某纯电动汽车动力系统能量仿真分析

某纯电动汽车动力系统能量仿真分析摘要基于某仿真软件搭建了纯电动汽车的动力传动模型，并设置了重要部件的参数，研究了NEDC工况下部分影响因素对输入转速、电池SOC的影响结果。通过模型可以直观有效地看出动力传动系统能量传递情况，为综合能量流仿真分析发现的问题进一步提出可供参考的优化建议。研究结果显示，建立的动力传动系统能量流仿真模型可靠有效；常温NEDC循环工况下的动力工况表现较好。关键词能量流；仿真；动力传动系统；纯电动汽车；NEDC循环工况EnergySimulationAnalysisofaPureElectricVehiclePowerAbstract:Basedonasimulationsoftware,thepowertransmissionmodelofpureelectricvehicleswasconstructed,andtheparametersofimportantcomponentswereset.TheinfluenceofsomefactorsoninputspeedandbatterySOCunderNEDCworkingconditionswasstudied.Throughthemodel,theenergytransferofthedrivetraincanbeintuitivelyandeffectivelyseen,andfurtheroptimizationsuggestionscanbeputforwardfortheproblemsfoundinthecomprehensiveenergyflowsimulationanalysis.Theresearchresultsshowthattheestablishedpowertransmissionsystemenergyflowsimulationmodelisreliableandeffective.ThepowerconditionunderthenormaltemperatureNEDCcycleconditionisgood.Keywords:energyflow;simulation;powertransmissionsystem;pureelectricvehicle;NEDCcyclicconditions近年来，电动车凭借着其清洁、无污染的特点应用越来越广。但是一些问题随之而来，最主要的问题就是行驶里程不够远。除了大力发展电池技术以外还可以通过提高能量利用率来提高行驶里程。目前针对电动车动力系统运行效率的研究大部分是单个零部件的优化[1],但是电动车在行驶过程中，其动力电池、电动机控制器和驱动电动机（也称三电）具有很强的耦合关系，如果只是单一地研究某个零部件就很难达到对动力总成全局优化的效果[2]。所以，分析能量在整个动力总成内部的传递以及转化的规律即能量流尤为重要。针对电动汽车能量流的研究，现在大多是通过进行系统台架试验，或者是通过软件仿真的方法进行，整车试验应用不广。国内外一些学者基于试验对电动汽车能量流进行了很多的研究，但没有单独地针对电动车传动系统能量流来研究。本文在建立了某电动车电机动力传动系统数学模型的基础上，测得了不同工况下由驱动电机转轴与车轮之间的连接部分的有效功率和损耗等，分析了各种工况下电池SOC的使用和回收情况。1传动系统能量流仿真模拟1.1能量流原理纯电动汽车的能量由电池提供，储存在电池中的电力通常来自电网。有关于纯电动汽车能量消耗常用的计算方法可分为2种：一是将电网输入的交流电量作为能耗的计算依据；二是以动力电池输出的高压直流电量作为能量消耗的计算基础。绝大多数纯电动汽车的能量流实验中，都对电网中的电能变化进行监测，考虑充电机、充电效率等影响因素来开展能量流的计算分析。本文中对能量流的计算依托于基于软件搭建的整车能量流仿真模型，是以动力电池输出的高压直流电为计算基础的，动力电池的总输出能量包括电池满电的能量和制动时回收的部分能量[3]。当车辆刹车时，能量通过其他制动装置从车轮转移到电池。汽车运行时，电池首先将储存的电能传送到电机控制器上，电机控制器根据汽车的需要控制电机，驱动电机将电能转换为机械能，然后通过其他装置传输给车轮，车轮克服阻力带动车辆行驶。对于具有制动能量回收功能的纯电动汽车，在制动时，部分能量通过车轮传递到驱动电机上，电机将机械能转化为电能，并将其传输到电池中进行储能。在这种情况下电机发挥发电机的作用。此外，为了保持低压系统的正常运行，电池管理系统会根据是否缺少12V低压电池，通过DC/DC转换器对部分电池进行充电，并通过电池为低压系统供电[4]。从蓄电池充电到驱动车轮运行，纯电动汽车的能量走向可以概括为：充电桩—车载充电机—蓄电池—电流—电力调节器—电动机—动力传动系统—驱动汽车行驶。在这整个能量传递过程中，主要存在着电能和机械能的转换及消耗。图1为纯电动汽车能量流动情况，其中动力电池、电机等部件构成电动车的传动系统，它是一个复杂的多非线性因素耦合系统[5]。