電動(dòng)自行車運(yùn)行循環(huán)工況的建立

朱應(yīng)陳 葉震濤 唐三兵

摘 要：本文介紹了建立電動(dòng)自行車運(yùn)行循環(huán)工況的作用和意義，分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)測(cè)試方法現(xiàn)狀，指出建立專用測(cè)試方法的必要性。通過(guò)對(duì)我國(guó)8個(gè)典型地區(qū)的電動(dòng)自行車路況情況進(jìn)行采集，獲得大量反映中國(guó)電動(dòng)自行車實(shí)際道路行駛特征的數(shù)據(jù)，據(jù)此形成了典型地區(qū)乃至全國(guó)的運(yùn)行循環(huán)特征，并應(yīng)用該結(jié)果開(kāi)展了不同方法的續(xù)行里程比對(duì)，從而驗(yàn)證了相關(guān)參數(shù)的適宜性和方法的可行性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車，底盤測(cè)試，道路工況曲線，運(yùn)行循環(huán)，續(xù)行能力

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.040

0 引 言

電動(dòng)自行車運(yùn)行循環(huán)工況，能夠?qū)敉獾缆饭r轉(zhuǎn)化為室內(nèi)設(shè)備參數(shù)，避開(kāi)氣候和道路條件限制和不利影響，為技術(shù)人員方便快捷地開(kāi)展道路測(cè)試提供技術(shù)依據(jù)。我國(guó)是世界電動(dòng)自行車生產(chǎn)和使用的第一大國(guó)。電動(dòng)自行車社會(huì)保有量已達(dá)3.5億輛，年產(chǎn)量超過(guò)4550萬(wàn)輛[1]。開(kāi)展道路工況檢測(cè)對(duì)于評(píng)價(jià)車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性（如續(xù)行里程和能量消耗率），以及推動(dòng)行業(yè)低碳發(fā)展具有重要意義。然而，國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車基于底盤的道路工況測(cè)試方法尚未建立，無(wú)法準(zhǔn)確高效地測(cè)試車輛續(xù)行能力，不能滿足行業(yè)需要和用戶關(guān)切。隨著電動(dòng)自行車智能化和網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，通過(guò)采集道路騎行大數(shù)據(jù)并作分析，為研究建立典型城市道路工況提供了有效手段。基于所建立的運(yùn)行循環(huán)工況曲線，讓企業(yè)足不出戶掌握電動(dòng)自行車實(shí)際道路性能成為可能，從而推動(dòng)產(chǎn)品革新和技術(shù)進(jìn)步。

1 運(yùn)行循環(huán)測(cè)試方法現(xiàn)狀

在電動(dòng)自行車領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廣泛使用的是電驅(qū)動(dòng)型的電動(dòng)自行車，并未建立基于底盤的運(yùn)行循環(huán)；國(guó)外產(chǎn)品主要為電助力自行車，行駛方式以腳踏騎行為主、電機(jī)助力為輔，其功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有別于國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車，同樣也未查詢到相關(guān)運(yùn)行循環(huán)。在摩托車領(lǐng)域，全球多個(gè)國(guó)家聯(lián)合開(kāi)展WMTC（World-wide Motorcycle Test Cycle）項(xiàng)目，形成了世界摩托車排放測(cè)試循環(huán)的技術(shù)法規(guī)（簡(jiǎn)稱“WMTC循環(huán)”）；聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ECE）出臺(tái)了ECER47法規(guī)，其中兩輪輕便摩托車按照“type1”循環(huán)進(jìn)行排放測(cè)試（簡(jiǎn)稱“ECE循環(huán)”）；中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 24157—2017規(guī)定了電動(dòng)摩托車?yán)m(xù)駛里程的底盤測(cè)試方法，其中附錄C.2針對(duì)電動(dòng)輕便摩托車建立了運(yùn)行循環(huán)[2]（簡(jiǎn)稱“GB循環(huán)”），依然采用了“ECE循環(huán)”參數(shù)[3]。

鑒于與國(guó)內(nèi)外電動(dòng)助力車、電動(dòng)輕便摩托車存在產(chǎn)品差異，國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車的運(yùn)行循環(huán)測(cè)試沒(méi)有可以直接采用的國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因而，建立專用的試驗(yàn)方法顯然十分必要。

2 研究方案的建立

研究總體思路為：確定采樣條件、建立單車數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、建立運(yùn)行循環(huán)。具體流程如圖1所示。

2.1 確定采樣條件

（1）采樣車型的選擇：選擇具有智能網(wǎng)聯(lián)功能的電動(dòng)自行車，利用自身的數(shù)據(jù)記錄和傳輸功能采集道路數(shù)據(jù)。目前各品牌車型的報(bào)文發(fā)送頻率不盡相同，有的甚至達(dá)到10 s/次以上，不利于特征參數(shù)（如加速度、停車次數(shù)等）的采集。鑒于該情況，結(jié)合當(dāng)前該類車型應(yīng)用現(xiàn)狀，選擇頻率優(yōu)于5 s/次的車型進(jìn)行研究。

