基于車輛動力學(xué)的純電動汽車能耗建模

基于車輛動力學(xué)的純電動汽車能耗建模摘要：純電動汽車能耗是新能源汽車的研究熱點之一。純電動汽車能耗模型的建立，對于規(guī)劃經(jīng)濟(jì)速度，估算續(xù)駛里程的基礎(chǔ)，評估純電動汽車的節(jié)能效果有重要的意義。文章根據(jù)汽車動力學(xué)從傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動力計算公式和燃油消耗公式類比得出純電動汽車的相關(guān)計算公該模型具有良好的魯棒性。EnergyConsumptionModelofPureElectricVehiclesBasedonVehicleDynamicsAbstract:Theenergyconsumptionofpureelectricvehiclesisoneoftheresearchhotspotsofnewenergyvehicles.Theestablishmentoftheenergyconsumptionmodelofpureelectricvehiclesisofgreatsignificanceforplanningtheeconomicspeed,estimatingthedrivingrange,andevaluatingtheenergysavingeffectofpureelectricvehicles.Accordingtothevehicledynamics,therelevantcalculationformulasofpureelectricvehiclesareobtainedbyanalogywiththedrivingforcecalculationformulaandfuelconsumptionformulaoftraditionalfuelvehicles,andtheenergyconsumptionmodeliscorrectedbyCRUISEsimulationsoftware.Theresultsshowthattheaccuracyofthemodelaftercorrectionis94.48%,andthemodelhasgoodrobustness.Keywords:Pureelectricvehicles;Vehicledynamics;Energyconsumptionmodel;CRUISEsimulationsoftware的區(qū)域溫室氣體排放量的平均值分別為31000t和29000t。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們體驗到更加便捷的生活方式，也逐漸認(rèn)識到汽車尾氣排放會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害，綠色交通、可持續(xù)發(fā)展的理念因此應(yīng)運(yùn)而生。純電動汽車有很多優(yōu)點，例如，在行車過程中比較安靜、能源效率較高，排放的尾氣對環(huán)境沒有污染、受路面等級的影響較小等。但是，相比傳統(tǒng)燃油車，純電動汽車也存在一些制約因素，例如，由于電池單位儲存能量不如柴油、汽油單位儲蓄能量，導(dǎo)致傳統(tǒng)的燃油汽車可持續(xù)行駛的行駛能耗電行駛能耗電網(wǎng)里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純電動汽車。與此同時，電動汽車的充電樁設(shè)施設(shè)備數(shù)量建設(shè)不夠，純電動汽車達(dá)不到遠(yuǎn)距離行程的要求。有限的車輛行駛里程被認(rèn)為是阻礙大規(guī)模使用電動汽車的主要障礙之一。在考慮適度加速和制動的情況下，電動汽車的行駛里程預(yù)計會減少21.8%；在考慮激進(jìn)駕駛風(fēng)格的情況下，這個值可能高達(dá)26.9%。作為新能源汽車的主要發(fā)展方向，純電動汽車能耗是研究熱點之一。2013年，吉林大學(xué)的賴祥翔[1]基于速度-加速度（SpeedAcceleration,VA）概率分布開發(fā)了電動汽車能耗實時計算模型；2014年，北京交通大學(xué)的宋媛媛[2]利用電動汽車臺架法基于不同的行駛工況，建立微觀電動汽車能耗模型以及反映交通參數(shù)動態(tài)變化對能耗影響的中觀電動汽車能耗模型；2017年，大連理工大學(xué)的王江波[3]基于電動汽車實際出行行為的觀測數(shù)據(jù)、車輛動力學(xué)的共性和純電動汽車的特性，構(gòu)建電動汽車出行能耗估計模型；2018年，華南理工大學(xué)的賴鉅華[4]驗證了加速過程是決定純電動乘用車驅(qū)動系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素；2019年，重慶大學(xué)余穎弘等[5]提出電動汽車瞬態(tài)能耗模型和基于BackPropagation（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩種電動汽車瞬態(tài)能耗模型的建模方法；2019年，ZHANGC等[6]提出了一個多物理場能量模型，以基于車輛動力學(xué)和車輛系統(tǒng)能量需求來量化自動駕駛電動汽車的能量消耗；2020年，MORLOCKF等[7]提出基于特征速度分布和實時交通數(shù)據(jù)的電動汽車能耗預(yù)測模型。