【《纯电动乘用车电耗数据仿真分析案例》5600字（论文）】

纯电动乘用车电耗数据仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u898纯电动乘用车电耗数据仿真分析案例 1325481.1工况分析 1207121.2AMEsim简介 616791.3部分子模型介绍 6148321.3.1整车模型 7254071.3.2驾驶员模型 770901.3.3驱动电机模型 864381.3.4动力电池模型 983341.3.5DC-DC转换器模型 10282881.3.612V蓄电池及低压附件模型 10281241.3.7空调模型 11130871.4仿真工况定义 11236801.5AMEsim仿真平台操作过程 14274681.6整车能量流仿真模型 14314351.7仿真结果分析 15170501.7.1电耗数据结果 15工况分析传统燃油车的燃油经济性评价指标为百公里燃油消耗量[12]，而电动汽车的经济性常用一定运行工况下汽车行驶的电能消耗量或一定电量条件下汽车行驶的里程来衡量，主要包括能量消耗率和续航里程两个评价指标。这两个指标都需要电动汽车在一定的行驶工况下运行，所以本节针对现如今广泛使用的续航测试标准NEDC、WLTC以及CLTC-P进行一定介绍。NEDC全称为NewEuropeanDrivingCycle，中文名为新标欧洲循环测试。NEDC工况是由欧洲制定的续航测试标准，欧洲、澳大利亚以及我国都在使用该循环工况，NEDC工况包含四个速度较低的市区循环以及一个速度较高的郊区循环。WLTC全称为WorldLight-dutyVehicleTestCycle，中文名是全球轻型车统一循环测试。WLTC是由联合国设定的，该测试标准相较于NEDC更加严格，分为低速、中速、高速以及超高速四个部分。WLTC工况的测试时间相较于NEDC更长，最高车速以及平均车速更高，可以说WLTC工况比NEDC工况更贴近实际车辆行驶的情况，所以越来越多的国家也开始使用WLTC工况测试车辆的能量消耗情况。我国也出台了属于自己本国的续航测试标准CLTC（Chinaautomotivetestcycle），中文名为中国汽车行驶工况[13]。由于我们主要关注的是乘用车，所以采用的是CLTC中针对乘用车的行驶工况。中国乘用车行驶工况英文缩写为CLTC-P，此工况时长为1800秒，并且包含了三个速度区间，分别为低速、中速以及高速。本次仿真针对NEDC、WLTC以及CLTC-P三种工况都进行了分析，我们会先对这三种工况有一个系统性的比较研究。（1）NEDC工况通过MATLAB软件对NEDC工况表的数据进行处理并得到NEDC的工况运行曲线，NEDC工况运行情况如图2.11图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11NEDC工况运行曲线通过MATLAB软件我们也能计算NEDC工况的最高车速，平均速度以及行驶里程等有关数据。值得注意的是NEDC工况运行时间为1180秒，而WLTC和CLTC-P的运行时间都为1800秒。（2）WLTC工况通过MATLAB软件对WLTC工况表的数据进行处理并得到WLTC的工况运行曲线，WLTC工况运行情况如图2.12图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s12WLTC工况运行曲线（3）CLTC-P工况通过MATLAB软件对WLTC工况表的数据进行处理并得到WLTC的工况运行曲线，WLTC工况运行情况如图2.13图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s13CLTC-P工况运行曲线（4）NEDC、WLTC及CLTC-P三种工况数据处理结果对比我们已经通过MATLAB对三种工况的数据进行了处理，表2.1、表2.2及表2.3就是对这三种工况的数据处理结果对比情况表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11NEDC、WLTC及CLTC-P三种工况数据处理结果对比表工况类型工况运行时间（s）工况行驶里程（km）最高车速（km/h）平均车速（km/h）运行平均车速（km/h）车速标准差（km/h）NEDC118010.921712033.320443.064831.0340WLTC180023.2639131.346.527953.276236.0356CLTC-P180014.479811428.959537.180526.5358表