3. 车辆行驶工况与需求分析

混合动力系统模式管理的本质，是在给定行驶需求下决定“谁出力、出多少、何时切换”。因此，模式管理的第一输入不是电机或发动机参数，而是车辆行驶工况与需求。工况决定了整车需要多少功率、以什么转速和扭矩输出，也决定了发动机、电机、电池各自的工作区间。本节围绕三条主线展开：工况特征提取、功率需求分解、驱动扭矩与转速需求建模。

一、核心原理：从车速轨迹到需求边界

车辆行驶工况通常以车速-时间序列表示，例如 NEDC、WLTC、CLTC-P 或实车采集数据。原始车速不能直接用于模式管理，需要先提取特征参数，再映射为功率、扭矩、转速需求。其核心关系可概括为：

• 运动学需求：由车速 v 与加速度 a 决定，反映驾驶员对加速、减速、巡航的意图。
• 动力学需求：由滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力共同决定轮端需求。
• 传动需求：轮端需求经主减速比、变速器挡位转换为电机/发动机轴端扭矩与转速。
• 能量需求：功率对时间积分得到能量，用于判断电池充放电窗口与模式切换时机。

因此，工况分析不是简单统计平均车速，而是建立“车速轨迹 → 特征参数 → 功率/扭矩/转速需求 → 模式管理约束”的完整链路。

二、工况特征提取：把时间序列压缩成可计算参数

工况特征提取的目标，是用少量参数描述一段行驶过程的“性格”。常用特征包括：

• 速度类：平均车速、最大车速、速度标准差、巡航速度占比。
• 加速度类：平均加速度、最大加速度、最大减速度、加速度标准差。
• 时间类：怠速时间比、加速时间比、减速时间比、匀速时间比。
• 能量类：正驱动能量、负制动能量、单位里程能耗。
• 工况强度类：行驶距离、平均行驶车速、停车次数、最大爬坡度。

这些参数可直接用于模式管理中的阈值判断。例如，怠速时间比高说明启停机会多；加速时间比高说明需要频繁大功率输出；制动能量大说明回收潜力高。工程上常将特征参数归一化后，与标准工况库进行相似度匹配，判断当前属于城市拥堵、市郊、高速还是爬坡工况。

三、功率需求分解：从阻力到轮端功率

车辆行驶阻力方程是功率需求分解的基础：

F_dem = m·g·f·cosθ + (1/2)·ρ·C_d·A·v² + m·g·sinθ + δ·m·a

P_dem = F_dem · v / η_t

其中：
m      整车质量（kg）
g      重力加速度（9.81 m/s²）
f      滚动阻力系数
θ      道路坡度角（rad）
ρ      空气密度（kg/m³）
C_d     空气阻力系数
A      迎风面积（m²）
v      车速（m/s）
δ      旋转质量换算系数
a      加速度（m/s²）
η_t    传动效率

将 P_dem 按来源分解，可得到四部分：滚动阻力功率、空气阻力功率、坡度阻力功率和加速阻力功率。模式管理关注的是：哪些部分可由电机高效承担，哪些部分必须由发动机介入。例如低速加速时，电机效率高、响应快，适合纯电驱动；高速巡航时，发动机工作在高效区，适合直驱或并联；大坡度爬坡时，需求功率可能超过发动机或电机单独能力，需要双动力源协同。

四、驱动扭矩与转速需求建模方法

功率需求确定后，还需转换为轴端扭矩和转速，才能与电机、发动机特性图匹配。轮端需求扭矩为：

T_wheel = F_dem · r

电机/发动机轴端需求：
T_shaft = T_wheel / (i_g · i_0 · η_t)

转速需求：
n_shaft = v · i_g · i_0 / (2π · r) · 60

其中：
r      车轮滚动半径（m）
i_g    变速器速比
i_0    主减速比
n_shaft 轴端转速（r/min）

建模时需注意三个关键点：

1. 挡位影响：同一车速下，不同挡位对应不同转速和扭矩。模式管理必须与换挡策略协同，否则会出现“发动机高效区但挡位不合适”的矛盾。
2. 效率修正：传动效率、电机效率、发动机效率均随扭矩和转速变化，需求建模应使用 MAP 图而非固定效率。
3. 动态约束：电机和发动机都有扭矩响应时间，需求扭矩不能瞬间跳变，需加入滤波和斜率限制。

五、案例：城市拥堵工况下的需求分析

以某城市拥堵片段为例，平均车速 18 km/h，最大车速 45 km/h，怠速时间比 32%，加速时间比 28%，制动能量占比 21%。分析过程如下：

• 低速段 P_dem 多数低于 15 kW，电机可独立覆盖，发动机应保持停机。
• 频繁启停导致需求功率波动大，模式管理需设置切换滞环，避免发动机频繁启停。
• 制动能量占比高，应优先保证回收扭矩，电池 SOC 需预留充电窗口。
• 若 SOC 低于下限，发动机启动发电，但应工作在高效区，避免低效怠速充电。