目前，國內(nèi)外電動汽車能耗研究主要以車輛動力學(xué)為基礎(chǔ)來建立電動汽車能耗模型，通過整車能耗實驗對各個參數(shù)與電動汽車能耗之間的關(guān)系進(jìn)行建模。相較傳統(tǒng)燃油車，國內(nèi)外學(xué)者在研究過程中常忽略純電動汽車的能量回收過程，因此，本文將根據(jù)汽車動力學(xué)和汽車?yán)碚摰幕局R，類比傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動力計算公式與燃油消耗公式，得出純電動汽車的相關(guān)計算公式，建立基于車輛動力學(xué)的純電動汽車能耗模型，并對已建立的模型進(jìn)行精確度校正。1純電動汽車能耗模型1.1純電動汽車能量流動方式純電動汽車能量流傳遞是能量的輸出與輸入，即能量流動有兩個方向，一是動力電池將電能輸送給電動發(fā)動機(jī)，由電動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能經(jīng)傳動裝置傳遞至車輪以及動力電池將電能輸送給車輛附件應(yīng)用；二是制動過程中，由機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能給電池充電[8]。根據(jù)能量流動圖和車輛動力學(xué)，可以得到建立純電動汽車能耗模型的理論基礎(chǔ)。純電動汽車能量流動如圖1所示。電動發(fā)動機(jī)電動發(fā)動機(jī)傳遞裝置車輪制動回收能耗附件電池舒適性附件功能附件安全附件附件附件能耗損耗損耗損耗損耗損耗損損損耗耗耗圖1純電動車能量流動方向1.2純電動汽車的動力學(xué)方程根據(jù)車輛動力學(xué)[9]理論，汽車行駛過程中，發(fā)動機(jī)的功率始終等于機(jī)械傳動損失功率與全部運(yùn)動阻力所消耗的功率之和[10]，可整理得到純電動汽車功率（kW）平衡方程式為PEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(C),7)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up5(D),6)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up9(Aua3),140)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(δm),36)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up7(ua),00)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(d),d)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(u),t)P=EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(1),hT)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(m),3)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(gf),6)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up7(uEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(C),7)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up5(D),6)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up9(Aua3),140)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(δm),36)EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up7(ua),00)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(d),d)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(u),t)式中，Pe為發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率；Ff為滾動阻力；Fj為加速阻力；Fw為空氣阻力；Fi為坡道阻力；m為車輛的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m.s-2；f為摩擦系數(shù)；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt為速度，m.s-1；ηT為機(jī)械傳動效率；C1.2258N.s-2.m4；ua(t)為車輛的行駛速度km.h-1；i為坡度。