艾力夏提·阿不力孜 李建新 薛喜紅 趙圓圓

基金項(xiàng)目：新疆職業(yè)大學(xué)校級(jí)科研課題“‘共建、共生、共贏職教理念背景下，政行企校協(xié)同產(chǎn)教聯(lián)合體建設(shè)研究”（XJZD2023KYY01）

摘要：基于改進(jìn)的二維智能駕駛員模型分析了駕駛行為對(duì)純電動(dòng)汽車能耗的影響，從道路總能耗的角度，基于Matlab軟件進(jìn)行了城市工況和高速工況下的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明：在道路系統(tǒng)中激進(jìn)的駕駛行為會(huì)產(chǎn)生更高的能耗，尤其在城市工況下對(duì)純電動(dòng)汽車的能耗影響更大；道路能耗隨著激進(jìn)型駕駛員滲透率的提高而增加，并且在激進(jìn)型駕駛員滲透率達(dá)到40%之后，道路車均百公里能耗增長(zhǎng)率達(dá)到最大值。仿真結(jié)果表明交通擁擠程度也是影響能耗的重要因素。

關(guān)鍵詞：微觀仿真；駕駛行為；節(jié)能駕駛

中圖分類號(hào)：U469? 收稿日期：2024-05-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406011

1 前言

隨著全世界范圍內(nèi)環(huán)保理念的提升，大力發(fā)展純電動(dòng)汽車成為世界各國(guó)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、氣候變化的共識(shí)。然而，純電動(dòng)汽車公共充電配套設(shè)施建設(shè)滯后和純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程較短等因素，制約了純電動(dòng)汽車的推廣。因此，在電動(dòng)汽車與動(dòng)力電池的研發(fā)技術(shù)沒(méi)有重大突破的背景下，如何更低成本地降低純電動(dòng)汽車能耗，提高續(xù)航里程，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1]。

目前已有多數(shù)研究表明：車輛的能耗表現(xiàn)受駕駛方式的影響非常大[2-3]。然而以往的研究大多針對(duì)燃油車，或者通過(guò)對(duì)車輛個(gè)體行駛數(shù)據(jù)分析，關(guān)于純電動(dòng)汽車多車行駛能耗的研究較少。因此，為了響應(yīng)國(guó)家低碳出行號(hào)召，降低純電動(dòng)汽車使用環(huán)節(jié)的能耗，本文從道路總能耗的角度，基于Matlab進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，研究了不同駕駛行為在多種情景下對(duì)純電動(dòng)汽車能耗的影響。

2 仿真模型與設(shè)計(jì)

21 仿真模型

211 改進(jìn)的二維智能駕駛員模型（2D-IIDM）

Tian等[4]在2D-IDM模型基礎(chǔ)上提出了一個(gè)改進(jìn)的二維智能駕駛員模型（2D-IIDM），該模型被認(rèn)為能夠模擬出較多的交通流空間狀態(tài)。本文中的仿真模擬選用2D-IIDM跟馳模型作為描述車輛微觀行為的基本模型，期望仿真的結(jié)果最為接近實(shí)際的交通狀態(tài)。

模型表達(dá)式如下：

[if?? dn，desired（t）≤dnt]

[ant=1-vn（t）vmax41-dn，desired（t）dnt2]?????????? （1）

else

[if? vn（t）

式中，[dn，desired（t）]為期望車間距；[dnt]為實(shí)際車間距；[vc]為臨界速度。期望車間距[dn，desired（t）]與實(shí)際車間距[dnt]分別定義為：

[dnt=xn+1t-xnt-l]????????????????????? （3）

[dn，desired（t）=maxvntTnt-vnt?vnt2amaxb，0+d0]??? （4）

式中，[d0]為堵塞間距；Tn（t）為期望時(shí)間間隔，表示如下：

[Tnt+?t=T1+rT2，? if r1vcTn（t），?? otherwise]????? （5）

式中，[r1]為0～1之間的獨(dú)立隨機(jī)變量；[T1、T2]擁堵穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)間間隔的變化范圍；[T3、T4]為高速駕駛狀態(tài)下時(shí)間間隔的變化范圍；[p1]為低速狀態(tài)下T發(fā)生變化的概率；[p2]為高速狀態(tài)下發(fā)生變化的概率[4]。

