工况驾驶规范性及客观评价指标相关性的试验研究.pdf

第 13 卷第 4 期2023 年 7 月汽车工程学报Chinese Journal of Automotive EngineeringVol.13No.4July 2023工况驾驶规范性及客观评价指标相关性的试验研究张 琦，潘 玉，赵 鑫（华晨宝马汽车有限公司，沈阳 110143）摘要：通过引入驾驶评价指标和制动压力的控制及其要求规范了驾驶行为，为提高测试的准确性以及可重复性提供了保障。利用8名具有多年底盘测功机驾驶经验的驾驶员及两台轻型汽油车，在底盘测功机上开展了大量的新欧洲驾驶循环测试（New European Driving Cycle，NEDC）和全球轻型车统一循环测试（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，WLTC），并以10 Hz为采样频率连续记录数据进行综合计算，得到驾驶评价指标结果。通过相关性分析，认定驾驶风格对油门扰动性的影响在NEDC工况下比在WLTC工况下的更大，主因是驾驶员在稳定工况下拥有更多的自由度。对于NEDC工况，可以通过设定IWR及EER限值来实现规范驾驶；对于WLTC工况，可以通过设定IWR和RMSSE限值来实现规范驾驶。此外，通过限制工况驾驶过程中的最大制动压力还为规范驾驶提供了有效途径。不仅为降低不同驾驶员对燃料消耗量测试的影响提供了参考，在我国汽车领域实现“双碳”目标的背景下，也为乘用车碳排放大数据采集的准确性提供了借鉴。关键词：燃料消耗量；轻型汽车；驾驶评价指标；最大制动压力；底盘测功机；相关性中图分类号：U467.1文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.20951469.2023.04.11Research on Standardization of Cycle Driving and Correlation Analysis of Driving Evaluation IndexesZHANG Qi，PAN Yu，ZHAO Xin（BMW Brilliance Auto，Shenyang 110143，China）Abstract:To assist OEMs in reasonably,accurately determining the declared value of fuel consumption for both type approval and COP,thereby gaining more CAFC benefits,it is essential to standardize driving behavior,which is a key factor influencing fuel consumption tests.This can be achieved by introducing driving evaluation indices and brake pressure.Moreover,setting specified requirements ensures the accurate and repeatable measurement results.Eight drivers,each with several years of driving experience in emission dyno testing,along with two light-duty gasoline vehicles,were employed to conduct a large number of emission tests on the chassis dynamometer under NEDC and WLTC conditions.The driving evaluation indexes were calculated based on the data sampled at a 10 Hz frequency.Through statistical analysis,the influence of driving style on vehicle running smoothness is greater in NEDC compared with WLTC.This is attributed to the greater degree of freedom given to the driver under the stable conditions in NEDC.For the WLTC,setting IWR and RMSSE limits based on the empirical values ensures that the cycle is performed 收稿日期：20220823改稿日期：20221031参考文献引用格式：张琦，潘玉，赵鑫.工况驾驶规范性及客观评价指标相关性的试验研究 J.