1.3純電動汽車能耗模型將純電動汽車行駛過程分為加速、勻速、減速。由純電動汽車的能量流動方向可知，驅(qū)動電（kW）之間的關(guān)系可表示為Pees=Phmhb式中，ηm為電機(jī)工作效率；ηb為電池效率?？紤]理想狀態(tài)下，城市道路比較平直，坡度角為0，計算能耗時忽略坡道阻力。純電動汽車再生制動是指純電動汽車在制動減速過程中，通過能量轉(zhuǎn)換裝置將一部分制動能量回收起來給電池充電，當(dāng)再次制動時，回收的能量可以再次利用。由能量守恒定理可知，電動汽車制動能量W等于制動回收的能量Er與克服各種阻力做功所消耗的能量W2與加熱能Q之和。綜上所述，只考慮純電動汽車最理想的情況，可得整個加速，勻速以及制動工況的總能耗E（kWh）為E=E1+E2+E3=2純電動汽車能耗計算根據(jù)純電動汽車整車布置形式和動力總成各參數(shù)，通過應(yīng)用CRUISE軟件搭建整車模型。選取的循環(huán)工況為中國典型城市工況，用CRUIES軟件計算中國典型城市工況下純電動車能耗，建立能耗模型各系數(shù)值和純電動汽車車型車輛的參數(shù)值[11]如表1所示，計算結(jié)果對比如表2所示。表1能耗模型各系數(shù)值與車型車輛參數(shù)項目數(shù)值項目數(shù)值整備質(zhì)量m/kg重力加速度g/（m/s2）機(jī)械傳動效率ηT電機(jī)工作效率ηm電池效率ηb總質(zhì)量m/kg軸距/mm輪距/mm動力電池型號9.80.90.80.8磷酸鐵鋰電池汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ制動回收效率ηc空氣阻力系數(shù)CD迎風(fēng)面積A/m2滾動阻力系數(shù)f最小離地間隙/mm輪胎滾動半徑/m驅(qū)動電機(jī)類型0.80.677.60.020.485永磁同步機(jī)表2計算結(jié)果對比項目數(shù)值軟件仿真計算能耗/kWh4.4613能耗模型計算能耗/kWh8.7430模型精度/%51.03由表格對比分析可知，模型的精度只有51.03%，還需對模型進(jìn)行更改校正?？紤]到制動減速過程是能量回收的過程，因此，可以合理猜想誤差大的原因為能耗模型的制動減速模塊。接下來將對制動減速模塊進(jìn)行校正。3純電動汽車能耗模型校正當(dāng)車輛減速制動時會產(chǎn)生動能，產(chǎn)生的動能一部分用于克服阻力做功，另外的部分供給制動系統(tǒng)消耗。搭載再生制動系統(tǒng)的車輛制動時，電機(jī)制動與機(jī)械制動相互配合工作，再生制動系統(tǒng)將吸收一部分動能通過儲能裝置轉(zhuǎn)換為電能儲存起來，存儲到儲能裝置中的能量可在加速時再次利用，提高能耗經(jīng)濟(jì)性。制動時能量流傳遞路徑圖2制動時能量流傳遞路徑根據(jù)能量流傳遞路徑可知，汽車制動時產(chǎn)生的動能有兩個流向，一是用于克服空氣阻力、滾動阻力、加速阻力和坡道阻力做功；二是用于電機(jī)制動和機(jī)械制動，其中一部分用于機(jī)械制動的摩擦熱消耗，另一部分被電機(jī)制動系統(tǒng)回收儲能。鑒于電動汽車可由再生制動回能的特點，為了節(jié)約能耗，制動回收的能量自然應(yīng)該越多越好。2Ct3T2Ct3Tmb3600761403600dt但是電機(jī)在參與制動時也受到多方面因素影響，例如在一些緊急制動或制動強(qiáng)度比較大的情況下，電機(jī)制動力矩不能確保達(dá)到整車的制動力需求，會降低行駛安全性。制動安全性是純電動汽車制動系統(tǒng)最重要的任務(wù)，為確保制動過程中的可靠性和安全性，仍需保留機(jī)械摩擦制動系統(tǒng)，并與再生制動系統(tǒng)組成混合制動結(jié)構(gòu)[12]。目前，純電動汽車中應(yīng)用的再生制動系統(tǒng)主要有并聯(lián)式再生制動系統(tǒng)、串聯(lián)式再生制動系統(tǒng)以及單踏板特性的再生制動系統(tǒng)，不同的再生制動控制系統(tǒng)擁有不同的再生制動效率以及制動穩(wěn)定性[13]。電機(jī)制動系統(tǒng)的制動比例直接影響電動汽車制動回收能量的多少，在考慮安全的條件下，為提高電機(jī)制動的比例，實現(xiàn)制動回收能量最大化，根據(jù)純電動車的參數(shù)，在利用CRUISE仿真軟件建立仿真模型時，將機(jī)械摩擦制動系統(tǒng)的制動比例設(shè)置為0.8；電機(jī)制動系統(tǒng)的電氣制動比例設(shè)置為0.2[14]。