新能源商用車典型工況及其載荷譜的實(shí)證分析

摘 要：在當(dāng)今社會(huì)，隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)和對(duì)傳統(tǒng)燃油車輛排放污染問題的關(guān)注，新能源商用車逐漸成為汽車行業(yè)在今后發(fā)展中新形勢(shì)。本論文旨在通過實(shí)證研究新能源商用車的典型工況和載荷譜，深入探討其工作狀態(tài)和負(fù)荷特性，為新能源商用車設(shè)計(jì)、研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。通過本研究，希望為新能源商用車的發(fā)展和推廣提供一定的參考和借鑒，促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)工程技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：新能源商用車 典型工況 載荷譜實(shí)證

0 引言

新能源商用車在當(dāng)今社會(huì)中扮演著越發(fā)重要的角色，其具有環(huán)保、高效、節(jié)能特點(diǎn)，受到政府、企業(yè)和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注和支持。隨著新能源技術(shù)不斷進(jìn)步和成熟，新能源商用車的市場(chǎng)份額也在逐漸增加，成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，典型工況和載荷譜是評(píng)估新能源商用車性能、設(shè)計(jì)和使用情況重要依據(jù)。通過對(duì)典型工況和載荷譜實(shí)證分析，更加全面地掌握車輛在實(shí)際工況下的運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)荷特性，為傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)參考。

1 新能源商用車典型工況概述

1.1 新能源商用車的運(yùn)行特點(diǎn)

與傳統(tǒng)燃料車相比，新能源商用車具有顯著環(huán)境優(yōu)勢(shì)，并表現(xiàn)出獨(dú)特的操作特點(diǎn)，首先，它們?cè)诓煌{駛階段，如啟動(dòng)、加速、減速、滑行和停止的能量消耗模式是很大不同的。傳統(tǒng)燃機(jī)（ICEs）在走走停停的條件下經(jīng)常出現(xiàn)效率低下，因?yàn)閯?dòng)力傳遞固有延遲和必須在最佳扭矩范圍內(nèi)運(yùn)行。相比之下，新能源商用車中電動(dòng)馬達(dá)提供瞬時(shí)扭矩，這意味著在頻繁啟動(dòng)和低速、高扭矩條件下，如城市交付，更平穩(wěn)、更有效地處理，在再生制動(dòng)方面，新能源汽車（NEVs）在減速過程中回收能量，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)在電池中的電能，從而提高整體能源效率——這與傳統(tǒng)icev制動(dòng)系統(tǒng)中作為熱量耗散的能量形成鮮明對(duì)比。隨著提高能源效率、降低排放、降低維護(hù)成本以及與智能交通系統(tǒng)集成潛力，新能源商用車是傳統(tǒng)燃料動(dòng)力汽車一種很有前途的替代方案，在最大限度地利用其運(yùn)營(yíng)特性的城市和交付應(yīng)用中。

1.2 典型工況的分類與定義

新能源汽車商用車典型工況主要包括城市工況、城際工況、高速工況和特殊工況。其中：（1）城市工況：低速行駛，頻繁起停，大量時(shí)間處于怠速或低速轉(zhuǎn)彎。（2）城際工況：中等速度行駛，車輛較少停滯，適中加速減速頻率。（3）高速工況：高速持續(xù)行駛，頻繁加速和高速轉(zhuǎn)彎情況較少。（4）特殊工況：山區(qū)、礦區(qū)重載上下坡，以及嚴(yán)寒工況等。

1.3 影響典型工況的因素

典型工況受諸多因素影響，如道路條件、交通流量、駕駛行為、天氣狀況和車載負(fù)荷等，該因素波動(dòng)會(huì)直接影響新能源汽車商用車的載荷譜特征[1]。

2 載荷譜的基本概念與測(cè)量方法

2.1 載荷譜的定義與類型

載荷譜是描述車輛在特定運(yùn)行工況下承受載荷變化表或序列，根據(jù)表征的物理量不同，載荷譜分為力載荷譜、應(yīng)力譜和功率譜等。不同載荷譜在研究車輛的耐久性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性時(shí)具有不同的應(yīng)用價(jià)值。

