純電動(dòng)乘用車電耗數(shù)據(jù)仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u898純電動(dòng)乘用車電耗數(shù)據(jù)仿真分析案例 1325481.1工況分析 1207121.2AMEsim簡介 616791.3部分子模型介紹 6148321.3.1整車模型 7254071.3.2駕駛員模型 770901.3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型 864381.3.4動(dòng)力電池模型 983341.3.5DC-DC轉(zhuǎn)換器模型 10282881.3.612V蓄電池及低壓附件模型 10281241.3.7空調(diào)模型 11130871.4仿真工況定義 11236801.5AMEsim仿真平臺(tái)操作過程 14274681.6整車能量流仿真模型 14314351.7仿真結(jié)果分析 15170501.7.1電耗數(shù)據(jù)結(jié)果 15工況分析傳統(tǒng)燃油車的燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)為百公里燃油消耗量[12]，而電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性常用一定運(yùn)行工況下汽車行駛的電能消耗量或一定電量條件下汽車行駛的里程來衡量，主要包括能量消耗率和續(xù)航里程兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。這兩個(gè)指標(biāo)都需要電動(dòng)汽車在一定的行駛工況下運(yùn)行，所以本節(jié)針對(duì)現(xiàn)如今廣泛使用的續(xù)航測試標(biāo)準(zhǔn)NEDC、WLTC以及CLTC-P進(jìn)行一定介紹。NEDC全稱為NewEuropeanDrivingCycle，中文名為新標(biāo)歐洲循環(huán)測試。NEDC工況是由歐洲制定的續(xù)航測試標(biāo)準(zhǔn)，歐洲、澳大利亞以及我國都在使用該循環(huán)工況，NEDC工況包含四個(gè)速度較低的市區(qū)循環(huán)以及一個(gè)速度較高的郊區(qū)循環(huán)。WLTC全稱為WorldLight-dutyVehicleTestCycle，中文名是全球輕型車統(tǒng)一循環(huán)測試。WLTC是由聯(lián)合國設(shè)定的，該測試標(biāo)準(zhǔn)相較于NEDC更加嚴(yán)格，分為低速、中速、高速以及超高速四個(gè)部分。WLTC工況的測試時(shí)間相較于NEDC更長，最高車速以及平均車速更高，可以說WLTC工況比NEDC工況更貼近實(shí)際車輛行駛的情況，所以越來越多的國家也開始使用WLTC工況測試車輛的能量消耗情況。我國也出臺(tái)了屬于自己本國的續(xù)航測試標(biāo)準(zhǔn)CLTC（Chinaautomotivetestcycle），中文名為中國汽車行駛工況[13]。由于我們主要關(guān)注的是乘用車，所以采用的是CLTC中針對(duì)乘用車的行駛工況。中國乘用車行駛工況英文縮寫為CLTC-P，此工況時(shí)長為1800秒，并且包含了三個(gè)速度區(qū)間，分別為低速、中速以及高速。本次仿真針對(duì)NEDC、WLTC以及CLTC-P三種工況都進(jìn)行了分析，我們會(huì)先對(duì)這三種工況有一個(gè)系統(tǒng)性的比較研究。（1）NEDC工況通過MATLAB軟件對(duì)NEDC工況表的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到NEDC的工況運(yùn)行曲線，NEDC工況運(yùn)行情況如圖2.11圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11NEDC工況運(yùn)行曲線通過MATLAB軟件我們也能計(jì)算NEDC工況的最高車速，平均速度以及行駛里程等有關(guān)數(shù)據(jù)。值得注意的是NEDC工況運(yùn)行時(shí)間為1180秒，而WLTC和CLTC-P的運(yùn)行時(shí)間都為1800秒。（2）WLTC工況通過MATLAB軟件對(duì)WLTC工況表的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到WLTC的工況運(yùn)行曲線，WLTC工況運(yùn)行情況如圖2.12圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12WLTC工況運(yùn)行曲線（3）CLTC-P工況通過MATLAB軟件對(duì)WLTC工況表的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到WLTC的工況運(yùn)行曲線，WLTC工況運(yùn)行情況如圖2.13圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s13CLTC-P工況運(yùn)行曲線（4）NEDC、WLTC及CLTC-P三種工況數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比我們已經(jīng)通過MATLAB對(duì)三種工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，表2.1、表2.2及表2.3就是對(duì)這三種工況的數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比情況表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11NEDC、WLTC及CLTC-P三種工況數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比表工況類型工況運(yùn)行時(shí)間（s）工況行駛里程（km）最高車速（km/h）平均車速（km/h）運(yùn)行平均車速（km/h）車速標(biāo)準(zhǔn)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三種工況數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比表工況類型最大加速度（m/s^2）加速段平均加速度（m/s^2）加速度標(biāo)準(zhǔn)差（m/s^2）最大減速度（m/s^2）減速段平均減速度（m/s^2）減速度標(biāo)準(zhǔn)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三種工況數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比表工況類型怠速所占時(shí)間百分比（%）勻速所占時(shí)間百分比（%）加速所占時(shí)間百分比（%）減速所占時(shí)間百分比（%）相對(duì)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當(dāng)我們對(duì)比NEDC、WLTC及CLTC-P三種工況數(shù)據(jù)處理結(jié)果后，可以明顯看出WLTC及CLTC-P工況的最大加速度明顯大于NEDC工況，并且WLTC工況的最高車速、平均車速以及運(yùn)行平均車速是這三種工況中最高的，而NEDC勻速工作的時(shí)間是三種工況里最長的。CLTC-P工況中車速標(biāo)準(zhǔn)差相較于其他兩種工況更低，這說明在這三種工況中CLTC-P工況的車速相對(duì)更加穩(wěn)定，但也是在不斷變化的。WLTC工況的最大加速度和加速段平均加速度也是三種工況中最高的，并且WLTC工況所行駛的距離是三種工況中最高的，這也反應(yīng)了WLTC工況對(duì)車輛性能有更高的要求（4）三種工況仿真結(jié)果對(duì)比本文列了一張表來對(duì)比各個(gè)工況的能量消耗情況，如表2.4所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s14NEDC、WLTC及CLTC-P三種能量消耗對(duì)比表工況類型電池輸出電能（J）電機(jī)輸入能量（J）電機(jī)輸出能量（J）空調(diào)能耗（J）外界散熱（J）輪胎動(dòng)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可以展示三個(gè)不同工況下電機(jī)輸入能量、空調(diào)部件的能耗對(duì)電池輸出電能的占比、電機(jī)的工作效率以及電機(jī)到輪胎的傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s15NEDC、WLTC及CLTC-P三種工況能耗占比及效率對(duì)比表工況類型電機(jī)工作效率電機(jī)輸入能量占比（%）空調(diào)能耗占比（%）傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率（%）NEDC87.943443174.848170816.1012966793.26523577WLTC87.695637885.0837687.24928180293.43406079CLTC-P87.679989173.313750815.2390735393.01121156圖2.4也可展示三種工況下電機(jī)輸入能量與電機(jī)輸出能量以及輪胎動(dòng)力隨時(shí)間的變化情況 （a）NEDC工況 （b）CLTC-P工況（c）WLTC工況圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s14三種工況下電機(jī)輸入能量、電機(jī)輸出能量及輪胎動(dòng)力變化情況我們也可以從該結(jié)果看出在WLTC工況下電池的輸出能量最多，并且電機(jī)輸入能量對(duì)電池輸出電能的占比最大，而WLTC工況下輸入到輪胎的動(dòng)力對(duì)電機(jī)輸出能量占比最大，也就是說此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)到輪胎的傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率最大。