新能源汽车基础：8电动车辆性能与仿真

第8章电动车辆性能与仿真电动车辆的纵向受力电动车辆的动力性电动车辆的经济性电动车辆ADVISOR性能仿真第1节电动车辆的纵向受力一、驱动力1.纯电动汽车的驱动力用以下多项式来描述电机转矩曲线

2.混合动力汽车的驱动力串联式的驱动力的表达式与纯电动汽车相同。并联式和混联式：

当发动机单独驱动时：当发动机和电机共同驱动时：

c1、c2为由动力合成方式及合成装置传动比决定的比例系数。二、行驶方程式

1.纯电动汽车2.混合动力汽车串联式的行驶方程式同纯电动。并联式的行驶方程式表示成：混联式HEV可实现发动机单独驱动、电机单独驱动、并联、串联等多个行驶模式，不同模式下有相应的行驶方程式。第2节电动车辆的动力性一、动力性评价指标对新能源汽车的动力性要求与对传统汽车的要求是相同的，所以新能源汽车的动力性评价指标沿用传统汽车的指标，分为汽车最高车速uamax、加速时间t和最大爬坡度imax三项。二、动力性计算方法

1）uamax坡度阻力和加速阻力为0ua=0.377nm/i0ig

数学计算非常复杂

1、纯电动汽车一般利用驱动力-行驶阻力平衡图来求最高车速2）加速时间坡度阻力为0

离散化

3）爬坡度

加速度为0，行驶方程式当坡道角α较小时，cosα≈1,sinα≈tgα=i，低挡的爬坡度大，用准确表达式Fi=Gsinα驱动力

Ft/kN速度ua

/kmh-125%20%15%10%6.25%5%2.3%0%7321.7驱动力—行驶阻力图ig1=3.393ig2=1五种不同主减速比的电动汽车加速曲线五种不同减速比的电动汽车爬坡度2.混合动力汽车串联式：与纯电动汽车相同。并联式：与动力合成方式、控制策略、电机容量有关。微混合车，电机不驱动，计算与燃油车相同；对于电机具有驱动功能的车，其驱动力由发动机和电机共同提供。混联式：混联式HEV可实现串联、并联、纯电动等模式。起步可以分为纯电动和发动机/电机混合驱动两种，取决于具体的车型加速时间，计算方式也有两种。虽然具有纯电动行驶能力，但电池容量有限致使纯电动里程短，最高车速的应按并联混合驱动来计算。为获得大的爬坡，最大爬坡度的计算按并联模式。

第3节电动车辆的经济性一、纯电动汽车的经济性1.经济性评价指标续驶里程指电池充满电后电动汽车能够行驶的里程，常用单位km。这个数值越大，电动汽车的续航能力越强。能量消耗率指电动汽车在一定运行工况行驶一定路程所消耗的电池的能量，常用单位kW.h/km。这个数值越大，电动汽车的耗能经济性越好。比能耗指电动汽车单位质量的能量消耗率,常用单位kW.h/km.t。这个数值越大，电动汽车的能量利用效率越高。2、续驶里程的估算

整个电池存储的能量E(单位wh)为CN—每块电池的额定容量（A.h），UN—电压为（V），M—每组电池串联的电池数，N—并联的电池组数，D—为允许的放电深度电池并非总在额定条件下工作。

假定汽车以ua匀速行驶。电池的工作电流I为：Pf—滚动阻力功率，Pw—空气阻力功率，Pb—电池放电功率，ηd

—电池放电效率，ηc—功率变换器效率，ηm—电机效率，ηt

—机械传动效率，IN表示额定放电电流，由Peukert公式，当放电电流为I时，电池的可用能量为若Ee表示传递到驱动轮的有效驱动能量，F为总的行驶阻力，以车速ua匀速行驶的续驶里程

（单位km）

由上式，影响续驶里程的因素有：（1）电池参数。额定容量、额定电压、放电深度影响单块电池存储的能量，放电电流和放电效率影响电池能够释放的容量大小。（2）汽车总质量。总质量越大，续驶里程越小。（3）电池数量。增加数量一方面可增加总能量，有利于延长续驶里程，但另一方面总质量也增加而加大能量消耗，降低续驶里程。不是电池数量越多，续驶里程就越长。另外，影响续驶里程的因素还有：（4）辅助装置。照明、音响、通风、空调都需要消耗电池电能。占总能耗的6～12％。（5）行驶的环境状况。行驶道路与天气（如道路种类、气温的高低、风力的方向与大小等）影响行驶能量消耗。（6）行驶工况。汽车行驶包括等速、加速、加速、停车等工况。电动汽车的循环行驶工况循环行驶工况是指规范的行驶速度与时间的变化关系图线。包括行驶速度、加速度及何时换挡、制动等。

