节能车行驶策略讲义与油耗的计算

1、.5 驾驶策略的确定5.1 驾驶策略问题分析5.1.1 赛道及驾驶策略初步分析图5.1为本次比赛赛道示意图。图中T1T7为曲线，长度可从表5.1中得到。本次节能车大赛全长11.2km，圈数为4圈。从节能大赛的经验可知，本次设计第四章假设的理想环境，即，全程匀速行驶是最不经济的，也是每个车队基本不会采用的形式策略。那么在游戏中，汽车必须遵循加速-滑行-加速的过程。一旦采用这样的驱动策略，就必须遵循一个基本的逻辑基础。就是尽量让车子在直路上加速，进弯前熄火开始滑行，把车速降低到一定的安全余量，然后（这里的安全余量是指车子不翻车）转弯时翻车或翻车）。侧滑速度范围）然后掉头。但是从图5.1可以看出，大

2、小弯道有7条，而且每条弯道的曲率半径都不一样，所以可以大胆假设，在一个弯道转弯时车速要低一些曲率半径较小，而在通过曲率半径较大的弯道时，可适当采用较高的车速。图 5.1 壳牌节能大赛示意图表 5.1 轨道各角的长度部分T1T2T3T4T5T6T7长度（米）72.937.0347.936.6268.8177.431.55.1.2 赛道细分从表 5.1 可以得出曲线的总长度为： 而由于官方只给出了赛道总长和每个弯道的长度，为了求出每条直道的长度，必须从弯道总长T中减去赛道总长L，即计算如下：S=L-T=在确定节能车精准驾驶策略的过程中，了解每条弯道和每条直道的长度，可以为加速和滑行的距离和时间提供

3、基本依据。因此，还需要计算每个直线段的长度。根据示意图，将直线段的部分等比例分成17个部分，用k表示，即：17k=S=1827.9m所以：k=通过仔细观察可以看出，虽然T3段的长度为347.9m，但曲线的T2段之后的段几乎可以看作是一条直线。如果好好利用，必然会导致车子开出T3弯时速度过低，或者即使在T3弯不加速也出不来，这是浪费燃料。因此，在本设计中，从T2到T3的急弯中间的曲线也近似为一条直线路进行设计计算。根据比例原则，可以得出该段为：b=2k=2107.5=215m同理，在T5到T6路段中间也有这样一段路段，可以近似为一条直线的长度。本节根据比例原则得出：e=0.5k=0.5107.5

4、=53.75m到目前为止，赛道分为T7和T1之间的直道a=10k，T2和T3之间的直道b=2k，T3和T4之间的直道c=4k，T4和T5之间的直道d=2k，e=0.5k对于 T5 和 T6 之间的直道，对于 T6 和 T7 之间的直道以及 T1、T2、T3、T4、T5、T6 和 T7 之间的弯道，f=1k。长度和比例如图 5.2 所示。图 5.2 轨道细分示意图5.1.3 安全车速的选择本节开头，设计大胆假设汽车在曲率半径较小的弯道转弯时车速应较低，通过较大的弯道时可适当采用较高的车速。曲率半径。询问了历届本田杯节能赛车的老师后，得出的结论是，车速20km/h进弯更安全，因为这次设计的车和本田

5、杯都是在车辆质量和重量方面。分布与节能车非常相似，因此该结论适用于本设计。当然，由于上述汽车在通过曲率半径较大的弯道时车速较高的原理，在通过T5等弯道时可以适当提高进入弯道的速度。由于本文的计算顺序是汽车从a路段出发，T7的曲率半径较小，因此假设汽车进入T7弯时的速度为20km/h。5.1.4 计算原则在本章的设计计算中，由于汽车在转弯时车轮运动方向不垂直于其轴线，此时滚动阻力会增大，但由于轨道曲率半径未知，故不能根据公式 4.9 准确计算，因此本设计在计算汽车通过弯道的滚动阻力时不会考虑车轮的侧偏。F同时，由于主办方没有提供赛道的坡度，而且由于比赛类型为节能车，参赛队伍的底盘相对较低，因此可