本文利用软件搭建电动车传动系统，研究了不同工况下动力传动系统的能量损耗，为后续研究提供了参考。图1纯电动汽车能量流Fig.1Energyflowofpureelectricvehicles1.2动力传动系统模型介绍及参数设置纯电动车的动力传动系统模型主要包含驾驶员模型、动力电池模型、电机模型、车辆模型、整车控制模型等[6]。动力传动系统模型的参数输入主要根据实车参数和试验结果，以便于后续研究的参考。1)驾驶员模型。在软件中的IFPDrive模型库中，根据建模需求和特点，选择驾驶员模型中的DRVDRVA01B子模型，其内部自带PID控制器。驾驶员模型可以联和VCU整车控制单元通过对比目标车速与实际车速来控制加速和制动信号[7]。控制原理如下：ΔV=Vtarget-Vreh;Sacc=GPaccΔV+GIacc∫ΔVdt+GAaccdVtarget;Sbrak=-GPbrakΔV-GIbrak∫ΔVdt-GAbrakdVtarget。(1)(2)(3)分别为加速控制的PID增益系数；Pbrak、Ibrak、Abrak分别为制动控制的PID增益系数，t为时间。2)动力电池模型。本文选取的是DRVBAT001电池模型，这是电池模型的一类子型号，这种电池是由电池组串联或并联而成的。电池的输出电压可用以下公式进行计算：Uout=Uo-RI。(4)式中：Uout为电池输出电压；Uo为电池开路电压；R为等效电阻；I为输入电流。在变电压情况下，它包括一个内阻模型。需要实验数据来描述开路电压和内阻。开路电压和内阻取决于温度和电池SOC。其中电池SOC（又称电池荷电状态）值计算公式如下：dtCnom =-I。dtCnom式中Cnom为电池额定容量。3)电机模型。纯电动汽车传动系统中电机为整车提供动力，是电动汽车的核心。其将电能转换为机械能的过程中有一定的能量损失。本文选用DRVEM02-电机模型，它是一个带有变频器的电动机模型。其输出转矩和功率损耗可以通过数据文件或特征参数来确定。电机输出的扭矩限制条件如下：Tmin≤T≤Tmax。(6)式中：Tmin为电机最小扭矩；Tmax最大扭矩。4)车辆模型。与传统汽车相比，纯电动汽车最大的变化是它的动力系统，用动力电池和驱动电机取代了传统发动机。汽车上的其他系统，如车身、方向盘和悬架等，基本上维持了传统的运行原理和结构[8]。类似的原理和结构使得电动车具有与传统汽车相同的行驶阻力，研究方法和过程也大致相同。由汽车理论可知，车辆行驶时受到总的阻力为ΣF=Ff+Fi+Fw+Fj。式中：Ff为滚动阻力，N;Fi为坡度阻力，N;Fw为空气阻力，N;Fj为加速阻力，N。行驶阻力的平衡方程为Fd=Ff+Fi+Fw+Fj或=Gf+Gi+CDA+。(7)则电动车驱动力-(8)(9)式中：Fd为车辆行驶需求驱动力，N;Ttq为驱动电机转矩，N·m;ig为变速器传动比；io为主减速器传动比；ηT为传动效率；r为车轮半径；G为汽车所受重力，N;f为滚动阻力系数；i为坡度；CD为风阻系数；A为迎风面积，m2;ua为车速，km·h-1;δ为旋转质量换算系数；m为汽车质量，kg;为加速度，m·s-2。本文选用DRVVEH02-车辆模型，这是车辆的一个子模型。5)整车控制器模型。整车控制器(VCU)包括4个模块，有输入、输出信号传输模块、驱动控制策略模块、制动控制模块。整车控制器模型是纯电动汽车动力传动系统建模的核心，本文选用DRVVCUE03-电动汽车控制单元模型，图2是它的驱动程序命令，它是使用来自驾驶员的加速和制动命令计算扭矩的。图2VCU制动策略Fig.2VCUbrakingstrategy1.3动力传动系统模型的建立在动力传动系统模型的搭建过程中，暂不考虑电机和动力电池等部件的热特性，因此把热接口都设置成定值[9-10]。动力传动系统模型如图3所示，主要包括驾驶员模型、整车控制器模型、传动系统模型、电驱系统模型等。图3动力传动系统模型Fig.3Drivetrainmodel2模型仿真分析设置仿真工况为NEDC循环工况，环境温度为25℃,车辆总质量为1206kg,车辆最大制动力矩为1000Nm,电机扭矩范围为-208~208Nm,仿真时间为1180s。车辆控制单元(VCU)分析驾驶员的输入（加速和制动并命令电机和车辆制动。对于制动指令，VCU可以命令电动机作为发电装置为电池充电。VCU对制动回收的控制策略是：当SOC值低于89%时，VCU授权制动再生，电机用于制动车辆和充电；当SOC值高于95%时，不授权制动再生。电机转速小于69r·min-1时，VCU不授权制动再生，电机转速大于71r·min-1时，授权制动再生。开始行驶时制动力矩仅由车辆制动器提供，当电机转速到达设定值后将制动扭矩分成2部分：车辆制动扭矩为60%,电机扭矩为40%。图4表示在开始阶段电池SOC值低于95%,此时处于低阈值状态，VCU会授权制动再生；当SOC值高于95%时，即高阈值状态，不再进行制动能量回收；SOC值低于89%时，再次回到低阈值状态，VCU再次授权制动再生，一直到SOC值为95%以上时停止授权。