模拟汽车的实际运行状态，用于评价经济性和排放。同一车辆，不同行驶工况的续驶里程不一样。不同车辆在同一行驶工况规范下的续驶里程才具有可比性。为在试验台架上再现车辆的实际行驶情况，各国针对不同的情形（如城市、道路、车型等）开发了各种循环工况。我国GB/T18386-2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》①

等速法M1、N1类纯电动汽车:

在道路上进行(60±2)km/h的等速试验。试验过程中允许停车两次，每次停车时间不允许超过2min。

M1、N1类以外的纯电动汽车:

在道路上进行(40土2)km/h的等速试验。试验过程中允许停车两次，每次停车时间不允许超过2min。②工况法(适用于M1、N1类车)

在底盘测功机上进行规定的工况循环试验,直到达到规定的结束标准时停车。工况试验循环期间的停车不允许超过3次(工况循环外停车)/总的停车时间累计不超过15min。在工况试验循环结束时，记录试验车辆驶过的距离D，用km来表示,距离即为工况法测量的续驶里程。同时记录所用时间。3、循环工况能量消耗率的计算

1）匀速工况耗电量

纯电动汽车匀速行驶的行驶阻力功率为电池组的放电功率为以车速ua（km/h）行驶sv（m），消耗电能（kW.h）2）等加速工况耗电量电池的放电功率为求解思路：分割为多个速度区间，每个看成是匀速过程。区间耗电量为区间平均功率与行驶时间之积。

ua1加速到ua2，速度间隔取1km/h。加速过程的耗电量Ea（kw.h)行驶的距离sa（m）

3）等减速工况耗电量未设置再生制动，耗电量为0。初速度为ua2，末速度为ua3，减速度du/dtd。若制动过程中平均充电功率为Pbc（kW），回收的能量为制动过程行驶的距离sd（m）为4）短暂停车工况电动汽车的电机起步能力强，短暂停车时电机关闭，耗电量为0。5）循环行驶工况的电能消耗率由若干个匀速、等加速、等减速、短暂停车工况组合而成。整个循环的电能消耗率Es(kW.h/km)为ΣE为基本工况的耗电量之和(Ev、Ea、Ed，其中Ed是回收能量，故取负)，s为所有基本工况的行驶距离之和（m）。二、混合动力汽车的燃油经济性发动机运行状态的确定：汽车行驶状态，SOC，控制策略循环工况耗油量计算1）匀速工况油耗

需要提供的功率燃油车行驶功率完全由发动机提供。但HEV除发动机，电机必要时也提功率。发动机功率不仅与行驶功率相关，还与电机工作情况和电池SOC相关。整车控制器根据汽车状态及各部件状态，确定发动机的工作模式。

Pm—电机功率ηmt

—电机到驱动轮的传动效率Pb

—电池充电功率ηbt

—发动机动力经电机/发电机、功率变换器到电池的转换效率ks

—发动机开关状态信号，取0和1分别表示运行和关闭km—电机开关状态信号，取0和1分别表示运行和关闭kb—电池充电信号，0和1分别表示发动机不提供和提供充电功率ks、km及kb的取值取决于HEV类型、控制策略以及汽车运行状态HEV发动机功率

确定了发动机状态（Pe和n）后，利用发动机万有特性确定此时的燃油消耗率b（g/kW.h)，进而求得以ua行驶时的单位时间燃油消耗率Qt（mL/s）以ua行驶sv(单位m)的燃油消耗量Qv

(mL)为不同类型、控制策略的HEV加速时，发动机运行状态差异极大。

开关型指采用开关式策略的串联HEV发动机运行模式。发动机与驱动轮没有机械连接，运行状态与行驶工况完全脱离。发动机功率与转速都为固定值，耗油特性也固定。发动机开启取决于电池电量，加速过程中若发动机开启，计量其油耗，若关闭则计为0。功率固定型