212 電動(dòng)汽車能耗模型

本研究采用文獻(xiàn)[5]提出的能耗模型，該模型由行駛阻力功率損耗、電機(jī)功率損耗、再生制動(dòng)功率和輔助功率損耗組成，模型表達(dá)式如下：

[PEV=Pr+Pm+Pg+Pa]????????????????????? （6）

式中，[Pt]為行駛阻力的損耗的功率；[Pm]為電機(jī)損耗的功率；[Pg]為再生制動(dòng)功率；[Pa]為輔助設(shè)備損耗的功率，主要是指車輛中的電子設(shè)備，例如收音機(jī)、燈光、空調(diào)等。具體表達(dá)式如下：

[Pr=0.5δCDAfv2+frmg+vbRtv]??? ??????????????????（7）

[Pm=rR2tK2ma+av2+frmg+vbRt2]?????????????? （8）

[Pg=ηm]av??????????????????????????????? （9）

式中，[Af]為純電動(dòng)汽車的前擋風(fēng)玻璃面積，[m2];[CD]為阻力系數(shù)；[fr]為滾動(dòng)阻力常數(shù)；g為重力加速度（g=981m/[s2）]；[v]為車輛的速度，m/s；[b]為軸承阻尼系數(shù);[Rt]為車輛輪胎半徑，m;[δ]為空氣密度，kg/[m3]。

以上模型參數(shù)取值如表1所示。

213 駕駛行為模型

根據(jù)駕駛員對(duì)加速踏板的控制頻率與幅度的不同，將駕駛行為分為溫和控制型、適度控制型和過(guò)度控制型，這三種駕駛行為對(duì)應(yīng)的駕駛員類型分別為溫和型駕駛員、適中型駕駛員和激進(jìn)型駕駛員。根據(jù)張哲[6]的研究，不同駕駛行為的仿真規(guī)則與參數(shù)如表2所示。

22 仿真設(shè)計(jì)

該仿真系統(tǒng)由交通場(chǎng)景模塊，跟馳狀態(tài)計(jì)算模塊，能耗計(jì)算模塊，道路總能耗計(jì)算模塊四部分組成。交通場(chǎng)景模塊建立了包含交通信號(hào)燈的交叉路口和高速路段；跟馳狀態(tài)計(jì)算模塊用來(lái)生成道路上車輛逐秒的行駛狀態(tài)；能耗計(jì)算模塊利用電動(dòng)汽車的能耗模型來(lái)計(jì)算出單車逐秒的能耗，最后由道路總能耗計(jì)算模塊來(lái)統(tǒng)計(jì)和分析仿真時(shí)間內(nèi)道路的總能耗和車均能耗等數(shù)據(jù)。仿真將在交叉路口和高速路段兩種情景下進(jìn)行，仿真具體參數(shù)如表3所示。

3 仿真結(jié)果分析

基于仿真所需的跟馳模型與能耗模型，仿真的輸入主要是仿真時(shí)間、交通場(chǎng)景參數(shù)、模型所需的初始值以及不同類型駕駛員的滲透率；仿真的輸出指標(biāo)主要包括：路網(wǎng)中生成的車輛數(shù)、每輛車行駛時(shí)間（s）、每輛車逐秒位置（m）、逐秒車速（km/h）、逐秒加速度m/s2、逐秒能耗（W）、仿真結(jié)束時(shí)道路總能耗（kW·h）。

通過(guò)對(duì)仿真輸出數(shù)據(jù)的處理，得到每種場(chǎng)景下的車均百公里能耗指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖1所示。

如圖1所示，在高速和城市兩種工況下車均能耗從高到低分別為激進(jìn)型、適中型和溫和型，可見(jiàn)不管是在高速工況還是城市工況中，過(guò)度控制型駕駛行為均會(huì)明顯的增加能耗。而車均百公里能耗變化率曲線表明，過(guò)度控制型駕駛行為下，城市工況下的能耗增長(zhǎng)率明顯大于高速工況，說(shuō)明雖然高速工況下的能耗值更高，但過(guò)度控制型駕駛行為對(duì)城市工況下的車輛能耗影響更大。

