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电动汽车基本技术的应用谢卫星樊嘉炜2009年4月8日第一章整车的行驶工况与性能的匹配当电动汽车与传统的内燃机汽车相比时，它们行驶时的车轮与地面之间相互接触所产生的力学过程有着无本质上的区别，而且这两类汽车在传统的汽车转向装置系统、悬架装置系统及制动装置系统﹙传统汽车有着五大装置系统，动力装置系统、电器控制装置系统﹚也有着基本相同之处。但它们的差别主要是采用了不同的动力源和电子接口控制装置系统。这里我们不讨论电子接口控制装置系统技术的应用，指对电动汽车的动力源加以讨论和应用。我们知到传统的汽车动力是有内燃机所产生的热能而转换成机械能，从而推动汽车的行驶，而现代的电动汽车则是全部或部分由蓄电池、燃料电池等作为电能而转换成机械能驱动汽车的行驶。因此，电动汽车在制动性能、操纵稳定性、平顺性及通过性与内燃机汽车应当是基本一致的。但是受到多种因素的制约，当前的电动汽车在动力性﹙动力有现﹚、续驶里程﹙行驶里程有现﹚、成本和可靠性﹙有由电子接口控制装置系统技术在振动下可靠性就差，提高可靠性成本就要有所增加。当前的电动汽车单价都在百万以上﹚等方面还与内燃机汽车有这一定的差距。为了设计制造出性能优越、价格便宜的电动汽车，首先需要对电动汽车的实际使用工况进行详细的调查，燃后进行针对性的设计，提出各个部件的参数要求，使各个动力源可在较优的工作范围内工作，并且优化和提高电动汽车的各种性能，而降低成本。例如，在燃料电池混合动力汽车上，根据对应行驶工况下的均衡功率和功率范围，使可以大致确定出燃料电池和蓄电池组的容量，通过控制策略的伏化，可使燃料电池的输出功率变化的范围较少，从而有利提高燃料电池的总体效率、可靠性和使用寿命等。另外，行驶工况对于电动汽车的性能参数，如对续驶里程有着决定性意义，如果没有具体的行驶工况，电动汽车在实际的行驶中的续驶里程就很难评价。因此，行驶工况对设计各种电动汽车有这十分重要的意义。㈠汽车行驶工况的概述常见的内燃机汽车的动力来源是于化石燃料的化学能（热能﹚，经过内燃机转化成机械能，其效率较低﹙燃料的32%）并会产生有害的排放物﹙主要包括二氧化碳CO2、一氧化碳CO、碳氢化合物、氮氧化合物NO和氧化硫﹚，危害这环境和人类的健康。1973年美国加州率先通过汽车排放法规，促进汽车工业开发更高的燃烧效率和更低排放的发动机﹙机械喷射K型、电喷射L型、电子喷射E型﹚。该法规必须要有一种能够应用于各类不同的发动机之间性能差异的测试程序，这种测试程序的方法被称为行驶工况﹙DrivingCycIe，DC，简称工况﹚。为了能够在试验台架上再现实际车辆的行驶状况，针对不同的情形﹙如城市、山区、道路、各种车型等﹚并开发了各种车辆的行驶工况，是美国开创推动了世界各国的车辆行驶工况的研究和开发，如今，由于评价目标和研究对象的不同、形成了种类繁多、用途各不相同的工况。这些工况满足了从轻型车到重型车、从汽油机到紫油机等各种系列车辆的性能测试。其用途主要有以下三个方面：①确定污染物的排放量和燃油消耗量；②对新新车型进行验证和校准；③评古各种技术指标和测定交通控制方面的风险等。行驶工况是汽车实际道路的行驶状况的反映，伴随着工况深入的研究和不断的完善，行驶工况具有这典型的实际道路驾驶状况，能够反映出车辆真实的这行工况，可用于车辆的研究、让证和检查/维护﹙Inspeetion/Maintenance，简称I/M﹚。1．调查行驶工况的内容按照工况调查所包含的内容来分，有可分为行驶完全工况和行驶非完全工况。①完全工况——主要调查内容包括车速、油耗、加速度、制动力、制动次数、挡位、换挡次数、进气管真空度、发动机转速、发动机输出功率等，以及汽车行驶过程中的交通状况，如试验路段上的行驶坡度、立交桥的长度和坡度、交通信号灯的数量和变换时间及间隔距离、交通流量、主要机动车类型及所占的比刻等，还包含着当时的风向、风力、气温、气压等气象参数。②非完全工况——调查内容要比完全工况少得多，主要调查耗油量和排放物的多少。