2.2 測(cè)量載荷譜的傳感器與設(shè)備

測(cè)量載荷譜需要高精度傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。主要設(shè)備包括：（1）力傳感器：測(cè)量輪胎接地力及其他相關(guān)力。（2）應(yīng)變片：用于測(cè)量車輛架構(gòu)和關(guān)鍵部件應(yīng)力變化。（3）加速度計(jì)：采集車輛在不同工況下的加速度數(shù)據(jù)。

2.3 測(cè)量點(diǎn)的選擇與布置原則

選擇和布置測(cè)量點(diǎn)需要考慮以下原則：（1）代表性：測(cè)量點(diǎn)應(yīng)能代表車輛運(yùn)行過程中主要承載部位的動(dòng)態(tài)載荷特征。（2）可操作性：測(cè)量設(shè)備安裝和維護(hù)應(yīng)簡(jiǎn)單便于操作。（3）安全性：傳感器布置應(yīng)確保不影響車輛的正常行駛和安全操作[2]。

3 實(shí)證研究方案設(shè)計(jì)

3.1 研究對(duì)象的選擇

選擇XX品牌新能源汽車商用車作為研究對(duì)象，此類車輛在城市短途貨運(yùn)和城際物流中有較高的市場(chǎng)保有量和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。車輛應(yīng)滿足以下基本要求：電池容量60kWh以上，最大續(xù)航500公里，車貨總質(zhì)量不超過5噸。

選擇XX品牌的新能源汽車商用車，主要是因?yàn)槠湓谑袌?chǎng)上較高保有量和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。該車輛廣泛用于城市短途貨運(yùn)和城際物流，能夠提供豐富實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)支持，XX品牌作為市場(chǎng)領(lǐng)先者，其技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量在行業(yè)內(nèi)具有較高的代表性。

3.1.1 技術(shù)參數(shù)的適用性

所選車輛技術(shù)參數(shù)如電池容量和最大續(xù)航能力，符合當(dāng)前新能源汽車商用車的主流配置。電池容量60kWh以上，能夠保證車輛在不同典型工況下長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，最大續(xù)航500公里，確保車輛能夠完成多種實(shí)際測(cè)試路線而不需要頻繁充電。

3.1.2 載荷能力的多樣性

車貨總質(zhì)量不超過5噸，既能夠滿足城市短途貨運(yùn)需求，也能應(yīng)對(duì)城際物流的運(yùn)輸要求。選擇這樣車輛，在模擬真實(shí)運(yùn)輸場(chǎng)景同時(shí)，獲取不同載荷情況下的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

3.1.3 測(cè)試對(duì)象的多樣性

為全面覆蓋不同車型在不同工況下表現(xiàn)，本研究還根據(jù)車輛軸距、驅(qū)動(dòng)方式、電池類型等關(guān)鍵參數(shù)挑選XX-001和XX-002兩款車型。

（1）XX-001：擁有更大的電池容量，適用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸任務(wù)，其最大續(xù)航能力達(dá)600公里，特別適合城際物流的應(yīng)用場(chǎng)景。較高電池容量也意味著在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中能提供更持久能量輸出，在實(shí)際測(cè)試中能更快地收集到多種工況下的載荷譜數(shù)據(jù)。

（2）XX-002：雖然電池容量稍低，但續(xù)航能力依然較強(qiáng)，達(dá)到550公里，適合城市短途貨運(yùn)任務(wù)，特別是在頻繁起停和低速高扭矩工況下，其表現(xiàn)尤為突出。通過對(duì)XX-002的測(cè)試，深入掌握新能源汽車在城市復(fù)雜路況下的載荷譜特征。

為提供更加全面和準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，本研究將兩款車型進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試，確保所得數(shù)據(jù)的可靠性和代表性。車輛選擇過程中，還考慮到不同車型動(dòng)力學(xué)特性、電池系統(tǒng)散熱性能、輪胎磨損等多方面因素，以確保涵蓋多種實(shí)際工況[3]。

3.2 測(cè)試路線與工況的規(guī)劃

為全面覆蓋新能源汽車商用車在不同典型工況下性能表現(xiàn)并獲取載荷譜數(shù)據(jù)，本研究精心設(shè)計(jì)以下測(cè)試路線和工況，每條路線都具有明確代表性，能夠反映出車輛在不同運(yùn)行環(huán)境下的動(dòng)態(tài)載荷變化。

3.2.1 城市工況

城市工況測(cè)試選擇市中心繁華區(qū)域，長(zhǎng)約20公里，該路線涵蓋高密度交通流量、頻繁的信號(hào)燈停留、多次起停等特點(diǎn)，以準(zhǔn)確模擬城市日常交通環(huán)境。