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s12NEDC、WLTC及CLTC-P三种工况数据处理结果对比表工况类型最大加速度（m/s^2）加速段平均加速度（m/s^2）加速度标准差（m/s^2）最大减速度（m/s^2）减速段平均减速度（m/s^2）减速度标准差（m/s^2）NEDC1.04170.50570.1901-1.3889-0.71900.2565WLTC1.58330.55740.3504-1.5278-0.57500.3483CLTC-P1.47220.44800.2474-1.4722-0.49410.3304表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s13NEDC、WLTC及CLTC-P三种工况数据处理结果对比表工况类型怠速所占时间百分比（%）匀速所占时间百分比（%）加速所占时间百分比（%）减速所占时间百分比（%）相对正加速度RPA（m/s^2）NEDC22.6335.5924.4917.290.1123WLTC12.6728.1730.0629.110.1533CLTC-P22.1112.6728.7826.440.1664当我们对比NEDC、WLTC及CLTC-P三种工况数据处理结果后，可以明显看出WLTC及CLTC-P工况的最大加速度明显大于NEDC工况，并且WLTC工况的最高车速、平均车速以及运行平均车速是这三种工况中最高的，而NEDC匀速工作的时间是三种工况里最长的。CLTC-P工况中车速标准差相较于其他两种工况更低，这说明在这三种工况中CLTC-P工况的车速相对更加稳定，但也是在不断变化的。WLTC工况的最大加速度和加速段平均加速度也是三种工况中最高的，并且WLTC工况所行驶的距离是三种工况中最高的，这也反应了WLTC工况对车辆性能有更高的要求（4）三种工况仿真结果对比本文列了一张表来对比各个工况的能量消耗情况，如表2.4所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s14NEDC、WLTC及CLTC-P三种能量消耗对比表工况类型电池输出电能（J）电机输入能量（J）电机输出能量（J）空调能耗（J）外界散热（J）轮胎动力（J）NEDC4410051.1693233173.9252843364.472710075.422637962.95822651870.579WLTC9795114.0748334052.1347307296.005710075.4221489113.3886827503.391CLTC-P4659570.813487603.5183058476.151710075.422581236.61962844725.723表2.5可以展示三个不同工况下电机输入能量、空调部件的能耗对电池输出电能的占比、电机的工作效率以及电机到轮胎的传动系统机械效率。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s15NEDC、WLTC及CLTC-P三种工况能耗占比及效率对比表工况类型电机工作效率电机输入能量占比（%）空调能耗占比（%）传动系统机械效率（%）NEDC87.943443174.848170816.1012966793.26523577WLTC87.695637885.0837687.24928180293.43406079CLTC-P87.679989173.313750815.2390735393.01121156图2.4也可展示三种工况下电机输入能量与电机输出能量以及轮胎动力随时间的变化情况 （a）NEDC工况 （b）CLTC-P工况（c）WLTC工况图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s14三种工况下电机输入能量、电机输出能量及轮胎动力变化情况我们也可以从该结果看出在WLTC工况下电池的输出能量最多，并且电机输入能量对电池输出电能的占比最大，而WLTC工况下输入到轮胎的动力对电机输出能量占比最大，也就是说此时驱动电机到轮胎的传动系统的机械效率最大。NEDC和CLTC-P两种工况下电池的输出能量、电机输入能量、电机输出能量、空调能耗以及轮胎耗能都相差不大。并且WLTC工况下空调系统的能耗占比也是最低的。AMEsim简介AMEsim作为多学科领域的复杂系统建模与仿真平台，可以应用于航空航天、车辆、船舶以及工程机械等多个学科领域，该平台蕴含多个标准且优化的应用库，能满足流体、机械、热分析、电气、电磁以及控制等复杂系统的建模和仿真。