電動(dòng)車城市道路循環(huán)試驗(yàn)開發(fā)方法研究

吉雷　袁志剛　姚偉　李偉慶　鄭興華

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)電動(dòng)車起步、停車工況驗(yàn)證不足的問(wèn)題，基于城市道路起步停車次數(shù)多的特點(diǎn)，文章提出一種電動(dòng)車城市道路循環(huán)試驗(yàn)開發(fā)方法。結(jié)合城市道路類型以及駕駛方式定義試驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)，按照試驗(yàn)開發(fā)目標(biāo)定義強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)和試驗(yàn)里程構(gòu)建初步試驗(yàn)方案，通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備開展道路載荷測(cè)量。通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法及疲勞損傷理論對(duì)道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷強(qiáng)度計(jì)算，得出強(qiáng)度系數(shù)。根據(jù)強(qiáng)度系數(shù)閾值調(diào)整試驗(yàn)方案，達(dá)到強(qiáng)度系數(shù)目標(biāo)，確定試驗(yàn)方法。實(shí)測(cè)結(jié)果證明：該方法具有可操作性，并能達(dá)到目標(biāo)要求，完成實(shí)際試驗(yàn)開發(fā)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車 城市道路 道路載荷 強(qiáng)度系數(shù)

1 引言

當(dāng)前面臨空氣污染和能源危機(jī)等社會(huì)問(wèn)題，電動(dòng)汽車作為一個(gè)重要的解決方案，目前取得了很大的技術(shù)進(jìn)步，并逐步得到用戶認(rèn)可。在政策和市場(chǎng)的雙重作用下，2022年我國(guó)新能源汽車依然保持爆發(fā)式增長(zhǎng)，全年產(chǎn)銷量分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)96.9％和93.4％，連續(xù)8年位居全球第一。并且，新能源汽車的市場(chǎng)占有率達(dá)到25.6％，高于2021年12.1個(gè)百分點(diǎn)。其中，純電動(dòng)汽車依然是整個(gè)新能源市場(chǎng)的核心，2022年銷量為536.5萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)81.6％。

從消費(fèi)者的使用需求來(lái)看，82.6%的消費(fèi)者為代步使用，因此電動(dòng)車在實(shí)際使用中城市工況占大多數(shù)。城市工況會(huì)產(chǎn)生很多起步停車的動(dòng)作，并且經(jīng)常使用到能量回收功能，在能量回收過(guò)程中會(huì)對(duì)動(dòng)力電池充電并對(duì)傳動(dòng)系產(chǎn)生載荷，因此電動(dòng)車城市工況會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸和動(dòng)力電池產(chǎn)生更大的載荷強(qiáng)度。傳統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)是基于燃油車進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，啟停工況少，不能滿足對(duì)于該載荷強(qiáng)度的驗(yàn)證。

本文根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，設(shè)計(jì)通過(guò)公開路面實(shí)現(xiàn)耐久試驗(yàn)開發(fā)方案，通過(guò)實(shí)際道路載荷測(cè)量和強(qiáng)度計(jì)算，能夠達(dá)到目標(biāo)要求，試驗(yàn)方法獲得認(rèn)可，驗(yàn)證了該方案的可行性，為基于公開路面進(jìn)行耐久試驗(yàn)開發(fā)提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)及強(qiáng)度指標(biāo)定義

根據(jù)城市道路特點(diǎn)及實(shí)際駕駛方式，對(duì)城市道路進(jìn)行調(diào)研，即統(tǒng)計(jì)道路類型和與道路類型對(duì)應(yīng)的路況和駕駛行為。道路類型包括環(huán)島、鐵軌路口、紅綠燈路口等，路況包括城市擁堵路況，駕駛行為包括掉頭、直角轉(zhuǎn)彎、超車、起步、剎車等。

針對(duì)該試驗(yàn)的目標(biāo)和考察重點(diǎn)定義強(qiáng)度指標(biāo)，包括：橫向加速度、縱向加速度、Z向加速度、油門踏板、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩。

3 道路載荷測(cè)量

3.1 規(guī)劃初步運(yùn)行方案

根據(jù)場(chǎng)景庫(kù)與測(cè)試要求的匹配性以及總的試驗(yàn)里程規(guī)劃初步運(yùn)行方案。比如為了滿足縱向加速度強(qiáng)度指標(biāo)，需要選擇紅綠燈多的城市擁堵路段，這樣會(huì)有更多的起步和停車次數(shù)，并且需要用運(yùn)動(dòng)的風(fēng)格駕駛車輛，運(yùn)動(dòng)的風(fēng)格指的是大的油門起步以及重踩制動(dòng)踏板，這樣會(huì)產(chǎn)生大的縱向加速度以匹配測(cè)試要求。

結(jié)合道路類型、路況和駕駛行為制定初步運(yùn)行方案，該方案包括兩條城市道路，分別見圖1和圖2。

3.2 道路載荷測(cè)量準(zhǔn)備

選取和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相同的車輛，并按車輛允許載荷的80%進(jìn)行加載。加載通過(guò)裝載85kg水人的方式進(jìn)行，對(duì)于不足的載荷可以用沙袋進(jìn)行補(bǔ)充。

通過(guò)車輛總線連接數(shù)采設(shè)備，并進(jìn)行配置文件編寫，保證能夠記錄強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)應(yīng)的總線信號(hào)。