图5表示初始阶段电机转速较低，此时电机转速处于低阈值状态，没有制动回收。当电机转速达到71r·min-1,达到高阈值状态，VCU授权制动回收；当电机转速低于69r·min-1时，停止制动回收，直到电机转速再次达到71r·min-1时，VCU会启用制动再生。图4SOC阈值Fig.4ThresholdofSOC图5电机转速阈值Fig.5Motorspeedthreshold选择齿轮传动比的时候考虑其爬坡能力，传动比越大其爬坡能力越强，图6可以看出汽车运行相同的时间，传动比为5时，电池SOC值下降最慢，传动比为8时，SOC值下降最快；制动时，传动比为7和8的回收量大致相同，传动比为5的回收效率最好，传动比为6时回收效率最差。图7表示的是不同的传动比下的电机输入到汽车的转速，当传动比为8时，转速曲线已经有明显的变形，传动比为5、6和7时，转速曲线大致相同。结合图6考虑，在实际操作中，传动比选择5。图7输入转速图7输入转速Fig.6SOCofbatteryFig.7Rotationalspeedofinput图8表示的是相同条件下汽车质量不同时对电池SOC的影响。开始运行时各种质量的汽车其电池SOC值下降情况大致相同，运行时间越长差距越明显，汽车质量越小SOC值下降得越慢，经济性越好且随着工况运行对电池SOC的影响越大。实验中要以真实情况为准。图9表示的是风速对电池SOC的影响，设置运行时长10000s。起始阶段，各工况运行差异不大，运行到1000s时开始出现明显差异。无风（风速为0m·s-1)状态下，电池SOC使用情况是最优的。三级风（风速为3.4~5.4m·s-1)时，电池SOC下降状态明显，运行期间SOC值下降约91%,而无风工况下运行SOC值只下降约70.5%,风速对电池SOC的使用有较大影响。图8汽车质量对SOC的影响Fig.8EffectofvehicleweightonSOC图9风速对SOC的影响Fig.9EffectofwindspeedonSOC本文中用仿真软件搭建了纯电动汽车动力传动模型并且设置相关参数，提出了电池SOC在不同电量下的VCU对制动回收的控制以及在电机不同转速下VCU对制动回收的控制，对比了不同影响因素下汽车输入转速和电池SOC的情况，得到以下结论：1)传动比为5时，电池使用情况最优且转速曲线符合实际曲线，传动比为6时，能量回收效果最差；传动比为8时，转速曲线已经有明显的变形且电池SOC使用情况较差。2)汽车总质量越小，行驶中电池SOC值下降越慢且差异性变化明显。3)速度保持不变的情况下，无风状态时电池SOC下降最慢；随着风力增大，SOC下降增大。随着运行时长增加，无风和三级风对电池SOC的影响体现出较大差异。从SOC值的变化和车速可以计算出汽车的行驶里程，当SOC值从90%到10%时，汽车的行驶距离约为133km。通过该仿真分析可以直观的看到能量传输情况，也可以监测整个动力传动系统的能量回收情况，为实现整车系统最优控制和降低车辆能耗提供帮助。参考文献：[1]李渝丽．基于轮毂电机的纯电动汽车动力系统匹配研究[D].太原：中北大学，2020.LIYL.Researchonpowertrainmatchingofpureelectricvehiclebasedonhubmotor[D].Taiyuan:NorthUniversityof[2]沈童．面向极限工况的分布式驱动电动汽车纵横协同控制研究[D].南京：东南大学，2021.condition[D].Nanjing:SoutheastUniversity,2021.[3]徐金波．纯电动汽车驱动控制策略与能量管理策略分析[D].西安：长安大学，2019.XUJB.Analysisofdrivecontrolstrategyandenergymanagementstrategyforpureelectricvehicle[D].Xi’an:ChanganUniversity,2019.[4]陈挺．一种新能源船混合动力电源管理系统设计与实现[D].海口：海南大学，2021.CHENT.DesignandimplementationofahybridpoweUniversity,2021.[5]张元元．电动车传动系扭转振动主动控制研究综述[J].科学技术创新，2017(26):17-18.ZHANGYY.Areviewofresearchonactivecontroloftorsionalvibrationofelectricvehicledrivetrain[J].ScientificandTechnologicalInnovation,2017(26):17-18.[6]陈红爱．纯电动汽车的能量流仿真及能耗分析[D].重庆：重庆理工大学，2021.CHENHA.Energyflowsimulationandenergyconsumptionanalysisofpureelectric