汽车工程学报，2023，13（4）：548-555.ZHANG Qi，PAN Yu，ZHAO Xin.Research on Standardization of Cycle Driving and Correlation Analysis of Driving Evaluation Indexes J.Chinese Journal of Automotive Engineering，2023，13（4）：548-555.（in Chinese）第 4 期张琦 等：工况驾驶规范性及客观评价指标相关性的试验研究under qualified driving.Besides,regulating the maximum brake pressure during the cycle is an effective measure.This paper offers insights into minimizing the variance caused by different drivers in fuel consumption tests and it provides a method to accurately calculate carbon emissions,both of which can contribute to the progress in achieving Chinas Dual-Carbon goals in automobile industry.Keywords:fuel consumption;light duty vehicle;driving evaluation index;maximum braking pressure;chassis dynamometer;correlation随着我国机动车排放法规的日趋严格，汽车节能技术的迅速发展，对乘用车平均燃料消耗量逐年下降的节能要求，以及完成乘用车平均燃料消耗量从2020年的5 L/km降至2025年的4 L/km的节能目标，传统燃油汽车节能降耗工作面临严峻压力1。对于汽车生产企业而言，越来越低的燃料消耗量限值和保障企业双积分管理办法的有效实施，要求必须科学合理地确定燃料消耗量申报值来保证型式认证的测定值和生产的一致性。这给汽车生产企业内部/外部实验室的试验数据准确性提出了更高要求。按照国家标准的要求，乘用车的排放量及消耗量（燃料消耗量和电量消耗量）测试均是在底盘测功机上开展的，即通过驾驶员在底盘测功机上进行工况驾驶。虽然驾驶员的驾驶行为是按照试验规程中的工况要求完成的，但是大量文献显示驾驶行为是影响消耗量测试的一个主要因素2-6。近年来，欧美相继将驾驶评价指标引入排放量及消耗量测试（在底盘测功机上进行）以规范驾驶行为7-8。通过量化的驾驶行为进行客观评价，即测试后检查驾驶评价指标是否达到对应循环工况的特定要求，从而判定驾驶行为是否对消耗量测试结果产生影响。我国乘用车排放及燃料消耗量法规GB 18352.6和GB/T 19233从NEDC稳态循环过渡到WLTC动态循环9-10，未来可能会使用中国轻型汽车试验循环乘用车（China Light-Duty Test Cycle for Passenger Car，CLTC-P）动态循环11-12。尽管 NEDC 已经退出历史舞台，但其代表的典型稳定车速循环工况仍能为研发以及设备的质量控制提供参考依据。本文引用了近年来国际上采用的评价指标13，即惯性力做功评价（Inertia Work Rating，IWR），绝对速度变化评价（Absolute Speed Change Rating，ASCR），能 量 经 济 性 评 价（Energy Economy Rating，EER），能量评价（Energy Rating，ER），行驶距离评价（Distance Rating，DR），速度方均根误差（Root Mean Square Speed Error，RMSSE）。根据NEDC和WLTC的大量试验数据对以上6个评价指标的相关性进行了试验研究和统计分析，得到的结论为工况驾驶规范性提供了参考。同时，本文对工况驾驶过程中的制动压力控制进行了理论分析，通过对其最大值的限制为规范驾驶提供了一个有效途径。1试验方案1.1试验样车本 研 究 采 用 两 台 样 车，主 要 技 术 参 数，见表1。1.2测试所需设备1.3试验规程及评级指标1.3.1试验规程试验规程参考常温下冷启动后排气污染物 I 型表1样车技术参数样车编号12当量惯量/kg1 8102 017发动机排量/L2.02.0额定功率/kW180180变速器自动自动注：两辆车均为量产车且经过磨合。表2试验测试设备台架编号12环境控制系统WEISSWEISS排放测试系统AVL AMAAVL AMA底盘测功机AVL ZllnerAVL Zllner控制系统AVL iGEM-VAVL iGEM-V注：1为WEISS高低温气候仓；2为WEISS常温环境仓。549汽车工程学报第 13 卷排放试验要求进行。