合肥市純電動公交工況研究＊

唐邦強 尹志宏 張炳力 李鎖斌

（昆明理工大學機電工程學院1） 昆明 650093） （合肥工業大學機械與汽車工程學院2） 合肥 230009）

在純電動汽車的能源管理系統中，最重要的輸入參數之一是車輛操縱狀態（如制動、啟動、加速、減速等）［1］.車輛操縱狀態有隨機性和規律性.隨機性由駕駛員單次行駛過程中根據行駛狀態隨機進行調整；規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律的操縱狀態，這個規律就是行駛工況.行駛工況是指某一類車輛（如乘用車、商用車）在特定環境（如市區、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，為控制策略提供參考依據，控制能耗.本文就合肥市純電動公交工況的數據采集、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）規定了乘用車模擬城市工況循環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個工況循環組成.但是城市公交車具有特殊的運行狀態，受到氣候、道路、人流、車流、車型、駕駛習慣等因素的影響，各地具有不同的特性，上述標準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，但都是針對當地實際情況，選擇燃料汽車按一定規律合成的.

電動汽車方面，我國《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》（GB／T 18386－2005）規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行國家標準有偏差，因為《商用車輛燃料消耗量試驗方法》中四工況循環是針對燃料汽車，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，采用四工況循環不能全面反映其真實工況；《電動汽車－能量消耗率和續駛里程－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，運行區間為市政務辦公區－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的純電動公交車，主要參數見表1，其中：動力電池采用磷酸鐵鋰電池，300 kW·h；電池組數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 數據采集及處理

采集參數：瞬時車速、行駛距離、時間、電機轉速、電機轉矩、電機溫度、電池溫度、電流和電壓（以上數據采樣頻率為0.2Hz），參數采集時駕駛員正常操作，按汽車使用說明書和公交公司規定行駛，采集時記錄當天天氣情況（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.

數據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，剔除其中的異常數據，修補缺損數據，使用軟件計算每個短行程的行車里程，平均速度，瞬時加速度等，統計出行車時間、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的加速度－時間歷程圖.統計出短行程的各工況比例，見表3.統計出微行程（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參數表

表2 特征參數表

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 短行程統計

表4 微行程工況循環表

2.3 典型工況模塊提煉

在對每個短行程具體分析后，統計多個短行程數據可以看出：（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小－大－小的特性，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.

根據聚類分析后的數據特性，參照國家標準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，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，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，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.實際行駛狀態大都是A，B，C模塊的組合，只不過組合狀態不同而已.圖4是合肥市純電動公交工況循環圖，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拆解，再組合分析.

合肥市純電動公交工況對新型快速發展中等城市具有參考借鑒意義，這些城市老城區相對狹窄，新城區基礎設施良好，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，只是模塊中的參數值需要根據當地的具體情況進行修訂.

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，即與工況相關，合理的設計工況所對應的控制策略可以降低能量消耗.

4 結論與展望

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由A，B，C 3種典型模塊組成，符合公交車實際運行狀態，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，同時可在此工況的基礎上制定控制策略.

在此的研究基礎上，還可以開展對工況自識別系統的開發與研究、電動汽車管理信息化平臺研究（實現對車輛技術狀態進行實時監控）、基于工況的控制策略研究等等.

參考文獻

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