排放性能、燃油经济性、 动力性能等，汽车行业需要一个大家公认的道路行驶循环工况作为标准测试工况，这类 工况由权威部门颁布，具有法规效用。由于这是一种通用的评价标准，因此在速度区间 分布上，认证工况范围宽，对地域针对性不强，是一种由大量真实道路工况合成出的具 有代表性的工况。如日本的1 0 1 5 工况循环，欧洲经济委员会的e c e r 1 5 工况循环，美国 联邦城市及高速公路循环( c v s c m ) ，我国的城市客车四工况循环等。 为评价城市客车的燃油经济性，我国应用城市客车四工况循环作为标准测试工况。 四工况循环就属于认证工况