用户可以通过AMEsim实现复杂系统的仿真，并且得到图像以及数据信息[]。AMEsim软件主要针对工程应用领域，所以汽车、液压以及航空航天工业的工程师在研发过程中经常会使用到这一软件。AMEsim的应用库中有许多子模型可以选择，这些模型也自带不同的公式及算法，当用户从应用库选取子模型后就可以对这些子模型进行连线从而得到用户想要搭建的模型。图形化的模型可以把用户从繁琐的数学建模中解放出来，并且重点关注物理模型的搭建。部分子模型介绍AMEsim软件方便用户用图形化的语言来进行系统的编译，这样方便工程师用更加简洁直观的形式来进行系统建模。而建立纯电动乘用车的能量流模型则需要对纯电动汽车的每一个子系统进行建模，如动力电池系统和驱动电机系统，本小节将针对纯电动乘用车能量流模型的各个子模型进行介绍，并定义各个子模型的参数，从而帮助了解整车能量流模型的组成和结构。整车模型整车模型需定义以下参数，包括整车质量、空气阻力系数、迎风面积、轮胎规格、滚动阻力系数以及前轴最大制动力矩。若能知晓整车速度，就能够计算出车辆的滚动阻力以及空气阻力。该模型接收整车VCU控制单元的制动信号以及传动系统的扭矩信号。其主要参数如表2.6所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s16整车模型主要参数表参数名称数值整车质量1350kg轮胎规格165/60R14滚动阻力系数0.01空气阻力系数0.29迎风面积2.2m2前轴最大制动力矩3000Nm驾驶员模型驾驶员模型中周期类型参数能够定义驾驶员周期是否包含斜坡，在无斜坡循环情况下，即使目标车速下降，驾驶员也无法加速；在有斜坡循环情况下，车手可以在行驶的每个阶段刹车或加速。如果处于上坡阶段，即使目标车速下降，驾驶员也必须加速以适应目标车速。本次试验采取的是无斜坡循环。驾驶员模型与整车VCU控制单元结合通过PID控制算法使得车辆的实际车速跟随定义好的目标车速。驾驶员模型可以定义加速度控制和制动控制的PID增益系数，下面将列出相关控制规律。目标车速与实际车速的差值VerrVVcont表示目标车速，V加速控制信号acc计算式为：acc=GPacc⋅err+GIacc⋅∫err⋅dt+GAacc⋅dvcontAnt而dvcontAnt=其中G表示车辆的质量，vcontAnt为t+advAnt时的目标车速，Pacc表示加速度控制的PID比例增益系数，Iacc表示加速度控制的PID积分增益系数，Aacc加速度控制的PID微分增益系数。制动控制信号brak计算式为：brak=−GPbr⋅err−GIbr⋅∫err⋅dt−GAbr⋅dvcontAnt其中Pbr表示制动控制的PID比例增益系数，Ibr表示制动控制的PID积分增益系数，Abr制动控制的PID微分增益系数。其主要参数如表2.7所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s17驾驶员模型主要参数表参数名称数值周期类型无斜坡循环加速度控制的PID比例增益系数165/60R14加速度控制的PID积分增益系数0.01加速度控制的PID微分增益系数0.29制动控制的PID比例增益系数2.2m2制动控制的PID积分增益系数3000Nm制动控制的PID微分增益系数该模型仿真结果可以查看目标车速随时间变化情况、实际车速随时间变化情况以及它们的差值随时间的变化情况。驱动电机模型本次仿真采用的驱动电机模型不仅可以用作电动机，也可用作发电机。该模型能够定义电机效率，最大功率、最大扭矩以及最大转速。根据惯例，可以用驱动电机机械端口的输出转速W来测量转子的相对转速，用机械端口的输出扭矩T来测量转矩。当W和T符号相同时，该模型作为电动机工作，机械端口输出的机械功率P为正；当W和T符号相同时，该模型作为发电机工作，机械端口输出的机械功率P为负。图2.5则用图片的形式展示了这一规律。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s15驱动电机功率符号随扭矩及转速符号变化图其主要参数如表2.8所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s18驱动电机模型主要参数表参数名称数值电机效率0.95最大扭矩140Nm最大功率30000W最大转速8000r/min动力电池模型本次仿真采用的动力电池模型等效电路为开路电压和一个内阻，由于该模型选择了存在温度影响的模式，所以开路电压是电池SOC的函数，而内阻值则随温度变化。