2．行驶工况的用途按照行驶工况的用途来分，可以分为标准工况和非标准工况两类。①标准工况——是由一个国家或地区通过法规形式确立的用于认证和检测及维修的用途行驶工况﹙交通部、行业管理、运管处等政府所制定的法规﹚。②非标准工况——属于一些科研机构和汽车制造商用于特定研究用途的非法规类的行驶工况﹙自制定的规章﹚。3．行驶工况的表现形式按照行驶工况的表现形式来分，可以分为瞬态﹙Transient﹚和模态﹙ModaI﹚工况两类。①瞬态行驶工况——指的是在瞬态行驶工况的速度及时间曲线与车辆的实际运行过程是非常相似的，必须符合车辆的实际运行特征。②模态行驶工况——指的是在横态行驶工况的速度及时间曲线主要由一些线段组成，分另代表匀速度、匀加速度、和匀减速度等运行工况。模态行驶工况的优点是试验操作较为简单，但不太符合车辆的实际运行特征。㈡国外汽车行业的行驶工况情况世界范围内的很多国家都以制定了各自的标准、指令和法规等形式，提出了不同车型在应对各种条件下行驶工况的标准。而当今世界对车辆的排放与测试行驶工况主要分成三类：②美国行驶工况标准﹙USDC﹚；③欧洲行驶工况标准﹙EDC﹚，筒称欧门；④日本行驶工况标准﹙JDC﹚。1．美国行驶工况标准﹙USDC﹚美国行驶工况标准种类繁多，用途各异，一般包包括认证用﹙FDC系﹝如生产所需的各种证书﹞﹚；研究用﹙WVU系﹝如科研所需的技术资枓、资金等﹞﹚；短工况﹙I/M系﹚三大体系。还有美联邦的测试程序﹙FTP75﹚、洛杉矶﹙LA92﹚和负苻模似工况﹙IM240﹚等行驶工况。①适用于乘用车和轻型载货车辆的行驶工况标准——20世纪60年代由于人们无序的使用汽车，而产生大量的废气及热量﹙城市的污染源80﹪来于汽车的排放物﹚，导致了大气被非常严重的污染，至使美国加州洛杉矶地区的空气出现光化学烟雾﹙在气温达到24～32℃时，而湿度又较低的条件下，使其中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮在强烈的太阳紫外线照射下，吸收太阳光的能量，这些物质的分子气变得很不稳定，它们形成了新的物质，一种剧毒的光化学烟雾﹚。为了改善这种状况经过调查和研究，发现有一条具有代表性的汽车上下班路线上解折出车辆的速度及时间曲线，在1972年被美国环保局﹙筒称EPA﹚将它用作认证车辆排放的测试程序﹙筒称FTP72，又称为UDDS﹚。用这个测试程序来控制车辆的排放标准。FTP72规定在冷车状态下从0～505s的过度工况和稳态﹙怠速﹚状态下从506～1370s的过度工况的构成。1975车又在FTP72规定的基础上增加了600s热车辆浸车和热状态过度工况﹙即重复冷过度工况﹚，持续时间2475s，构成了包含车辆运行四个阶段的FTP75工况，同时可用于车辆热启动排放的检查标准。如图1—1所示为美国的FTP75行驶工况。图1—1实际在1943年9月8月洛杉矶市就出现了世界历史上从末有过的“毒雾”事件，部分居民喉咙肿痛，胸闷气短，此后年复一年不断发生此事件，特别严重的是1955年9月的两天之内就有400多名65岁以上的老之死亡，几千人受到不同程度的伤害，蔬菜变质，1/4的森林干枯而死亡。由于现代交通网络的发展，实现了许多新干线和高速公路，车辆在高速公路上运行的时间占总出行时间的比例越来越多，这使发动机的三种主要污染物﹙一氧化碳CO、碳氢化合物CxHy和氮氧化合物NOx﹚的排放特征随之也发生了改变，于是美国环保局﹙EPA﹚也发布了经过修订的“认证车辆排放测试程序﹙FTP）”版本。在此期间开发了许多更加真实的交通状况的发动机工况，如考虑到车辆在行驶过程中所变化的道路情况US06、车辆在行驶过程中所开空调满负荷运行的SC03等，作为FTP的补充的发动机工况，形成了一个比较完正的FTP发动机工况的法规，并应用于2001年后所生产的车型排放测试。HWFET的行驶工况是用于乘用车在高速公路上燃油经济性测试的运行工况，如图1—2所示。另外，考虑到道路的坡度对车辆燃油的削耗影响，还开发了可变坡度的HWFET－MTN工况。