6、以合理地假设坡度阻力为零。5.1.5 整体阻力的简化计算滑动耗能是指赛车在滑动过程中各轴承的摩擦耗能与转向装置在转弯时的能量损失之和。由于这部分的能耗非常复杂，并且与汽车的安装和调整有关，因此无法通过数学模型计算滑动能耗。但是，为了使本次设计的计算结果尽可能接近实际，这部分是不得不考虑的。问了领导老师多次，终于得到了比较靠谱的数据，就是当车子从35km/h起步滑到20km/h时，可以滑近250m，而这部分能量损失可以用作平衡滚动阻力和赛车滑动时的全部能量损失。因此，在下面的计算中，可以将赛车的滚动阻力和赛车部分的摩擦阻力F1E=12m在哪里：E 能量损失，J；m 车辆质量，kg；v1v2F1L

7、行驶距离，m；推断：0.5120必须：F5.2 T7段驾驶策略及油耗确定由于T7路段仅短31.5m，该路段可采用滑动行驶策略。这时车上的力就是上面计算的滚动阻力、空气阻力和赛车部门的摩擦阻力F10.5120计算：v从上面可以看出，T7路段的驾驶策略是驾驶员松开油门让车滑行，油耗为0，出口速度为17.4km/h，也就是初始速度汽车进入a区。5.3 A段行驶策略及油耗5.3.1 段a驱动策略分析由于本次比赛推荐的平均速度为30km/h，因此赛车可以在规定时间内以这样的速度完成比赛，而在过弯的滑行过程中，赛车的速度必须低于这个值。完成赛车的时间必须充分利用直道。也就是说，直路上的车速应该在30km/

8、h以上，车速应该保持在这样一个比较高的速度范围内。按照常理，车速保持在相对较小的范围内比车速变化较大的情况更省油。因此，本设计初步将直道车速控制在30-35km/h，更有利于节省比赛时间，更省油。5.3.2 高速外壳演示与分析前排高速控制在30-35km/h，低速控制在20km/h。但问题是，如果车速过低，赛车将无法在规定的23分钟内完成比赛，势必造成无法弥补的损失。因此，对于高速外壳的论据就显得尤为重要。假设在直道上采用高速策略，平均速度约为：v由于 b 最初被视为曲线，之前被算作直线，所以直线的总长度为L曲线总长度：L弯道速度的安全范围为20-15km/h，所以平均速度为：v如此直接的时间

9、：t转弯时间：t每圈时间限制：t比较t1t因此得出初步选择的高速围场不能满足比赛时限的结论，需要对高速围场进行改进，论证方法同上。经过多次对比和选型，确定36-42km/h的高速区间可以完成比赛，时间利用恰到好处，这与第4章得出的结论一致规定的时间，越省油了。计算结果如下：假设在直道上采用高速策略，平均速度约为：v弯道速度的安全范围为20-15km/h，所以平均速度为：v如此直接的时间：t转弯时间：t每圈时间限制：t比较t1t因此，高速外壳是合理的。5.3.3 a段开头驾驶策略的确定刚开出T7的时候车速是17.4km/h，而且车速很低，需要踩油门才能加速。该发动机最大功率为3.5kw，因此后续

10、计算中的功率值应小于或等于3.5kw，否则不合理。首先假设此时的加速度为a 1 =2.5m/s 2 ，根据力的平衡：F从功率平衡原理可以看出，节能车在行驶过程中，发动机发出的功率始终等于机械传动损失的功率和所有运动阻力消耗的功率。这是： pe=ua在哪里： pe ua 赛车速度，m/s 2 T赛车在加速过程中，公式pe是有极限和 v因此，汽车从17.4km/h到32km/h的行驶距离为：S从此时开始，汽车的加速度会降低，但是当速度达到最大值42km/h，即11.6m/s时，还需要计算加速度值，即：F那么加速度为：a因为这个过程中的加速度是不断变化的，是一个比较复杂的过程。为了简化模型，本设计将

11、该段行程的加速度近似为一个常数值，即将该段行程设计为匀速直线运动。计算过程如下：aS两阶段加速过程的时间计算如下：ttt由此可以得出结论，该车从T7弯到加速到42km/h：S图 5.3 为本设计中发动机的外特性曲线。从图中可以得出，柴油机功率达到3.5km时的油耗率b为350g/kWh图 5.3 发动机外特性曲线但这是发动机转速达到3500rpm时的油耗率。赛车在整个加速过程中转速都没有达到3500rpm。整个过程非常非常复杂。为简化模型，本节油耗率b约等于32 m=bpet 在哪里：m消耗的燃料质量，g；b 燃料消耗率， g/kWh；pe 发动机功率，kW t行驶时间，h；将上式的值带入计算