1号样车分别在1号台架和2号台架上进行NEDC，2号样车分别在1号台架和2号台架上进行WLTC。选择有驾驶经验的驾驶员8人，在满足测试工况要求的前提下，随机驾驶两辆样车。1.3.2驾驶评价指标与分类驾驶员依照测试工况的要求驾驶车辆，要满足车辆实际速度和测试循环规定速度之间的允许公差的要求，需要加速和减速更加平滑地运行。6个驾驶评价指标为客观评价驾驶行为提供数据依据。1）IWR。无单位，表示实际循环惯性力做功与目标循环惯性力做功的偏离程度，计算式为：RIW=WIW，d-WIW，tWIW，t 100。（1）WIW=i=1nM ai di+。（2）式中：WIW，d为实际驾驶循环惯性力做功，单位J；WIW，t为目标驾驶循环惯性力做功，单位J；M 为测试车辆质量，单位kg；ai为对应速度点i的加速度，单位m/s2；di为速度点i的行驶距离，单位m。2）ASCR。无单位，表示实际循环绝对速度变化量与目标循环绝对速度变化率的偏离程度，该指标表征油门扰动性，油门扰动小ASCR值越小，并会产生负值。计算式为：RASC=VASC，d-VASC，tVASC，t 100。（3）VASC=t|ai|。（4）式中：VASC，d为实际驾驶循环绝对速度变化量，单位m/s；VASC，t为目标驾驶循环绝对速度变化量，单位m/s；t 为0.1 s。3）EER。无单位，表示实际循环单位能量行驶距离与目标循环单位能量行驶距离的偏离程度。计算式为：REE=-()DWCEd-()DWCEt()DWCEt 100。（5）D=i=1ndi。（6）式中：D为行驶距离；WCE为循环能量消耗量。4）ER。无单位，表示实际循环消耗能量与目标循环所需能量的偏离程度。计算式为：RE=ECE，d-ECE，tECE，t 100。（7）ECE=i=n(Mai+f0+f1vi+f2vi)di+。（8）式中：ECE，d为实际驾驶循环能量消耗量，单位 J；ECE，t为目标驾驶循环能量消耗量，单位J；f0，f1，f2为道路阻力系数，单位分别为N，N/（m/s），N/（m/s）2。5）DR。无单位，表示实际循环行驶距离与目标循环行驶距离的偏离程度。计算式为：RD=Dd-DtDt 100。（9）式中：Dd为实际循环行驶距离，单位m；Dt为目标循环行驶距离，单位m。6）RMSSE。速度单位，如m/s，km/h，mile/h等，表示实际循环车速与目标循环车速的偏离程度，该指标一定是正数，且数值越接近0，驾驶质量越好。ERMSS=i=1n()Vd，i-Vt，i2n。（10）式中：Vd，i为实际驾驶循环速度，单位m/s；Vt，i为目标驾驶循环速度，m/s；n为循环工况点数。针对6个驾驶评价指标进行分类，共分为3类，IWR和ASCR为驾驶风格的评价；RMSSE和DR为曲线跟踪的准确性的评价；ER和EER为经济性的评价。1.3.3相关系数及其判断范围在上述指标的具体数据统计中，相关分析属于驾驶过程的探索性分析，旨在研究变量间关系及性质，其结果是为下一步采取何种驾驶质量做出指引。相关分析步骤如图1所示。相关系数r，又称Pearson积矩相关系数，是用无量纲的系数形式来度量两个变量X和Y之间的相关程度和相关方向6-7，如式（11）所示。定性分析 绘制相关图形 计算相关系数 相关系数检验 图1相关分析步骤550第 4 期张琦 等：工况驾驶规范性及客观评价指标相关性的试验研究r=()Xi-X()Yi-Y()Xi-X2()Yi-Y2=CCOV()Xi，YiXY。（11）式中：CCOV为协方差；为方差。其值为-1r1。r值为正，表示变量X和Y之间正相关；r值为负，表示负相关；r=1，表示两变量完全正相关；r=-1，表示两变量完全负相关；如果 r=0 则为不相关。相关性判断经验范围：|r|0.3，表示微弱相关；0.3|r|0.5，表示低度相关；0.5|r|0.8，表示显著相关；0.8|r|1，表示高度相关。2试验结果与分析为了保证相关系数计算结果的准确性，试验方案建立在大样本（n30）的基础上，见表3。2.1NEDC循环驾驶评价指标相关性NEDC实际驾驶车速与目标循环车速的对比，如图2所示。根据驾驶员每次样本的驾驶行为（油门控制）的实际采样与目标循环的曲线要求，进行速度差、时间差、距离差以及加速度差的基本参数的采集与计算，得出每一次样本的6个驾驶评价指标，如图3所示。通过采集的每个样本进行各个驾驶评价指标的统计及相关系数的计算，如图410所示。图3实际油门和制动压力与车速的关系表3样本数量样车编号12循环工况NEDCWLTC样本数量/个137150图2NEDC 实际驾驶车速与目标循环车速的对比图4r=0.91，高度正相关图5r=0.86，高度正相关图6r=0.53，显著正相关551汽车工程学报第 13 卷对于计算得出的驾驶指标之间的微弱正相关、微弱负相关及低度正相关不进行图例的表征，每个驾驶评价指标的关系与相关系数，见表4。2.2WLTC驾驶评价指标相关性WLTC实际驾驶车速与目标循环车速的对比，如图11所示。通过采集的每个样本进行各个驾驶评价指标的统计及相关系数的计算，如图1216所示。