對(duì)駕駛員進(jìn)行培訓(xùn)，遵守道路交通規(guī)則，以安全為前提。按照運(yùn)行風(fēng)格進(jìn)行駕駛，快速起步和大力制動(dòng)可以獲得更好的縱向載荷，快速過(guò)彎可以獲得更好的橫向加速度，Z向加速度通過(guò)不同路面顛簸和對(duì)應(yīng)的車速來(lái)獲取。

3.3 道路載荷測(cè)量

在遵守道路交通規(guī)則和安全的前提下，按照要求的駕駛方式在選定的兩條道路上行駛，采集道路載荷數(shù)據(jù)，記錄每條路測(cè)量的開始和結(jié)束時(shí)間以及駕駛員姓名。為了避免數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，對(duì)每條道路進(jìn)行4次測(cè)量，并由兩名駕駛員進(jìn)行駕駛，按照要求做好數(shù)據(jù)記錄。

4 載荷強(qiáng)度計(jì)算

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先通過(guò)測(cè)量時(shí)間檢查數(shù)采設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)是否完整，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。對(duì)數(shù)據(jù)總線解析文件進(jìn)行編輯處理，獲得需要的總線信號(hào)。通過(guò)特定的數(shù)據(jù)解析文件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，得到強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)應(yīng)的總線信號(hào)，包括橫向加速度、縱向加速度、Z向加速度、油門踏板、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩等。縱向加速度信號(hào)如圖3所示。并按要求的格式輸出，以便進(jìn)行載荷強(qiáng)度計(jì)算。

4.2 載荷強(qiáng)度計(jì)算

應(yīng)力幅的大小直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的損傷度計(jì)算，因此需要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便得到不同大小應(yīng)力幅的出現(xiàn)次數(shù)。然后結(jié)合各應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的損傷度和各應(yīng)力幅出現(xiàn)的次數(shù)，得出結(jié)構(gòu)的總損傷。

雨流計(jì)數(shù)法簡(jiǎn)稱雨流法，也稱塔頂計(jì)數(shù)法。雨流計(jì)數(shù)法對(duì)載荷的時(shí)間歷程進(jìn)行計(jì)數(shù)的過(guò)程反映了材料的記憶特性，具有明確的力學(xué)概念，因此該方法得到了普遍的認(rèn)可。

雨流計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)方法如圖4所示：

1）雨流的起點(diǎn)依次從每個(gè)峰值的內(nèi)側(cè)邊開始，波形左半部為內(nèi)側(cè)邊；

2）雨點(diǎn)在下一個(gè)峰值落下，直到對(duì)面有一個(gè)比開始時(shí)的峰值更大的峰值為止，也就是說(shuō)比開始時(shí)的最大值更大的值或者比最小值更小的值為止；

3）當(dāng)雨流遇到來(lái)自上面屋頂流下的雨時(shí)，也就停止；

4）按以上過(guò)程取出所有全循環(huán)，并記下各自的變程；

5）再按正負(fù)斜率去除所有半循環(huán)，并記下各自的變程；

6）把取出的半循環(huán)按修正的“變程對(duì)”計(jì)數(shù)法配成全循環(huán)。

本文通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法以及疲勞損傷理論對(duì)道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，得出強(qiáng)度系數(shù)。

如果某強(qiáng)度指標(biāo)未達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，則從場(chǎng)景庫(kù)中選擇能夠提高該指標(biāo)的場(chǎng)景，從而將相應(yīng)的路段、路況和駕駛行為加入到新的運(yùn)行方案中。比如，縱向加速度指標(biāo)不滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，就多加紅綠燈，加速行為、制動(dòng)行為。

如果某強(qiáng)度指標(biāo)明顯超過(guò)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，可以從新的運(yùn)行方案中剔除能夠提高該指標(biāo)的場(chǎng)景。

對(duì)新的運(yùn)行方案進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，直到所有指標(biāo)都滿足強(qiáng)度系數(shù)閾值，縱向加速度、橫向加速度及Z向加速度強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

對(duì)不同電機(jī)扭矩和持續(xù)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，電機(jī)扭矩和持續(xù)的時(shí)間與目標(biāo)值具有良好的一致性，如圖6所示。

4.3 制定試驗(yàn)方案

根據(jù)載荷計(jì)算結(jié)果，確定試驗(yàn)路線及駕駛方式，制定試驗(yàn)方案。主要要求如下：

1）車輛按允許載荷的80%加載；

2）在遵守道路交通規(guī)則的前提下，按照運(yùn)動(dòng)的方式駕駛，重踩油門加速起步以及重踩制動(dòng)踏板減速，已獲得足夠的縱向加速度；快速過(guò)彎以獲得足夠的橫向加速度；

3）按照路線1和路線2交替循環(huán)運(yùn)行的方式開展試驗(yàn)，完成10萬(wàn)公里試驗(yàn)里程。

5 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)及強(qiáng)度指標(biāo)定義、道路載荷測(cè)量、載荷強(qiáng)度計(jì)算及優(yōu)化，完成城市道路循環(huán)試驗(yàn)開發(fā)，試驗(yàn)方案已獲得認(rèn)可。該方法簡(jiǎn)要過(guò)程如圖7所示。

實(shí)測(cè)結(jié)果證明，該方法具有可操作性，為后續(xù)基于公開路面開發(fā)耐久試驗(yàn)提供參考。

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