数学建模:针对汽车行驶工况构建思路的延伸应用

前言:

汽车行驶工况构建的思简单理解为将采集的大量数据进行"去除干扰、数据处理,缩减至1800S的数据",并可达到等效替换的目的,可以使在试验室快速复现;相应的解决思路、办法可应用在 "通过能量流采集设备大量采集新能源车辆的(各种电压、电流)数据、处理、来支持更合理的定义车辆的动力链匹配、经济模式/动力模式、能量回收策略等"

一、核心思路的可行性验证

问题本质的一致性

汽车行驶工况构建的核心逻辑是"数据降维+特征等效",即通过大数据提炼代表性片段(如1800秒工况曲线),在实验室复现实车场景。这一思路在新能源车辆能量流分析中同样适用,但需注意以下差异:

  • 数据维度升级:新能源车辆需采集电压、电流、SOC(电池荷电状态)、电机扭矩、能量回收功率等多参数,且需关联动力链动态响应;
  • 目标参数扩展:传统工况关注速度-时间曲线,新能源需新增能耗效率、电池寿命、能量回收率等目标;
  • 动态耦合性增强:电机、电池、电控系统(BMS)间的能量交互需建模为耦合系统,而非单一动力源。

结论 :该思路可迁移,但需构建多目标优化框架 ,并引入高维数据特征提取技术。


二、新能源能量流数据的应用场景与优化建议

1. 数据采集与预处理阶段
  • 挑战:新能源车辆数据量大(如CAN总线每秒数百条信号)、噪声多(电流波动、电磁干扰)。
  • 建议方案
    • 多源数据对齐:采用时间戳同步技术,对齐电压、电流、温度等异构数据流;
    • 异常值动态过滤:针对电池数据,设计基于电化学模型(如等效电路模型)的异常检测算法,而非简单阈值剔除;
    • 工况片段切割:定义能量流特征片段(如"急加速-高放电""长下坡-高回收"),而非传统速度片段。
2. 特征提取与模型构建
  • 挑战:需从高维数据中提取影响动力链效率的关键特征。
  • 建议方案
    • 物理-数据融合特征工程
      • 结合车辆动力学模型计算理论能耗,与实际能耗对比提取"效率偏差系数";
      • 利用电池SOH(健康状态)数据构建衰减关联特征(如"循环次数-内阻变化")。
    • 多模态聚类分析
      • 将驾驶行为(加速踏板开度)、环境(温度、坡度)、能量流(放电/回馈功率)联合聚类,识别典型工况模式;
      • 示例:定义"城市拥堵-低温低SOC"模式,针对性优化热管理策略。
3. 等效替换与实验室复现
  • 挑战:新能源动力链的强非线性(如电池效率随SOC变化)导致简单时间压缩可能失真。
  • 建议方案
    • 动态加权等效法
      • 对能量流关键参数(如平均放电功率、回馈能量占比)赋予权重,构建目标函数,生成"能耗等效"片段;
      • 实验室测试时,通过硬件在环(HIL)系统动态调整负载,匹配等效能量流曲线。
    • 数字孪生辅助验证
      • 建立车辆动力链数字孪生模型,对比实测数据与等效片段的电池温升、电机效率差异,迭代优化等效算法。
4. 应用场景落地建议
  • 动力链匹配优化
    • 基于聚类后的典型工况模式,仿真计算不同电机-电池配置的全局效率,推荐最优动力链参数组合。
    • 示例:针对山区工况占比高的车型,优先选择高扭矩电机+高倍率电池。
  • 经济/动力模式策略设计
    • 通过马尔可夫决策过程(MDP)建模驾驶模式切换策略,以长期能耗最低为优化目标。
    • 实时根据当前工况模式(如识别为"高速巡航")自动切换至经济模式。
  • 能量回收策略优化
    • 构建"制动意图-回收效率"映射模型,利用强化学习动态调整回收强度(如预判下坡路段时提前增强回收)。
    • 结合电池SOH数据,避免高SOC区间强回收导致的过充风险。

三、技术实施的关键挑战与对策

  1. 数据维度爆炸
    • 对策:采用Autoencoder等降维技术提取潜在特征,或使用因果推理筛选关键变量。
  2. 实时性要求
    • 对策:部署轻量化模型(如剪枝后的神经网络)至车载边缘计算单元(如英伟达DRIVE平台)。
  3. 模型泛化能力
    • 对策:引入迁移学习,利用已有车型数据预训练模型,再通过小样本微调适配新车型。

四、未来扩展方向

  1. 车-路-云协同优化
    • 通过V2X(车联网)获取前方道路坡度、信号灯时序,预生成能量流优化策略(如提前调整SOC窗口)。
  2. 个性化能源管理
    • 结合驾驶员习惯数据(如急加速频率),定制私有化能量回收策略,平衡经济性与驾驶体验。
  3. 电池寿命耦合优化
    • 将电池老化模型嵌入能量流优化目标,实现"瞬时能耗最低"与"全生命周期成本最低"的帕累托最优。

总结建议

将传统工况构建思路迁移至新能源车辆能量流分析时,需突破**"静态等效"思维**,构建动态耦合的多目标优化体系。建议分阶段实施:

  1. 短期:聚焦数据清洗与特征融合,建立典型工况模式库;
  2. 中期:开发数字孪生平台,验证等效算法的可靠性;
  3. 长期 :结合车联网与AI技术,实现全局能量管理策略的在线学习与动态优化。
    此技术路径不仅可提升车辆研发效率,还可为制定中国新能源汽车能耗测试标准提供数据支撑。
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