发动机在加速过程中保持状态恒定，设定在经济转速和功率稳定运行，超出的加速功率由电机提供。可以避免发动机的不稳定工况，获得较低的油耗。其油耗特性固定。2）等加速工况的油耗功率跟随型发动机功率和转速随着车速的变化而变化。发动机转速与车速呈线性关系。在加速强度不大时，多数HEV发动机以此种方式运行。计算油耗方法同燃油车求解思路：加速过程分割为若干个速度区间，每个区间近似看成匀速过程。

加速过程燃油消耗Qa（mL）

行驶距离sa（m）

加速过程燃油消耗Qa（mL）

行驶距离sa（m）

加速过程燃油消耗Qa（mL）

行驶距离sa（m）

加速过程燃油消耗Qa（mL）

3）等减速制动工况的油耗对于开关式策略的串联HEV，减速不影响发动机运行。若发动机处于开启状态，按固定耗油特性；若处于关闭状态，油耗计为0。多数HEV在减速时，节气门松开至最小位置，发动机处于强制怠速状态，其油耗量即为怠速油耗。减速工况燃油消耗量等于怠速燃油消耗率Qi与减速行驶时间的乘积。

初速度ua2，末速度ua3，减速度du/dtd，制动过程的油耗：行驶的距离为

4）短暂停车工况对于开关式控制策略的串联HEV，如果发动机仍开启，按固定耗油特性，若处于关闭状态，油耗为0。多数HEV为了省油，短暂停车时发动机关闭，油耗为0。5）循环工况的百公里油耗多个匀速、等加速、等减速、短暂停车等基本工况组合。整个循环的百公里燃油消耗量Qs(L/100km)第4节电动车辆ADVISOR性能仿真新能源汽车开发中，需要根据各动力部件的特性对汽车性能进行仿真，起到作用有：（1）在设计阶段就掌握车辆的性能，评估其指标是否达到设计要求。（2）可以得到整车以及各动力部件参数对性能的影响程度，评价各动力部件的匹配程度，为新能源汽车的设计与优化提供理论依据。（3）用于评价新能源汽车控制策略的效果，为控制策略的设计和优化提供一项有力工具。一、性能仿真方法动力传动系简化模型车载能源动力生成装置动力调节装置车轮汽车的动力系统可分为燃油汽车、纯电动、混合动力等多种形式，但基本组成都可简化成如图所示模型按照仿真时动力的流向分

1.后向仿真（反向仿真）从行驶工况出发，确定汽车行驶的要求，反向确定动力系统各部件应满足的工作特性，进而确定汽车能耗。计算流程与汽车实际动力流向是相反，不考虑驾驶员的驾驶意图和操纵特性常用于经济性计算，有利于设计初期动力系统参数的初步校核。优点：不需要建立驾驶员模型。部件模型建立可采用简单的试验数据表示法。计算中的数据可用查表法，计算效率高。缺点：假设车辆一定能满足行驶要求，不利于预测实际性能。试验数据表格法建模，难以考虑部件的动态特性。无驾驶员模型，忽略了制动踏板、加速踏板位置等信号，不利于系统动态性能模拟和控制系统的设计分析。

2.前向仿真（正向仿真）计算流程是从驾驶员开始的，计算路线与汽车控制信号以及实际动力的流向是一致。有驾驶员模型，动力装置模型将踏板信号转化成输出转矩、转速，经动力调节装置模型传递到整车模型，实现车辆行驶。侧重动力性能和操纵性能仿真，可用于对选定部件的详细设计和动态仿真。优点：有驾驶员模型，可真实模拟实际工作特征，有利于控制系统设计。包含部件动态模型，可对车辆动态（极限）性能作出预测。缺点：仿真结构中存在动力部件的动态变化过程的计算，对积分运算有较高要求，通常采用高阶的积分方法进行计算，以提高仿真的精度。相应的积分步长取得较小，所以计算速度慢。3.混合仿真综合前向仿真和后向仿真两者的优点，将两者方法结合起来即为混合仿真。可利用后向仿真进行设定的循环工况的计算，评价车辆的经济性、排放等整车性能。而前向仿真可用于动力部件的动态性能仿真。二、ADVISOR软件简介1.概述ADVISOR(Advancedvehiclesimulator，高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL)在MATLAB/SIMULINK环境下开发的车辆性能仿真软