12、，我们得到： 因此可以得出结论，a段开头的驾驶策略是先慢慢拉动赛车的油门拉线。目标是让汽车在大约 1.6 秒内达到 32 公里/小时的速度。这时候油门拉线刚好拉到底，在这个过程中车子在行驶。 11米。之后，保持油门拉线最长约 1.3 秒。当车速达到约42km/h，即行驶约13m后，松开油门，继续滑行。两个阶段共消耗 1g 柴油。5.3.4 a段直线段行驶策略的确定通过本文前面的论证可以知道，要想完成比赛，高速圈应该保持在36-42km/h，那么中直道的初始驾驶策略是滑行到36km/h ，然后加速到 42km/h，然后滑行，以此类推。 ，直到车速降到25km/h左右，才进入T1弯。，根据滑向va

13、2=0.5120必须：S然后汽车开始加速，由公式 5.2 给出：F那么加速度为：a因为这个过程中的加速度是不断变化的，是一个比较复杂的过程。为了简化模型，本设计将该段行程的加速度近似为一个常数值，即将该段行程设计为匀速直线运动。计算过程如下：aSS滑行时的减速度为：a两阶段过程的时间计算如下：tttl二级驱动Sa总3m因此，当赛车在这样一个过程中，即从42km/h到36km/h再从36km/h加速到42km/h时，行驶距离为154m，时间为14.2s，柴油用量为0.25g。车子从 T7 拐角开始行驶：Sa段一共1075m，现在总行驶距离只有178m，所以后面的直线距离肯定有36-42km/h的

14、几个过程。计算如下：n并且由于小车进入弯道T1时要减速，所以小车最多只能再行驶5次Sa1至此，可以认为a路段的直线行驶已经结束，下一步必须进行滑行或刹车，将车速降到安全车速。迄今为止的总柴油消耗量：m5.3.5 段a驾驶策略比较与优化在上一小节中，设计计算了a段直线行驶的驾驶策略，但是如果在小节开始时假设的加速度降低怎么办？当加速降低时，单位时间的油耗会降低，但要达到要求的速度，则需要增加加速持续时间，这样的比较只能通过计算得出结论。首先假设此时的加速度为a 2 =1.8m/s 2 ，根据力的平衡：F v由于汽车的最大稳定速度略大于汽车的最大速度，所以汽车可以看作是从17.4km/h到42km

15、/h的匀加速运动，行驶距离为：St将上式各值代入式5.3计算： 因此可以得出，a阶段初期的驾驶策略是先慢慢拉赛车的油门拉线保持加速1.8m/通过本文前面的论证可以知道，要想完成比赛，高速圈应该保持在36-42km/h，那么中直道的初始驾驶策略是滑行到36km/h ，然后加速到 42km/h，然后滑行，以此类推。 ，直到车速降到25km/h左右，才进入T1弯。，根据滑向va2=0.5120必须：S然后汽车开始加速，加速度为a 2 =1.8m/s 2 ，我们得到：tSS滑行时的减速度为：a两阶段过程的时间计算如下：ttt行驶Sa总3m因此，当赛车在这样一个过程中运行时，即从42km/h滑到36km

16、/h再从36km/h加速到42km/h，行驶距离为155m，时间为14.3s，柴油消耗量为0.28g。车子从 T7 拐角开始行驶：Sa段总共1075m，现在总行驶距离只有186.4m，所以后面的直线距离肯定有36-42km/h的几个过程。计算如下：n并且由于小车进入弯道T1时要减速，所以小车最多只能再行驶5次Sa1至此，可以认为a路段的直线行驶已经结束，下一步必须进行滑行或刹车，将车速降到安全车速。迄今为止的总柴油消耗量：m虽然ma总2ma总1, 但由于差距很小，因此可以看作是几乎相等。又因为在a 320g/kWh2 =1.8m/s 2 的过程计算中，为了控制单一变量，该路段的油耗b仍然近似等

17、于设计，这是对油耗b的明显夸大。 .燃油消耗率b必然会降低，因此可以得出a 2 =1.8m/s 2比a 5.3.6 确定a段汽车的驾驶策略和油耗至此，a段的驱动策略已经确定：驶出T7弯道，驾驶员轻踩油门，加速保持在1.8m/s 2 ，持续时间约3.8s，时速达到42km/h，加速约31.4m；然后松开油门滑行，持续时间约13.4s，滑行距离约145m；轻拉油门，保持加速度1.8m/s 2 ，持续时间约0.9s，加速度约9m；重复步骤 2 到 3 五次。a段的总油耗为：m路段 a 的总行程时间为：t5.4 T1、T2段驾驶策略及油耗5.4.1 T1、T2路段驾驶策略分析计算如果出租车从距离 T1