对于计算得出驾驶指标之间的微弱正相关、微弱负相关及低度正相关不进行图例的表征，每个驾驶评价指标的关系与相关系数见表5。图7r=0.62，显著正相关图8r=0.54，显著正相关图9r=-0.46，显著负相关图10r=0.56，显著正相关表4NEDC驾驶指标的相关系数评价 指标IWRASCREERRMSSEERDRIWR1.000.910.53-0.140.440.01ASCR1.000.62-0.200.540.04EER1.00-0.460.860.07RMSSE1.00-0.44-0.12ER1.000.56DR1.00图11WLTC实际驾驶车速与目标循环车速的对比图12r=0.76，显著正相关552第 4 期张琦 等：工况驾驶规范性及客观评价指标相关性的试验研究2.3驾驶评价指标相关性分析通过不同的工况进行驾驶评价指标的相关性分析如下。2.3.1NEDC分析NEDC各指标间的相关性，如图17所示。IWR与ASCR的相关系数r=0.91，高度正相关，这可通过不同驾驶风格会导致加速扰动性差异显著来进行解释；EER与ER的相关系数r=0.86，高度正相关，通过EER的计算式也可以解释这种相关性。此外，ASCR与EER的相关系数r=0.62，显著正相关，这说明车辆驾驶越平滑，对经济性指标越有益。2.3.2WLTC分析WLTC 各指标间的相关性，如图 18 所示。IWR、ASCR、EER及ER四个指标之间显示出很强的相关性（除ASCR与ER为低度相关外），即显著正相关，这进一步验证了驾驶风格是影响油门扰动性的重要因素，同时，驾驶风格也会影响经济性，这可以通过WLTC本身是动态循环来进行解释。3制动压力控制对燃料消耗量影响的分析对于在底盘测功机上开展的燃料消耗量测试而言，在驾驶过程中，驾驶员仅需对油门踏板和制动图13r=0.76，显著正相关图14r=0.63，显著正相关图15r=0.72，显著正相关图16r=0.52，显著正相关表5WLTC驾驶指标的相关系数评价指标IWRASCREERRMSSEERDRIWR1.000.760.760.120.630.06ASCR1.000.64-0.010.32-0.34EER1.000.240.720.23RMSSE1.00-0.110.14ER1.000.52DR1.00图17NEDC各指标间的相关性553汽车工程学报第 13 卷踏板进行操作以跟踪不同工况下的匀速及变速（加减速）曲线，如图3所示。如果对最高制动压力不加以限制，将给驾驶员极大的操作自由度，很容易出现“油门多了制动找，制动多了油门补”的不良驾驶行为。对于自动挡车辆，上述不良现象会导致挡位的切换，从而改变发动机工况，进而影响燃料消耗量。对于手动挡车辆，由于工况曲线已经规定了换挡点，上述不良驾驶行为也会导致油门踏板的附加踩踏，从而影响燃料消耗量。通过上述分析，对驾驶过程中的最高制动压力加以限制是必要的，也是对驾驶行为的规范，即通过避免滥用油门及制动来提高加减速过程中的驾驶质量，从而降低驾驶行为对燃料消耗量的影响。该限制的引入将迫使驾驶员养成较强的预判习惯，并与前述 6 个驾驶评价指标相结合，共同规范驾驶行为。本研究仅对最高制动压力对燃料消耗量的影响进行了理论上的定性分析。对于定量分析，需要采用重复性更高的驾驶机器人，以及严苛的边界条件控制等来完成大量试验才能予以客观评价。最后，关于制动压力的数据采集，可通过INCA软件记录驾驶过程中的数据，测试后查看是否满足要求。4结论与展望综上所述，通过本文的驾驶评价指标的相关性分析，得到以下结论。1）无论是 NEDC 工况，还是 WLTC 工况，ASCR与IWR均得到较高的相关性，说明驾驶风格对油门扰动性的影响显著，并且在NDEC中，驾驶风格对油门扰动性的影响更明显。因此，仅为二者中的一个指标规定限值即等同于同时规范了这两个指标。本研究对WLTC工况提供了参考值，IWR应满足大于-2%，小于 4%；对于 NEDC 工况，小于9%。2）无论是 NEDC 工况，还是 WLTC 工况，EER与DR均得到较低的相关性，说明燃料经济性对循环过程中的实际行驶距离并不敏感。而EER与ER均得到较高的相关性，因此，仅为二者中的一个指标规定限值即等同于同时规范了这两个指标。本研究为 NEDC 工况提供了参考值，EER 大于-2.5%，小于0.5%。3）对于 WLTC 工况，IWR、ASCR、EER 及ER 四个指标之间显示出较强的相关性（除 ASCR与ER为低度相关外），这说明驾驶风格是影响加速扰动性的重要因素，同时，驾驶风格也会影响经济性，这是因为WLTC循环是动态循环。4）无论是 NEDC 工况，还是 WLTC 工况，RMSSE与其他5个指标没有表现出明显的相关性，这说明它是一个独立的指标，即单独为该指标规定限值以规范驾驶行为。本研究为WLTC工况提供了参考值，RMSSE应满足小于1.3 km/h。5）通过限制最大制动压力实现驾驶的规范性。本研究为自动挡车辆在WLTC工况提供了参考值，制动压力应满足小于3 000 kPa。本文的分析仍涉及多方面的理论、方法，还有一些未知因素需要在实际工作中不断积累和完善，未来将在以下两个方面进行研究。