美国乘用车型在高速公路上行驶的工况图1—2所示除了述发动机运行工况外，还有以下几种典型的研究型工况。⑴LA92——具有很高的最高速度和平均速度、有这较少的怠速运行时间和在单位里程中的停车次数以及更高的最大加速度。﹙这项测试指标就是发动机在一定指标下的最大的负荷运行工况﹚。⑵ARB02——加州大气资源委员会﹙CARB﹚根据对车辆的长期跟踪所研究开发出的发动机运行工况，目的是测试车辆处在FTP72边缘之外区域外发动机运行情况，它包括了冷启动和行程结束的部分﹙拈冷启动过程和冷启动结束的过程部分﹚⑶HL07——是美国环保局协同汽车制造商开发的发动机运行工况，目的是测试车辆在超出一定速度范围情况下的一系列加速度的能力，在这些加速度的情形下车辆必须全开油门。（它主测试车辆在各个速度层级中的发动机运行工况，以便开发和修正美国现有的发动机运行工况）。⑷REP05——针对未被FTP工况所覆盖的车辆运行工况范围，如开发了一些驾驶过程中的发动机运行工况﹙人和人的驾驶方法是不一样的，所以也会给车辆的运行带来各种运行工况﹚。⑸REM01﹙Remainder﹚——用于启动状况研究的工况等。它们都以速度和加速度为目标，注重研究更加细致的瞬态变化过程。②重型车辆的行驶工况——近年在研究重型车辆的行驶工况时有侧重于向瞬态工况方向靠拢的趋势。其中BAC被堆荐为测试重型车辆燃油经济性的操作规程﹙SAEJ1376﹚。CBD14是商业中心区域的车辆测试运行工况，它也是BAC复合测试运行工况的一部分。运用14个相同的运行工况模拟公交车停车及运行的驾驶模式。CBD14近似于CBDBUS运行工况，但是时间步长可变﹙运行时间和道路的长度是可以有所变化的﹚。比较著名的还有市内测功机测试工况﹙UDDSHDV﹚，它主要模拟重型汽油机在市内区域进行运行工况的操作，运行长度为1060s，怠速为33%，而中均速度为30.4Km/h，并用于燃油蒸发排放测试。纽约城市运行工况﹙NYCC﹚则更是代表了市内区域道路的大型车辆的运行工况。它们作为FTP标准工况被广泛应用。如图1—3所示分别给出了市内测功机测试工况和纽约城市运行工况两种行驶工况标准。图1—3所示为了评价公交车的排放效果，通过覆盖几条不同的、公认为比较繁忙的公交线路，美国西弗吉尼亚大学﹙WVU﹚对纽约城市曼哈顿地区的公交车进行了混合动力和常规动力的操作和状态进行了调查，并开发了一组含10个短行程的运行工况，短行程之间怠速时段19s；为了满足能量的消耗测试指标，将短行程的测试数目增加到20个，作为常规的在用运输车辆﹙货车和城市客车﹚的运行工况。除了用于对低盘进行测功﹙测功机﹚的工况外，对于重型车辆的发动机在台架上进行代表性工况测量，以转速和转矩的计算，描述出车辆特性。通常测试工况包括一套稳定的按照发动机转速和转矩﹙欧洲和日本规定﹚定义的操作事项，或者是同时以瞬时发动机转速和转矩指标﹙美国规定﹚的瞬态工况（对于功率的测试各国之间是可以相互使用技术指标，但对排放物各国之间一般是不可以相互使用技术指标的）。2．欧洲汽车的行驶工况﹙EDC﹚研究人员系统地研究了适合欧洲交通状况的各种不同车辆的行驶特征的行驶工况，并依据道路的拥挤程度或车辆流量的大小，以不同的道路区域加以分类定义，如市区道路、郊区道路和高速道路以及平均速度、加速度的多种层级的归类，人为地开发了多层叠成稳定性的速度和加速度的片段。认证于轻型车辆在低盘测功机上的排放标准﹙欧洲EDC﹚，又称为MVEG-A，而现在发展为新的欧洲汽车行驶工况﹙NEDC﹚。在该工况里局部的行驶速度是设定为恒定的，是一种稳态工况﹙ECE15﹚，包抬市内﹙EUDC﹚、市郊或市郊低工率的汽车行驶工况﹙EUDCL﹚。ECE15是一类包括4种具有代表在市区内驾驶车辆状况的行驶工况﹙UrbanDC﹚，具有低速，低负荷和低排气温度的特征指标。由于车辆在城郊运行量的增加，1992年开发了代表高速行驶工况的EUDC或EUDC-LOW片段，在ECE15的基础上增加了1个EU-DC或EUDC-LOW，构成了现在大家