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基于西安市工况的纯电动汽车仿真分析

宋伟萍 宋伟超

摘 要:文章基于聚类分析结果,使用比功率分布方法构建出西安市2路公交线路拥堵、比较通畅、通畅三类工况和综合行驶工况.基于Cruise搭建纯电动汽车整车模型,并基于所建综合行驶工况对纯电动汽车进行仿真分析.

关键词:比功率分布;行驶工况;纯电动汽车;仿真

中图分类号:U469.72  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2020)05-08-03

Abstract: Based on the results of cluster analysis, this paper uses the method of specific power distribution to construct three kinds of working conditions and comprehensive driving conditions of Xi'an No.2 bus line congestion, relatively unobstructed and unobstructed. The whole vehicle model of pure electric vehicle is built based on cruise, and the simulation analysis of pure electric vehicle is carried out based on the built comprehensive driving condition.

Keywords: Vehicle specific power distribution; Driving cycle; Electric vehicle; Simulation

前言

汽車的瞬态行驶工况广泛用于汽车行业内,它可用车辆排放和油耗确定、整车及零部件参数匹配与优化,是汽车工业一项共性的核心技术[1-3].我国目前工况国家标准和行业标准大多参考欧洲ECE工况,但研究表明其与我国实际车辆运行情况有较大的差异,因此需要建立符合我国实际情况的工况.近年来,我国对不同城市行驶工况进行了大量研究,采用聚类分析法、马尔科夫链等方法构建了城市公交行驶工况.

另外,本文应用GPS设备,逐秒采集西安市二路公交车速度值,作为构建行驶工况的数据库.

1 行驶工况建立

1、1 比功率参数

比功率参数(Vehicle Specific Power, VSP)定义为车辆运输单位质量(包括自重、旅客和物品),发动机所输出的瞬时功率,单位为kW/t,表征车辆克服轮胎摩擦阻力,空气阻力及动能、势能变化所做的功.比功率参数能够反映车辆行驶和排放特征,将交通信息(速度、加速度)与车辆信息(车辆类型、总质量、迎风面积等)融合在一起,可以作为工况构建的参数.由参考文献可知,重型车VSP计算公式如下[4-6]:

式(1)中,v代表速度,单位为m/s;a代表加速度,单位为m/s?;g为重力加速度,取9.81m/s?;s代表道路坡度,本文取0;CR代表滚动阻力系数,取0.009384;ρa代表环境空气密度,取1.2072kg/m?;CD代表风阻系数,取0.6;A代表迎风面积,单位为m?;m为车辆总质量,单位为kg.本文工况采集数据的二路公交车均为苏州金龙海格KLQ混合动力公交车,其车宽2550mm,车高3120mm,故计算得迎风面积A等于2.550×3.120m?等于8.0m?.整车整备质量为11125kg.经统计,平均载客人数约为90人,以人均质量65kg计算,则车辆总质量约为m等于11125+90×65kg等于16975kg.

1、2 短行程划分和聚类分析

首先进行短行程划分,短行程指车辆的一个怠速起始点到下一个怠速起始点的过程.本文将所采集的用于工况构建的总数据划分为2565个短行程.区间划分上本文用聚类分析法,聚类出了拥堵、一般和通畅三类,在这三类的基础上,基于比功率分布所构建的西安市瞬态行驶工况,更为符合西安市公交车实际行驶特征.本文将总数据聚类为三类,分别代表拥堵、一般、通畅.其中拥堵类片段数为222,类集合时间为29477s,平均车速为8.31km/h,平均运行车速为19.61km/h;一般类片段数为1730,类集合时间为99183s,平均车速为14.08km/h,平均运行车速为18.52km/h;通畅类片段数为613,类集合时间为81514s,平均车速为20.35km/h,平均运行车速为22.78km/h.

根据公式(2)(3)计算可得三类的比功率分布.

1、3 工况构建

在上述聚类得出代表拥堵、一般、通畅三类的短行程集合后,可根据VSP分布分别从三类中选取出代表性的短行程片段,以此构建出三类的特征工况,具体步骤如下:

1)在拥堵、一般和通畅三类集合中,分别计算其中每个短行程的比功率参数分布和该类集合的比功率参数分布.

2)计算三类中每个短行程片段与其所在类集合的比功率参数分布之间的相似程度.本文采用均方根误差(RMSE)作为相似程度的衡量指标.均方根误差计算公式如式(3)所示.

式(4)中,i代表VSP区间编号,取值为[-25,25]范围内的整数;Bins,i代表某类短行程样本集合里编号为i的VSP区间时间分布比例;Binmic,i代表单个短行程中编号为i的VSP区间的时间分布比例;N代表区间总数,本文为51.

将计算得出的三类中每个短行程与其所在类集合之间的均方根误差作由小到大的排列组合,直至满足工况所需时长,即可建立起每一类的特征工况.本文将三类工况时间定为1200秒左右.

2 建模及仿真

2、1 纯电动汽车建模

本文基于Cruise搭建了纯电动汽车整车模型,对所建综合工况进行能耗仿真.首先建立驾驶室模型、轮胎模型、制动器模型、主减速器模型、电机模型等,随后进行各部件之间的连接,包括机械连接、电气连接以及信号连接.整车整备质量1580kg,整车模型如图5所示.

2、2 仿真分析

将本文所建综合工况导入Cruise,进行仿真,可得仿真结果如图6所示.

当电机正转时,转矩转速同时为正或为负,此时电机作为电动机;当电机反转时,转矩转速一正一负,此时电机作为发电机.如图6可得电机转矩、转速、能耗随时间的变化曲线.在此行驶工况下,电机最大转矩为正转238.28NM,累计能耗5182.949KJ.

3 结论

本文在实际采集的西安市公交车行驶数据的基础上,进行了聚类分析,聚出拥堵、一般、通畅三类,通过比功率参数分布建立了每一类的特征行驶工况,并构建出综合行驶工况,即西安市公交车行驶工况.同时,基于Cruise搭建了纯电动汽车整车模型,并嵌入所建立的西安市道路行驶工况,进行了仿真分析.

参考文献

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[2] 詹森,秦大同,曾育平.基于多循环工况的混合动力汽车参数优化研究[J].汽车工程,2016(8): 922-928.

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[4] Andrei, P. Real world hey-duty vehicle emission modeling[D]. West Virginia: West Virginia University, 2011.

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