1）本研究未对中国工况CLTC-P进行相关的测试以得到6个驾驶评价指标的相关性，未来将完成此部分的试验研究。2）由于测试数量、资源以及严苛的边界条件控制等要求，本文未对最大制动压力对燃料消耗量的影响进行定量分析，未来将完成此内容。参考文献（References）1 中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图2.0 M.北京：机械工业出版社，2021.图18WLTC各指标间的相关性554第 4 期张琦 等：工况驾驶规范性及客观评价指标相关性的试验研究SAE China.Technology Roadmap for Energy Saving and New Energy Vehicle 2.0 M.Beijing：China Machine Press，2021.（in Chinese）2 刘俊女，朱庆功，杨正军.不同工况下轻型车油耗试验驾驶方式评价 J.中国环境科学，2019，39（6）：2328-2335.LIU Junn，ZHU Qinggong，YANG Zhengjun.Evaluation of the Driving Way of Light-Duty Vehicle Fuel Consumption Test in Different Driving Cycle J.China Enviromental Science，2019，39（6）：2328-2335.（in Chinese）3 黄山.轻型汽油车I型排放与工况油耗影响因素 J.北京汽车，2016，38（4）：38-41.HUANG Shan.The Impact Factors of Type Emission and Fuel Consumption of Light-Duty Gasoline Vehicle J.Beijing Automotive Engineering，2016，38（4）：38-41.（in Chinese）4 郭千里，赵冬昶，陈平，等.WLTC与NEDC比较及对汽车油耗的影响浅析 J.汽车工程学报，2017，7（3）：196-204.GUO Qianli，ZHAO Dongchang，CHEN Ping，et al.Comparison of WLTC&NEDC and Preliminary Study of Their Impact on Automobile Fuel Consumption J.Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7（3）：196-204.（in Chinese）5 郑从兴，刘显贵，穆劲松，等.WLTC与NEDC循环的排放相关性测试 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Measurement Methods for Emissions from Light-Duty Vehicles（China 6）S.Beijing：China Sandard Press，2016.（in Chinese）10GB/T 192332020.轻型汽车燃料消耗量试验方法 S.北京：中国标准出版社，2020.GB/T 192332020.Test Method for Fuel Consumption of Light-Duty Vehicles S.Beijing：China Sandard Press，2020.（in Chinese）11GB 38146.12019，中国汽车行驶工况第1部分：轻型汽车 S.北京：中国标准出版社，2019.GB 38146.12019.China Automotive Test CyclePart1：Light-Duty VehiclesS.Beijing：China Sandard Press，2019.（in Chinese）12GB 18386.12021.电动汽车能量消耗量和续驶里程试验方法第1部分：轻型汽车 S.北京：中国标准出版社，2021.GB 18386.12021.，Test Method for Energy Consumption and Range of ELECTRIC VEhiclesPart1：Light-Duty Vehicles S.Beijing：China Sandard Press，2021.（in Chinese）13J2951_201111.Drive Quality Evaluation for Chassis Dynamometer Testing S.USA：SAE Standards，2011.作者简介张琦（1984-），男，辽宁鞍山人，硕士，主要研究方向为内燃机公害与控制。Tel：[phone]E-mail：qi.zhang.febmw-通信作者潘玉（1974-），女，辽宁沈阳人，硕士，主要研究方向为产品质量控制和数据分析。Tel：[phone]E-mail：yu.panbmw-555