（2）采樣區(qū)域的選擇：目前具有智能網(wǎng)聯(lián)功能的電動(dòng)自行車應(yīng)用較少，給采樣區(qū)域的選擇帶來(lái)一定限制。同時(shí)，我國(guó)西部地區(qū)地勢(shì)起伏較大，電動(dòng)自行車相較電動(dòng)摩托車不具動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，因此用量也較少。對(duì)我國(guó)電動(dòng)自行車主要使用地區(qū)進(jìn)行調(diào)研后，我們選擇代表我國(guó)東部、南部、北部不同交通特點(diǎn)的地區(qū)進(jìn)行采集，包括上海、杭州、南寧、深圳、海口、東莞、北京和天津等8個(gè)城市。確定了采樣區(qū)域后，按每城市≥10輛、每輛≥5組采集，確保樣本數(shù)據(jù)具有分析體量。

（3）采樣參數(shù)的選擇：采樣參數(shù)至少包含定位時(shí)間、速度、里程等信息。條件允許時(shí)，建議包含經(jīng)緯度信息，便于核驗(yàn)車輛行駛狀態(tài)（如車輛在城區(qū)位置、途經(jīng)紅綠燈次數(shù)等）。

（4）采樣里程的選擇：根據(jù)單次使用里程的分布特征，樣本避開(kāi)兩類極端用途，包括短程用途（3km內(nèi)，居所附近，起停過(guò)于頻繁）和遠(yuǎn)程用途（10km以上，主要為郊區(qū)，紅綠燈較少），選擇用戶需求較大的單次里程在4～10 km范圍作為樣本。

（5）采樣速度的選擇：因電動(dòng)自行車車速限值為25 km/h[4]，采樣優(yōu)選最高車速25 km/h數(shù)據(jù)。注意排除異常行駛數(shù)據(jù)，包括全程高速行駛（全程20～25km/h幾乎不停車）、全程低速行駛（均在20 km/h以下）、單次停車過(guò)長(zhǎng)（超過(guò)2 min）、報(bào)文丟幀等。

2.2 建立單車數(shù)學(xué)模型

以某單車為例，調(diào)取該車某時(shí)段的采樣參數(shù)，如表1所示。

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立道路行駛過(guò)程中的8項(xiàng)關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)，如表2所示。

借鑒輕便摩托車的“GB循環(huán)”和“ECE循環(huán)”模式，擬建立電動(dòng)自行車的雙等速循環(huán)曲線，如圖2所示。該循環(huán)的底盤操作主要有7項(xiàng)操作步驟（1停車→2加速→3等速→4減速→5等速→6減速→7停車）。

歸納總結(jié)出適用圖2的12項(xiàng)運(yùn)行循環(huán)特征參數(shù)，相關(guān)參數(shù)主要源于表2關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)的計(jì)算，如表3所示。構(gòu)建運(yùn)行循環(huán)特征的主要步驟如下：

（1）計(jì)算單次起停平均里程（確定圖2的曲線面積）。計(jì)算單組數(shù)據(jù)的騎行總里程和停車次數(shù)，二者之商即為單次起停里程；對(duì)多組數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)，形成單次起停平均里程。

（2）計(jì)算最高車速里程（確定圖2的“3下方面積”）。設(shè)定待統(tǒng)計(jì)的最高車速區(qū)間（如νm a x-1～νmax），計(jì)算各組數(shù)據(jù)的最高車速用時(shí)占比、各單循環(huán)用時(shí)，二者乘積即最高車速用時(shí)；對(duì)多組數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)，最高車速用時(shí)與最高車速的乘積即為最高車速里程。

（3）計(jì)算中速里程（確定圖2 的“ 5下方面積”）。由于最高車速里程和中速里程占據(jù)了單次起停平均里程的主體，通過(guò)單次起停平均里程與最高車速里程之差的計(jì)算，近似形成中速里程（忽略加減速段里程）。

（4）計(jì)算平均加（減）速度（確定圖2的“2、4、6的斜率”）。對(duì)單組數(shù)據(jù)中的起、停特征進(jìn)行加（減）速度采樣，形成各組數(shù)據(jù)的平均加速度和平均減速度；對(duì)多組數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)，形成總體樣本的平均加速度和平均減速度。

（5）確定各段速度及相應(yīng)時(shí)間。在上述步驟（1）至（4）對(duì)里程和加減速特征確定的基礎(chǔ)上，不難確定各段速度及相應(yīng)時(shí)間，具體計(jì)算方法見(jiàn)表3。