動力電池當(dāng)前電池殘余電量（StateOfCharge,SOC）是反映動力電池剩余能量的關(guān)鍵參數(shù)，通常用于作為電池管理系統(tǒng)中充電和放電控制策略的閾值。鋰離子電池過充電將導(dǎo)致電池出現(xiàn)變形、電解液泄露、壓力升高，進(jìn)而造成爆炸等危險情況。因此，將再生制動控制系統(tǒng)中，控制策略中的動力電池閾值[15]設(shè)置為動力電池SOC下降至94%，且為保證動力電池的安全性和壽命，新歐洲駕駛循環(huán)（NewEuropeanDrivingCycle,NEDC）續(xù)駛里程試驗從100%SOC開始試驗至5%SOC基于上述分析，將能耗模型中減速制動過程的計算方式進(jìn)行更改。將能耗模型中減速制動過程的計算方式更改如下：223crl-mv--mv1＋13×l-mv--mv1＋kt4kt4(m8fua＋CDAua3＋uadIdt式中，k為電氣制動的比例，取0.2；t3為制動初始時間，h；t4為制動終止時間，h；ua(t)為減速時速度關(guān)于時間的函數(shù)。由校正后的能耗模型，計算所得能耗如表3所示，能耗時間曲線及對比如圖3所示。表3計算結(jié)果對比項目數(shù)值軟件仿真計算能耗/kWh4.4613校正前能耗模型計算能耗/kWh8.7430校正前模型精度/%51.03校正后能耗模型計算能耗/kWh4.7216校正后模型精度/%94.48圖3校正前后能耗時間曲線對比對比能耗時間曲線圖以及能耗模型計算結(jié)果可得出以下結(jié)論：（1）能耗時間曲線圖出現(xiàn)峰值代表駕駛員在駕駛過程中，操作純電動汽車從驅(qū)動狀態(tài)直接過渡到減速狀態(tài)，同時純電動汽車的驅(qū)動過程是主要耗能過程，在相同情況下，頻繁的驅(qū)動會使純電動汽車能耗增加。（2）對比相同加速度、不同行駛速度的驅(qū)動過程可知，在相同時間段內(nèi)，當(dāng)加速度相同時，不同行駛速度的減速過程來說，在相同的時間段內(nèi)，速度越大，能耗值越?。凰俣仍叫?，能耗值4結(jié)語本文以CURISE仿真軟件、MATLAB軟件以及Office辦公軟件為基礎(chǔ)，對估算純電動汽車的（1）本文提出了一種基于車輛動力學(xué)的能耗模型建立方法，根據(jù)能量流動方向找到電池輸出功率與發(fā)動機(jī)輸出功率的關(guān)系，得出電池輸出功率方程式來計算純電動汽車能耗，建立能耗模型；對比分析兩個能耗值，根據(jù)能量流動方向，制動過程校正后的模型精度比校正前的模型，精度提高了43.46%。本文驗證了理想狀態(tài)下所建立的汽車能耗模型有良好的魯棒性，因此，所建立模型的能耗精度還不夠高。在下一步的研究中，將考慮純電動汽車電池特性和附加電器、道路條件、交通狀況、氣候條件以及駕駛風(fēng)格等因素對能量消耗的交互參考文獻(xiàn)[1]賴祥翔.基于VA概率分布的電動汽車能耗實時計算模型研究[D].長春:吉林大學(xué),2013.[2]宋媛媛.基于行駛工況的純電動汽車能耗建模及續(xù)駛里程估算研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.[3]王江波.基于出行行為觀測的電動汽車能耗估計研究[D].大連:大連理工大學(xué),2017.[4]賴鉅華.面向加速過程的純電動乘用車驅(qū)動系統(tǒng)能耗試驗及其分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2018.[5]余穎弘.基于數(shù)據(jù)挖掘的電動汽車瞬態(tài)能耗模型建模[C]//2019中國汽車工程學(xué)會年會論文集(2).北京:中國汽車工程學(xué)會,2019:162-168.[6]ZHANGC,YANGF,KEXY,etal.PredictiveMode-lingofEnergyConsumptionandGreenhouseGasEmissionsfromAutonomousElectricVehicleOpera-tions[J].AppliedEnergy,2019,254:113597.[7]MORLOCKF,ROLLEB,BAUERM,etal.ForecastsofElectricVehicleEnergyConsumptionBasedonCharacteristicSpeedProfilesandReal-timeTrafficData[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2020,69(2):1404-1418.[8]韓國慶,蔡鳳田,董金松.載貨汽車運(yùn)行燃料消耗量計算方法研究[J].公路交通科技,2009,26(9):146-149.[9]葛恒勇.純電動汽車再生制動控制策略研究[D].成都:西華大學(xué),2016.