（1）路線特點(diǎn)：頻繁起停、低速行駛、動(dòng)態(tài)交通環(huán)境。

（2）測(cè)試時(shí)段：包括早高峰（7：00-9：00）、晚高峰（17：00-19：00），以及夜間空閑時(shí)段（22：00-24：00）。

（3）測(cè)試目的：通過采集起步、加速、減速、怠速等多種典型工況下載荷數(shù)據(jù)，掌握新能源汽車在城市復(fù)雜路況及頻繁起停條件下的載荷特征。

（4）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：車輛的速度、加速、剎車、轉(zhuǎn)向角和車內(nèi)外應(yīng)力、連桿應(yīng)力等數(shù)據(jù)，以便詳細(xì)分析其高頻振蕩特征。

3.2.2 城際工況

城際工況測(cè)試選擇城市間的典型物流專線，測(cè)試路線全程50公里，主要涵蓋快速行駛段和交匯處。

（1）路線特點(diǎn)：中速行駛，較少停滯，涵蓋城市連接道路和部分郊區(qū)道路。

（2）測(cè)試時(shí)段：全天不同時(shí)段進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比分析中午和下午時(shí)段的差異。

（3）測(cè)試目的：綜合考慮中等速度下車輛性能、加速減速及交錯(cuò)交匯的復(fù)雜工況，旨在獲取車輛在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中的載荷譜特征。

（4）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：包括車輛的速度、加速度、扭矩、車輛姿態(tài)（傾角、偏航角）等。

3.2.3 高速工況

高速工況測(cè)試選擇等級(jí)較高高速公路，全程100公里，主要包括自由車速段、匝道以及服務(wù)區(qū)等典型高速交通場(chǎng)景。

（1）路線特點(diǎn)：高速行駛、少量加速和減速、匝道轉(zhuǎn)彎。

（2）測(cè)試時(shí)段：全天不同時(shí)段進(jìn)行測(cè)試，特別關(guān)注長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)高速運(yùn)行和匝道行駛所帶來的動(dòng)態(tài)載荷變化。

（3）測(cè)試目的：針對(duì)車輛在高速度下穩(wěn)定性、長(zhǎng)時(shí)間行駛帶來的熱效應(yīng)及高轉(zhuǎn)速帶動(dòng)的部件載荷，深入分析其高頻低幅變化載荷譜特征。

（4）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：包括輪速傳感器數(shù)據(jù)、高速轉(zhuǎn)角、橫擺率、輪胎負(fù)載和路面不平度數(shù)據(jù)。

3.2.4 特殊工況

特殊工況測(cè)試選擇一段含有復(fù)雜路況的路線，全程30公里，涵蓋上下坡、急轉(zhuǎn)彎及較差路面。

（1）路線特點(diǎn)：包含急劇上下坡度、急轉(zhuǎn)彎及多種不同質(zhì)量的路面。

（2）測(cè)試時(shí)段：全天不同天氣條件下進(jìn)行測(cè)試，確保數(shù)據(jù)多樣性和廣泛性，以大多數(shù)顯現(xiàn)不同路面帶來的動(dòng)態(tài)負(fù)荷。

（3）測(cè)試目的：特別關(guān)注在復(fù)雜型號(hào)工況和極端條件下測(cè)試車輛的極限負(fù)荷表現(xiàn)，分析其在不同復(fù)雜路況下的載荷譜特征。

（4）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：包括坡度、彎道半徑、路面系數(shù)、牽引力、制動(dòng)力、路面震動(dòng)及顛簸幅度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3.2.5 數(shù)據(jù)采集與處理方法

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測(cè)試數(shù)據(jù)采集使用高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括：力傳感器用于測(cè)量車輛各個(gè)輪胎的垂直負(fù)載及橫向、縱向力量分布。應(yīng)變片貼附于車架關(guān)鍵部位以測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)力，并通過多點(diǎn)應(yīng)力分析以確保車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，高精度加速度計(jì)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及震動(dòng)特征，測(cè)量多維加速度變化，GPS與IMU模塊記錄車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡、速度及姿態(tài)變化，結(jié)合位置信息模型以及整個(gè)測(cè)試路線[4]。