由于电池类型选择了“单电池”，所以该电池可以由多个电池单体组成，本模型不仅定义了电池单体的容量，也定义了该电池并行分支的个数以及每个分支的单体个数。其主要参数如表2.9所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s19驱动电机模型主要参数表参数名称数值电池单体容量0.95并行分支数140Nm每个分支的单体个数30000WDC-DC转换器模型本次仿真采用的DC-DC转换器模型可以定义输出电压，并且也可以定义该转换器的转换效率。该转换器可以将高压直流电转换为低压直流电，也可以连接热组件进行热量分析。该模型输入电压为的端口5和端口6间的电位差，输出电压为端口2和端口3间的电位差。其主要参数如表2.10所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s110DC-DC转换器模型主要参数表参数名称数值转换效率0.93最小输入电压0.1V输出电压13.89V12V蓄电池及低压附件模型本次仿真12V蓄电池及低压附件并联在DC-DC转换器的输出端，DCDC转换器的输出电压就是该模型两端的电压。低压附件用一个固定阻值的电阻代替，12V蓄电池的容量用安时数定义。在未开启空调和开启空调时，低压附件消耗的功率不同，我们通过设置该电阻模型不同的阻值来反映低压附件消耗的功率。根据经验数据，当未开空调时，电阻值设为2Ω可以反映低压附件消耗的功率；开启空调时，电阻值设为1.6Ω可以反映低压附件消耗的功率。其主要参数如表2.11所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11112V蓄电池及低压附件模型主要参数表参数名称数值蓄电池容量45Ah未开空调电阻阻值2Ω开启空调电阻阻值1.6Ω空调模型本次仿真的空调模型是由一个电机连接压缩机组成，电机将电能转化为机械能并驱动压缩机工作，而压缩机采用的制冷剂为R134a。我们可以通过设置该电机的工作功率进而模拟空调运行时的功率，从而得到相关的电耗数据。当未开启空调时，该电机的功率为零，开启空调时，电机输出机械功率随时间的变化曲线由图2.6所示。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s16空调模型电机功率随时间变化曲线仿真工况定义在纯电动汽车行驶时，驱动电机功率和汽车行驶阻力功率总是平衡的，我们可以利用MATLAB画出本次仿真纯电动汽车的行驶阻力功率图平衡图。通过该功率图我们可以知道该纯电动汽车能够行驶的最大速度。由上一小节内容可以知道该车的整车质量、迎风面积、空气阻力系数、滚动阻力系数以及轮胎规格，设定传动系统的机械效率为0.9，同时查阅资料可以得到该车的速比为6.71。知道这些参数后可以算出行驶阻力功率图。图2.7即是该车的行驶阻力功率图。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s17电动车行驶阻力功率曲线由于驱动电机最高功率为30000W，而P=30000W的水平线与行驶阻力功率曲线的交点横坐标为85.29Km/h，及该车行驶的最大速度为85.29km/h。由于NEDC、WLTC、CLTC-P工况都存在高速段，且速度大于85.29km/h，所以我们分别取这三种工况的中低速循环，并增加循环的个数，作为本次仿真采用的循环工况，直到工况运行时间增加到10000秒，即每种循环工况仿真时间为10000秒。下文列出了三种不同工况的运行曲线（1）NEDC工况运行曲线图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s18NEDC工况运行曲线（2）WLTC工况运行曲线图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s19WLTC工况运行曲线（3）CLTC-P工况运行曲线图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s110CLTC-P工况运行曲线AMEsim仿真平台操作过程（1）分析纯电动汽车能量流模型结构，进入草图模式，从AMEsim子模型库中选择需要的元件并相连，建立起整车能量流仿真模型。（2）进入参数模式，设置各个子模型的相关参数，如整车模型的整车质量，轮胎尺寸或者驱动电机模型的最大功率、最大扭矩和最大转速等。在设置完子模型参数后，设置全局参数，如减速比为6.71,。（3）进入仿真模式，设定仿真时间为10000秒，并且利用上一小节定义的NEDC、WLTP以及CLTC-P三种运行工况下进行仿真，得到电池输出能量、驱动电机输入