考慮到真實(shí)的交通場(chǎng)景中不同類型駕駛員混行的情況，建立了城市工況下不同類型駕駛員混行的交通場(chǎng)景，探究激進(jìn)型駕駛員滲透率對(duì)道路能耗的影響。以溫和型駕駛員與適中型駕駛員混入率各為50%作為基礎(chǔ)場(chǎng)景，分析當(dāng)激進(jìn)型駕駛員滲透率的增加對(duì)于基礎(chǔ)場(chǎng)景的影響情況。仿真結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，隨著激進(jìn)型駕駛員滲透率的增加，系統(tǒng)的車均百公里能耗逐漸增加；而在激進(jìn)型駕駛員滲透率達(dá)到40%前，能耗的增加相對(duì)緩慢，在達(dá)到40%以后，系統(tǒng)的車均百公里能耗增長(zhǎng)趨勢(shì)達(dá)到最大?？梢?jiàn)在城市工況下，保證激進(jìn)型駕駛員占比在40%以內(nèi)，對(duì)降低道路總能耗有著明顯的效果。

為了探究交通流量對(duì)城市工況下的純電動(dòng)汽車能耗的影響，分別在200 pcu/lanc/h、400 pcu/lanc/h、600 pcu/lanc/h條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真輸出結(jié)果如圖3所示。

由圖3可得，交通流量對(duì)車均百公里能耗的影響顯著，相同條件下交通流量越大能耗越高；車均百公里能耗變化率曲線表明，交通流量越大，激進(jìn)型駕駛員對(duì)車均百公里能耗的影響就越大；在200 pcu/車道/h的交通量下，不僅能耗值最低，而且能耗增長(zhǎng)率的變化較為緩和，可見(jiàn)通暢的交通條件受過(guò)度控制型駕駛行為的影響最小，對(duì)激進(jìn)型駕駛員的“承受能力”也更強(qiáng)；在600 pcu/車道/h的交通量下，不僅道路能耗值最高，能耗的增長(zhǎng)趨勢(shì)也最大，可見(jiàn)過(guò)度控制型駕駛行為在擁堵的交通狀況下對(duì)能耗的影響更大。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于微觀數(shù)值仿真的方法，模擬了多種交通場(chǎng)景，探究了三種駕駛行為以及交通流量對(duì)道路能耗的影響，得到了以下結(jié)論：

a.過(guò)度控制型駕駛行為對(duì)道路總能耗的影響最為顯著，并且對(duì)城市工況的影響更大；系統(tǒng)的車均百公里能耗隨著激進(jìn)型駕駛員滲透率的增長(zhǎng)而明顯增加，并且在激進(jìn)型駕駛員滲透率達(dá)到40%之后，能耗增長(zhǎng)率達(dá)到最大值。表明在城市工況下，使激進(jìn)型駕駛員滲透率控制在40%以內(nèi)，對(duì)降低道路總能耗有著明顯的效果。

b.在200 pcu/車道/h的交通量下，道路能耗值最低，而且能耗增長(zhǎng)較為平緩；在600 pcu/車道/h的交通量下，道路能耗值最高，而且能耗增長(zhǎng)劇烈。表明控制交通狀況能夠明顯地降低道路的總能耗。

c.以上研究結(jié)果表明，從駕駛員個(gè)體層面，主動(dòng)規(guī)范個(gè)人駕駛操作或者使用輔助駕駛系統(tǒng)能夠有效降低單車能耗；從政府管控層面，進(jìn)行必要的節(jié)能駕駛操作培訓(xùn)或通過(guò)限號(hào)限行等管控方法改善交通狀況，減少交通擁堵的發(fā)生，均可明顯降低道路能耗。

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作者簡(jiǎn)介：

艾力夏提·阿不力孜，男，1994年生，助教，研究方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車。