18、 开始， Sa2但：v此时的速度比较大，可能达不到每小时安全速度的要求。这时，司机可能需要降低车速。但是，众所周知，在节能比赛中应该尽量避免刹车，因为这样不仅会损失能量，还会增加骑手的紧绷感。为了在不损失太多能量的情况下采取最合理的措施，这里设计采用逆向计算方法，即假设汽车T2的出口为17.4km/h，计算出的T1的入口速度接近25km /H。由于T1曲率半径较大，考虑到汽车的安全性，设计认为vT11L必须：v出租车时间为：t5.4.2 T1、T2路段驾驶策略和油耗的确定至此，T1、T2路段的行车策略已经确定：进入弯道前刹车，将车速降至25km/h；然后转弯并滑行，继续驶过 T1 和 T2 弯

19、道。这个过程消耗零燃料。T1 和 T2 路段的总行程时间为：t5.5 b和T3的驾驶策略和油耗5.5.1 b、T3驾驶策略分析计算车辆出T2弯后进入b段。这个时候速度vT21=4.48ms=16km/h 明显变慢了，所以需要加速。并且由于a路段驾驶策略的优化，得出了汽车出弯后以a 2 Stm之后，赛车再次遵循4236km/h的变化规律。计算过程如下：S滑翔时间：t此时车距T3角的长度为：5.5.2 b段末尾是否需要制动的论证分析从上面的计算可以看出，此时车距T3弯道已经很短，不适合再进行加速练习，此时车速为36km/h。如果不采取制动措施汽车继续滑行，汽车会进入T3吗？转弯时超过安全速度也是需

20、要考虑的问题。因此，如果汽车继续滑到 T3 弯，就需要计算汽车的速度。计算过程如下：vv从计算中可以看出，即使车子继续滑到T3入口，车速也无法降到安全速度，所以需要刹车。但从图5.2的轨迹分析图可以清楚地看出，T3弯角是曲率半径比较大的弯道，因此可以安全地假设汽车进入弯道的速度略大于20公里/小时。因此，假设汽车在接近 T3 时刹车，将速度降至 25 公里/小时。制动前的滑行时间为：t刹车后的速度为：v5.5.3 b段和T3段驾驶策略和油耗的确定车子在T3路段滑行，T3路段的长度为：L滑动过程计算如下：vt至此，b段和T3段的行车策略已经确定：进入b段后，驾驶员轻踩油门，保持加速1.8m/s

21、2 ，持续时间约4s，车速达到42km/h，加速行驶约32.3m；松开油门滑翔，持续时间约13.4s，滑翔距离约145m；继续滑行约4s后，司机接近T3弯道入口。此时采取制动措施，将车速降至25km/h。继续滑行并通过弯道 T3；段 b 和 T3 的总油耗为：m路段 b 和 T3 的总行程时间为：t5.6 c、T4段驾驶策略及油耗5.6.1 c、T4驾驶策略分析计算通过前面的计算，我们知道车子进入c段时的速度只有13.6km/h，所以必须加速到42km/h。计算过程如下：Stm之后小车继续滑行tc2=13.4如果汽车在没有加速的情况下继续滑行，T4转弯入口处的速度为：v旅行时间是t此时可以认为

22、小车进入T4的速度是安全的，小车进入弯道后的过程计算如下：L出口速度为：v时间成本：t5.6.2 c段和T4段行驶策略和油耗的确定至此，c段和T4段的行车策略已经确定：驶出T3弯道，驾驶员轻踩油门，加速保持在1.8m/s 2 ，持续时间约4.4s，时速达到42km/h，加速约33.8m；然后松开油门滑行，持续时间约13.4s，滑行距离约145m；继续滑251m进入T4角；继续滑过弯道。c 段和 T4 段的总油耗计算如下：m路段 c 和 T4 的总行程时间为：t5.7 d、T5段驾驶策略及油耗5.7.1 D、T5段驾驶策略分析计算从图 5.2 可以看出，b 段和 d 段的距离几乎相等，小车进入两