（2）數(shù)據(jù)處DooEy6XiAyKbzoTewI3Otg==理方法

采集的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行預(yù)處理，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及可分析性，初步數(shù)據(jù)處理使用MATLAB等工具對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，去除干擾噪聲，如采集儀器帶來的高頻噪聲。通過時(shí)域分析方法，研究載荷譜隨時(shí)間變化，識(shí)別出車輛在不同工況下的高頻振蕩和沖擊波動(dòng)，例如在頻繁起停的城市工況中觀測(cè)到的峰值載荷。利用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，分析載荷譜頻譜特征及頻率分布，主要用于分析在高速工況和特殊工況條件下，車輛系統(tǒng)的振動(dòng)特性。對(duì)所有載荷譜特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算峰值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)，以描述典型工況下的載荷分布特性并進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。（表1）

通過采用高精度傳感器和多類別工況全面測(cè)試以及系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)處理，本研究將更深入理解新能源汽車商用車在實(shí)際使用環(huán)境中載荷特征，并顯化不同典型工況對(duì)車輛載荷譜的影響。研究結(jié)果將為新能源汽車技術(shù)改進(jìn)和車輛設(shè)計(jì)提供重要數(shù)據(jù)支持，同時(shí)為相關(guān)政策制定和車隊(duì)管理提供科學(xué)依據(jù)。

4 典型工況下的載荷譜數(shù)據(jù)分析

4.1 時(shí)域分析

時(shí)域分析主要關(guān)注載荷隨時(shí)間變化情況。城市工況下，車輛頻繁起停，載荷在時(shí)間軸上呈現(xiàn)明顯的高頻振蕩特征；城際工況中，載荷隨時(shí)間表現(xiàn)為中頻動(dòng)態(tài)變化；高速工況中，載荷相對(duì)穩(wěn)定，僅在加速和減速時(shí)有明顯變化；特殊工況中，載荷隨時(shí)間變化復(fù)雜，主要受到路面起伏和坡度的影響[5]。

4.2 頻域分析

頻域分析關(guān)注載荷譜的頻率特征，通過傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，分析載荷的頻率分布特征。數(shù)據(jù)顯示，城市工況下高頻成分占主導(dǎo)；城際和高速工況中，低頻和中頻成分占主導(dǎo)，特殊工況中，頻譜分布較為復(fù)雜。

4.3 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析主要關(guān)注載荷譜特征值分布，包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差、峰值等。通過統(tǒng)計(jì)表明，不同工況下的峰值載荷和均值載荷存在較大差異，這對(duì)于商用車在不同典型工況下的耐久性設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。（表1）

5 結(jié)果與討論

5.1 研究結(jié)果總結(jié)

通過對(duì)新能源汽車商用車在各種典型工況下載荷譜進(jìn)行實(shí)證分析，發(fā)現(xiàn)不同工況下的載荷特征存在顯著差異。城市工況下體現(xiàn)出高頻振蕩特征，城際工況和高速工況下載荷譜較為平穩(wěn)，特殊工況下載荷譜復(fù)雜且頻率分布廣泛。

5.2 結(jié)果的可靠性與有效性評(píng)估

研究結(jié)果可靠性通過多次重復(fù)測(cè)試及不同車輛的對(duì)比測(cè)試得到驗(yàn)證，同時(shí)采用專業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和可靠數(shù)據(jù)處理方法，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。

5.3 研究的局限性

研究存在以下局限性：僅選取數(shù)款特定型號(hào)新能源汽車商用車，測(cè)試路線和工況可能未完全覆蓋所有實(shí)際工況；未來可擴(kuò)大研究對(duì)象范圍，并進(jìn)行更復(fù)雜的工況測(cè)試。

6 結(jié)語

綜上所述，新能源商用車典型工況及其載荷譜實(shí)證分析對(duì)于掌握車輛的運(yùn)行特點(diǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)與研發(fā)具有指導(dǎo)意義。新能源變速器的設(shè)計(jì)不僅考慮車輛的運(yùn)行特點(diǎn)，還需結(jié)合新能源動(dòng)力系統(tǒng)的工作特性，以實(shí)現(xiàn)更高的能源效率和更優(yōu)越的駕駛性能。因此，本研究的成果對(duì)于新能源變速器設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義在于，提供對(duì)新能源商用車典型工況及其載荷譜的深入分析，為新能源變速器設(shè)計(jì)提供有效的參考和依據(jù)。

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