纯电动城市客车驾驶行为与能耗关系的统计分析

王圣海

(上汽集团商用车技术中心 大客车分中心，上海 201108)

能耗是纯电动城市客车的重要性能，它影响公司的运营成本，影响车辆的续驶里程，还影响车辆的电量配置,从而影响车辆的成本。影响能耗的因素比较多，如车辆配置零部件的效率特性[1-4]、整车系统的设计水平[5-8]、整车控制策略[9-10]等。本文没有从这些影响因素展开论述，而是通过对车辆运行过程中驾驶员操控动作、车辆运行特征与能耗数据的统计和相关性进行分析，提出影响车辆能耗的驾驶行为因素及相关建议。

1 数据收集

1.1 试验车辆的选取

试验车辆的状态要尽可能一致，只有驾驶人员不同，这样的试验结果才能准确反映驾驶行为因素对能耗的影响。本试验所用的4辆城市客车属同一批次产品，配置完全相同，各零部件特性如电机效率MAP等也完全相同，运行线路相同，编号分别为A、B、C、D，4车的驾驶员不同。

试验车辆有关参数为：车长12 m，整备质量12 100 kg，最大满载总质量18 000 kg，纯电动直驱方式，驱动电机的最大输出扭矩是3 000 Nm，车辆最大时速69 km/h。

1.2 数据的采集及处理

试验过程中在4车的CAN总线上加装CAN记录仪，采集整车动力系统和电附件系统零部件的工作状态信息，包括动力电池的电压和电流、电机控制器输入的直流电压和电流、驱动电机的转速和扭矩、刹车和油门的开度、挡位等。试验车辆在公交线路上运行一个星期后，从车上拆下CAN记录仪，导出有关的数据，用以分析研究。

用Vector公司的CAN log采集完数据后，再用其CANoe软件打开采集的blf格式数据，将CAN记录仪导出的数据转化成Excel格式的数据，与整车的电机效率MAP、整备质量、最大车重、主减速比、轮胎滚动半径、整车滑行系数、驱动系统传动效率等数据一起由Matlab软件读入并由Matlab计算出车速数据(由电机转速、主减速比、轮胎滚动半径计算得出)和车辆加速度数据(根据车速在单位采样时间内的变化量得出)，并由公交循环中车辆车速绝对值与时间的积分除以车辆总的运行时间可以计算出车辆平均速度，同理Matlab可以计算出平均正向加速度和负向加速度。同时Matlab还要计算出制动时间百分比和阻力功耗。车辆的运行阻力由式(1)计算[11]：

F=a+bv+cv2

(1)

车辆的运动阻力功耗根据式(1)得出，即阻力功耗

(2)

每公里的运动阻力功耗是在公交循环中按照上式的计算值除以行驶里程得到的平均值。

2 统计结果及分析

通过对4车一个星期的多组公交循环数据的处理分析，驾驶行为、零部件、车辆各特征数据等与能耗数据之间的相关性影响因素逐渐清晰。统计结果表明，车辆加速过程中的平均正向加速度、减速过程中的平均负向加速度、车辆行车过程中处于制动状态的时间百分比、车速的大小、电附件工作状态等因素都对能耗特性有明显影响，具体分析如下。

2.1 加速度对能耗特性的影响

图1是各车加速过程中平均加速度与电机能耗的相关性统计图。正向加速度即车辆加速过程中沿车辆行进方向的驱动加速度，负向加速度即车辆制动减速过程中沿车辆行进方向的制动加速度。

从图1(a)可知，正加速度与电机能耗关系是正相关，(平均)正加速度越大，说明驾驶员快踩、深踩油门的机会越多，车辆处于急加速的状态越多。这样直驱电机工作在高负荷区的机会比较多，而电机效率MAP图中高负荷区通常都是效率相对较低的区域，因此,电机高负荷区工作机会越多电机能耗就会越大。这一点从车辆起步过程可以明显看出，起步时如果油门全开电机处于零转速最大扭矩工作点，此时的电机效率仅约为50%，在其他大负荷区域电机同样效率相对较低，功耗大。因此(平均)正向加速度大的车辆能耗较高。

从图1(b)可知，车辆的(平均)负向加速度绝对值越大，电机的平均能耗越高；(平均)负向加速度绝对值越小，电机的平均能耗越低。二者的相关性是负相关。平均负向加速度的绝对值越大，意味着车辆处于深度刹车的机会比较多，时间较长。处于深度刹车时虽然车辆的一部分动能被电机回馈发电，但由于此时电机工作在效率较低的高负荷区，深度刹车时电机回收能量较少，浪费的能量较多。因此,车辆的平均负加速度绝对值越大，电机能量损失越大，车辆的能耗特性越差。

(a)正向加速度与能耗

(b)负向加速度与能耗

实际车辆运行数据统计发现，平均正向加速度较大的车辆其负加速度绝对值通常也较大，这种通过频繁的加速、减速动作控制车辆行进速度的驾驶习惯会导致电机系统的能量损耗较高，而且深度刹车时气动制动系统会介入工作，整车动能最终会被制动盘吸收转化为热能浪费掉，导致整车能耗升高。

2.2 制动时间百分比对能耗特性的影响

图2是各车电机系统每公里能耗与制动时间百分比关系统计图。由图可知，制动时间百分比与电机能耗相关性是正相关，制动时间百分比越大，电机能耗就越高；制动时间百分比越低，电机能耗越低。

图2 制动时间百分比与能耗

制动时间百分比越大，说明车辆处于制动状态的机会越多。制动过程虽说伴随着电机能量回馈，但由于电机的效率不可避免地存在着能量耗散，电机系统会浪费掉较多的能量。另外，深度刹车时一部分车辆动能被气动制动系统吸收转化为热能消失；车辆制动次数多，会消耗掉较多的压缩空气，电动空压机的负载率会升高，同样会引起车辆能耗的增加。因此制动时间百分比大的车辆能量耗散、损失机会多，车辆能耗高。

2.3 平均车速对能耗特性的影响

图3是平均车速与车辆每公里运动阻力功耗相关性统计图。由图可知平均车速与阻力功耗相关性关系是正相关，平均车速越高，运动阻力功耗数值越大，平均车速越低，运动阻力功耗数值越小。

图3 运动阻力与能耗

实际统计发现平均车速为31 km/h时，每公里的阻力功耗有0.136 kWh，而平均车速为40 km/h时，每公里的阻力功耗已达0.2 kWh以上。阻力功耗随车速上升得非常快(3次方关系)，它直接影响车辆的驱动能耗，要改善车辆的能耗特性，必须控制车速,不能过高。

3 结束语

不同的驾驶习惯对于城市客车的能耗有显著影响，不良驾驶习惯的能耗要比良好驾驶习惯的能耗高出30%以上。具有专用行车道路的城市客车，可以通过控制系统的功能优化控制车辆的运动特性，从而优化车辆的能耗特性。如控制系统可以引入GPS信息等用于主动控制车辆在公交循环中的车速和扭矩输出，使其处于较为合理的水平，从而降低车辆能耗。