23、段轨道的速度分别为vT21=4.48ms行程长度为：S行程时间为：t油耗为：m进入T5弯前的速度为：v根据安全车速的原则，此时可以采取制动措施，但由于T5长268.8m，弯道曲率半径很大，从图5.2可以看出，它几乎有一段为直线，采用制动减速。势必会造成能量损失，更有可能汽车无法滑行完成T5弯，导致需要在T5弯加速，非常浪费能源，也增加了驾驶者的负担。与以往的经验相比，在曲率半径大的弯道上车速大于20km/h是一个规律，而且由于赛道是专业赛道，弯道处的路面会有一定的坡度，也增加了汽车的安全性。因此，当汽车vd因此，出口速度计算如下： v行程时间为：t5.7.2 d段和T5段驾驶策略和油耗的确定至

24、此，d段和T5段的行驶策略已经确定：进入d段后，驾驶员轻踩油门，保持加速度1.8m/s 2 ，持续时间约4s，车速达到42km/h，加速行驶约32.3m；松开油门滑翔，持续时间约13.4s，滑翔距离约145m；然后继续滑行4s左右，司机进入T5弯，继续滑行；继续滑行并通过弯道T5；段 d 和 T5 的总油耗为：m路段 b 和 T3 的总行程时间为：t5.8e和T6段驾驶策略和油耗5.8.1 e、T6段驾驶策略分析计算车子进入e段提速vT51=4.8m加速时间为：t行驶距离为：S油耗为：m汽车滑行到出T6弯后，距离为：S之后，汽车开始滑行，直到驶出弯道 T6。计算结果如下：退出T6转弯的速度为：

25、v此过程的行程时间为：t5.8.2 e、T6段驾驶策略和油耗的确定至此，e和T6段的驾驶策略已经确定：进入e段后，驾驶员轻踩油门，保持加速度1.8m/s2，持续时间约1.2s，时速达到25km/h，加速度约6.8m；松开油门滑行，时长约16.8s，滑行距离约170m，退出T6弯道；e路段和T6路段的总油耗计算如下：me段和T6段的总行程时间为：t5.9 f段驾驶策略与油耗5.9.1 F级驱动策略分析与计算由于T7段的进入速度是20km/h，而F段的距离只有107m，如果车速提高到42km/h，进入T7弯可能需要刹车一次，这是一种浪费燃料的。所以最初的假设是将速度提高到vf1计算过程如下：加速时

26、间为：t行驶距离为：S油耗为：m从汽车滑到进入弯道 T7 的距离为：S之后，汽车开始滑行，直到进入弯道 T7。计算结果如下：入弯 T7 的速度为： v可以看出，假设加速到30km/h，汽车滑到T7入口时的速度为24km/h，比本章最初假设的20km/h略大。因此，以下假设是加速到26km/h。计算过程如下：加速时间为：t行驶距离为：S油耗为：m从汽车滑到进入弯道 T7 的距离为：S之后，汽车开始滑行，直到进入弯道 T7。计算结果如下：入弯 T7 的速度为： v这个计算结果接近假设值，因此可以确定当汽车离开T6弯时，应该加速到26km/h，然后在进入T7弯时滑行到20km/h的安全速度。所以，出

27、租车时间是：t5.9.2 f段驾驶策略和油耗的确定至此，f段的驱动策略已经确定：进入f段后，驾驶员轻踩油门，保持加速度1.8m/s 2 ，持续时间约2.8s，车速达到26km/h，加速行驶约13m；松开油门滑行，时长约12.8s，滑行距离约94.5m，进入T7曲线；段 f 的总油耗为：m段 f 的总行程时间为：t5.10 驾驶策略演示与总结5.10.1 完成时间检查在5.3.2高速圈的演示分析中，已经知道完成比赛每圈的时限为：t如果比赛不能按时完成，将造成严重后果。因此，在确定了驾驶策略后，首先要计算一圈的总完成时间。计算过程如下：t因为：t因此可以得出结论，本次设计的驾驶策略车能在规定时间内完成比赛，时间利用率较高，符合本次设计第四章的基本原则。5.10.2 总油耗估算这里需要注意的是，在本设计中，计算出的功率pe和油耗率b燃料总量的计算：m如果跑四圈，油耗为：m据了解，0号柴油在标准温度20下的密度一般在0.8400-0.8600g/cm 3 之间，本设计选用0.85 g/cm 3 。那么整个过程使用的柴油量为： V=m终 在哪里：V燃料体积，ml 3 ；m终 燃料密度， g/ cm 3 ；但：V=根据比例原则，可