電動車城市道路循環試驗開發方法研究

吉雷　袁志剛　姚偉　李偉慶　鄭興華

摘 要：針對傳統試驗場對電動車起步、停車工況驗證不足的問題，基于城市道路起步停車次數多的特點，文章提出一種電動車城市道路循環試驗開發方法。結合城市道路類型以及駕駛方式定義試驗場景庫，按照試驗開發目標定義強度指標。根據試驗場景庫和試驗里程構建初步試驗方案，通過數據采集設備開展道路載荷測量。通過雨流計數法及疲勞損傷理論對道路載荷數據進行載荷強度計算，得出強度系數。根據強度系數閾值調整試驗方案，達到強度系數目標，確定試驗方法。實測結果證明：該方法具有可操作性，并能達到目標要求，完成實際試驗開發。

關鍵詞：電動車 城市道路 道路載荷 強度系數

1 引言

當前面臨空氣污染和能源危機等社會問題，電動汽車作為一個重要的解決方案，目前取得了很大的技術進步，并逐步得到用戶認可。在政策和市場的雙重作用下，2022年我國新能源汽車依然保持爆發式增長，全年產銷量分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9％和93.4％，連續8年位居全球第一。并且，新能源汽車的市場占有率達到25.6％，高于2021年12.1個百分點。其中，純電動汽車依然是整個新能源市場的核心，2022年銷量為536.5萬輛，同比增長81.6％。

從消費者的使用需求來看，82.6%的消費者為代步使用，因此電動車在實際使用中城市工況占大多數。城市工況會產生很多起步停車的動作，并且經常使用到能量回收功能，在能量回收過程中會對動力電池充電并對傳動系產生載荷，因此電動車城市工況會對驅動電機、傳動軸和動力電池產生更大的載荷強度。傳統試驗場試驗是基于燃油車進行設計開發，啟停工況少，不能滿足對于該載荷強度的驗證。

本文根據試驗目標，設計通過公開路面實現耐久試驗開發方案，通過實際道路載荷測量和強度計算，能夠達到目標要求，試驗方法獲得認可，驗證了該方案的可行性，為基于公開路面進行耐久試驗開發提供指導。

2 試驗場景庫及強度指標定義

根據城市道路特點及實際駕駛方式，對城市道路進行調研，即統計道路類型和與道路類型對應的路況和駕駛行為。道路類型包括環島、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、直角轉彎、超車、起步、剎車等。

針對該試驗的目標和考察重點定義強度指標，包括：橫向加速度、縱向加速度、Z向加速度、油門踏板、車速、電機轉速、電機扭矩。

3 道路載荷測量

3.1 規劃初步運行方案

根據場景庫與測試要求的匹配性以及總的試驗里程規劃初步運行方案。比如為了滿足縱向加速度強度指標，需要選擇紅綠燈多的城市擁堵路段，這樣會有更多的起步和停車次數，并且需要用運動的風格駕駛車輛，運動的風格指的是大的油門起步以及重踩制動踏板，這樣會產生大的縱向加速度以匹配測試要求。

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

3.2 道路載荷測量準備

選取和標準數據相同的車輛，并按車輛允許載荷的80%進行加載。加載通過裝載85kg水人的方式進行，對于不足的載荷可以用沙袋進行補充。

通過車輛總線連接數采設備，并進行配置文件編寫，保證能夠記錄強度指標對應的總線信號。

對駕駛員進行培訓，遵守道路交通規則，以安全為前提。按照運行風格進行駕駛，快速起步和大力制動可以獲得更好的縱向載荷，快速過彎可以獲得更好的橫向加速度，Z向加速度通過不同路面顛簸和對應的車速來獲取。

3.3 道路載荷測量

在遵守道路交通規則和安全的前提下，按照要求的駕駛方式在選定的兩條道路上行駛，采集道路載荷數據，記錄每條路測量的開始和結束時間以及駕駛員姓名。為了避免數據的隨機性，對每條道路進行4次測量，并由兩名駕駛員進行駕駛，按照要求做好數據記錄。

4 載荷強度計算

4.1 數據預處理

首先通過測量時間檢查數采設備記錄的數據是否完整，并對原始數據進行轉化。對數據總線解析文件進行編輯處理，獲得需要的總線信號。通過特定的數據解析文件對原始數據進行提取，得到強度指標對應的總線信號，包括橫向加速度、縱向加速度、Z向加速度、油門踏板、車速、電機轉速、電機扭矩等?？v向加速度信號如圖3所示。并按要求的格式輸出，以便進行載荷強度計算。

4.2 載荷強度計算

應力幅的大小直接關系到結構的損傷度計算，因此需要對測量的數據進行統計，以便得到不同大小應力幅的出現次數。然后結合各應力幅對應的損傷度和各應力幅出現的次數，得出結構的總損傷。

雨流計數法簡稱雨流法，也稱塔頂計數法。雨流計數法對載荷的時間歷程進行計數的過程反映了材料的記憶特性，具有明確的力學概念，因此該方法得到了普遍的認可。

雨流計數法計數方法如圖4所示：

1）雨流的起點依次從每個峰值的內側邊開始，波形左半部為內側邊；

2）雨點在下一個峰值落下，直到對面有一個比開始時的峰值更大的峰值為止，也就是說比開始時的最大值更大的值或者比最小值更小的值為止；

3）當雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時，也就停止；

4）按以上過程取出所有全循環，并記下各自的變程；

5）再按正負斜率去除所有半循環，并記下各自的變程；

6）把取出的半循環按修正的“變程對”計數法配成全循環。

本文通過雨流計數法以及疲勞損傷理論對道路載荷數據進行強度計算，并和強度標準進行對比，得出強度系數。

如果某強度指標未達到強度標準，則從場景庫中選擇能夠提高該指標的場景，從而將相應的路段、路況和駕駛行為加入到新的運行方案中。比如，縱向加速度指標不滿足強度標準，就多加紅綠燈，加速行為、制動行為。

如果某強度指標明顯超過強度標準，可以從新的運行方案中剔除能夠提高該指標的場景。

對新的運行方案進行強度計算，直到所有指標都滿足強度系數閾值，縱向加速度、橫向加速度及Z向加速度強度系數計算結果如圖5所示。

對不同電機扭矩和持續的時間進行統計，電機扭矩和持續的時間與目標值具有良好的一致性，如圖6所示。

4.3 制定試驗方案

根據載荷計算結果，確定試驗路線及駕駛方式，制定試驗方案。主要要求如下：

1）車輛按允許載荷的80%加載；

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

3）按照路線1和路線2交替循環運行的方式開展試驗，完成10萬公里試驗里程。

5 結論

本文通過試驗場景庫及強度指標定義、道路載荷測量、載荷強度計算及優化，完成城市道路循環試驗開發，試驗方案已獲得認可。該方法簡要過程如圖7所示。

實測結果證明，該方法具有可操作性，為后續基于公開路面開發耐久試驗提供參考。

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