3 數(shù)據(jù)采集和分析

首先，依據(jù)前述采樣條件，由參研的整車生產(chǎn)企業(yè)按表1建立各城市各車型的道路騎行數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，根據(jù)表2和表3的計(jì)算規(guī)則，開(kāi)發(fā)出能夠批量分析多組數(shù)據(jù)的軟件，并將各地區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，自動(dòng)計(jì)算形成表3所示的運(yùn)行循環(huán)特征參數(shù)，以地區(qū)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)合成。最后，加強(qiáng)對(duì)軟件分析結(jié)果的核驗(yàn)，包括：（1）對(duì)樣本數(shù)據(jù)有效性的核驗(yàn)。由于每輛車樣本數(shù)據(jù)有數(shù)千幀報(bào)文，核驗(yàn)工作量巨大，可通過(guò)軟件成圖的方式總體瀏覽，剔除不符合采樣條件的異常數(shù)據(jù)，確保樣本質(zhì)量。（2）對(duì)車輛狀態(tài)判斷的核驗(yàn)。確定關(guān)于停車、加減速、最高車速等基本狀態(tài)的識(shí)別是否有誤報(bào)。（3）對(duì)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算的核驗(yàn)。針對(duì)運(yùn)行循環(huán)曲線的構(gòu)成主體（單次起停平均里程、最高車速里程和中速里程等），抽樣選擇若干組數(shù)據(jù)對(duì)照分析結(jié)果進(jìn)行核驗(yàn)，確保軟件功能的準(zhǔn)確性。

通過(guò)對(duì)全國(guó)8個(gè)典型地區(qū)、554組數(shù)據(jù)的匯總計(jì)算，形成各地的運(yùn)行循環(huán)工況曲線，如圖3所示。以上海為例，具體運(yùn)行循環(huán)工況特征見(jiàn)表4。基于8個(gè)典型城市數(shù)據(jù)，合成全國(guó)運(yùn)行循環(huán)工況，見(jiàn)表5。

4 不同方法的續(xù)行里程比對(duì)

用底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試車輛續(xù)行里程時(shí)，通常采用恒定車速行駛的“等速法”，或者按照運(yùn)行循環(huán)特征參數(shù)行駛的“工況法”。為進(jìn)一步驗(yàn)證工況法中運(yùn)行循環(huán)特征參數(shù)的適宜性，選擇兩款電動(dòng)自行車，在電驅(qū)動(dòng)模式下分別按照道路等速法、底盤等速法、底盤工況法進(jìn)行續(xù)行里程測(cè)試，具體結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)表6可以看出，工況法按照表5設(shè)置運(yùn)行循環(huán)特征參數(shù)，在同等底盤阻力設(shè)置的條件下，其續(xù)行里程結(jié)果與底盤等速法差異不大，且和道路等速法均為接近，說(shuō)明參數(shù)設(shè)定適宜、相關(guān)方法可行，能夠較好地還原道路騎行工況。

5 結(jié) 論

（1）在全國(guó)8個(gè)典型地區(qū)對(duì)電動(dòng)自行車的行駛特征進(jìn)行采集，共采樣554組數(shù)據(jù)，總里程3390km，從樣本數(shù)量、地區(qū)覆蓋等方面，基本可以體現(xiàn)我國(guó)的電動(dòng)自行車實(shí)際道路狀況。通過(guò)數(shù)學(xué)建模、確定采樣條件和數(shù)據(jù)采集分析，首次建立了我國(guó)電動(dòng)自行車的道路行駛運(yùn)行循環(huán)特征。

（2）通過(guò)利用在途的智能網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)自行車，以數(shù)學(xué)建模和大數(shù)據(jù)分析的方式獲取各地區(qū)實(shí)際道路路況特征，在業(yè)內(nèi)尚屬首創(chuàng)。這將為正確評(píng)價(jià)我國(guó)電動(dòng)自行車的續(xù)行里程和能量消耗率提供測(cè)試基礎(chǔ)。

（3）基于運(yùn)行循環(huán)特征的底盤工況法，與底盤等速法和道路等速法分別比對(duì)，其續(xù)行里程差異不到4.3%，較好地反映了實(shí)際道路續(xù)行能力，為生產(chǎn)企業(yè)和技術(shù)機(jī)構(gòu)足不出戶模擬道路工況帶來(lái)實(shí)質(zhì)性幫助。

（4）不足和展望：目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車總體較為低端，智能聯(lián)網(wǎng)車型相對(duì)較少，樣本數(shù)據(jù)的廣泛采集受到限制。此外，在大量數(shù)據(jù)中如何進(jìn)一步優(yōu)化采樣方案，提升樣本質(zhì)量，也成為今后規(guī)范采集作業(yè)的一項(xiàng)重要考量。相信隨著智能網(wǎng)聯(lián)車型的不斷發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化工作的不斷推進(jìn)，電動(dòng)自行車運(yùn)行循環(huán)特征的建立將更趨于完善，從而進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)品迭代升級(jí)和行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

朱應(yīng)陳，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩p型電動(dòng)車質(zhì)量檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)化等。

葉震濤，碩士，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩p型電動(dòng)車質(zhì)量檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)化等。

唐三兵，本科，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)分析及軟件開(kāi)發(fā)。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）