NEDC和CLTC-P兩種工況下電池的輸出能量、電機(jī)輸入能量、電機(jī)輸出能量、空調(diào)能耗以及輪胎耗能都相差不大。并且WLTC工況下空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比也是最低的。AMEsim簡介AMEsim作為多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)，可以應(yīng)用于航空航天、車輛、船舶以及工程機(jī)械等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，該平臺(tái)蘊(yùn)含多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)且優(yōu)化的應(yīng)用庫，能滿足流體、機(jī)械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)的建模和仿真。用戶可以通過AMEsim實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真，并且得到圖像以及數(shù)據(jù)信息[]。AMEsim軟件主要針對(duì)工程應(yīng)用領(lǐng)域，所以汽車、液壓以及航空航天工業(yè)的工程師在研發(fā)過程中經(jīng)常會(huì)使用到這一軟件。AMEsim的應(yīng)用庫中有許多子模型可以選擇，這些模型也自帶不同的公式及算法，當(dāng)用戶從應(yīng)用庫選取子模型后就可以對(duì)這些子模型進(jìn)行連線從而得到用戶想要搭建的模型。圖形化的模型可以把用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來，并且重點(diǎn)關(guān)注物理模型的搭建。部分子模型介紹AMEsim軟件方便用戶用圖形化的語言來進(jìn)行系統(tǒng)的編譯，這樣方便工程師用更加簡潔直觀的形式來進(jìn)行系統(tǒng)建模。而建立純電動(dòng)乘用車的能量流模型則需要對(duì)純電動(dòng)汽車的每一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行建模，如動(dòng)力電池系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，本小節(jié)將針對(duì)純電動(dòng)乘用車能量流模型的各個(gè)子模型進(jìn)行介紹，并定義各個(gè)子模型的參數(shù)，從而幫助了解整車能量流模型的組成和結(jié)構(gòu)。整車模型整車模型需定義以下參數(shù)，包括整車質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積、輪胎規(guī)格、滾動(dòng)阻力系數(shù)以及前軸最大制動(dòng)力矩。若能知曉整車速度，就能夠計(jì)算出車輛的滾動(dòng)阻力以及空氣阻力。該模型接收整車VCU控制單元的制動(dòng)信號(hào)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩信號(hào)。其主要參數(shù)如表2.6所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s16整車模型主要參數(shù)表參數(shù)名稱數(shù)值整車質(zhì)量1350kg輪胎規(guī)格165/60R14滾動(dòng)阻力系數(shù)0.01空氣阻力系數(shù)0.29迎風(fēng)面積2.2m2前軸最大制動(dòng)力矩3000Nm駕駛員模型駕駛員模型中周期類型參數(shù)能夠定義駕駛員周期是否包含斜坡，在無斜坡循環(huán)情況下，即使目標(biāo)車速下降，駕駛員也無法加速；在有斜坡循環(huán)情況下，車手可以在行駛的每個(gè)階段剎車或加速。如果處于上坡階段，即使目標(biāo)車速下降，駕駛員也必須加速以適應(yīng)目標(biāo)車速。本次試驗(yàn)采取的是無斜坡循環(huán)。駕駛員模型與整車VCU控制單元結(jié)合通過PID控制算法使得車輛的實(shí)際車速跟隨定義好的目標(biāo)車速。駕駛員模型可以定義加速度控制和制動(dòng)控制的PID增益系數(shù)，下面將列出相關(guān)控制規(guī)律。目標(biāo)車速與實(shí)際車速的差值VerrVVcont表示目標(biāo)車速，V加速控制信號(hào)acc計(jì)算式為：acc=GPacc?err+GIacc?∫err?dt+GAacc?dvcontAnt而dvcontAnt=其中G表示車輛的質(zhì)量，vcontAnt為t+advAnt時(shí)的目標(biāo)車速，Pacc表示加速度控制的PID比例增益系數(shù)，Iacc表示加速度控制的PID積分增益系數(shù)，Aacc加速度控制的PID微分增益系數(shù)。制動(dòng)控制信號(hào)brak計(jì)算式為：brak=?GPbr?err?GIbr?∫err?dt?GAbr?dvcontAnt其中Pbr表示制動(dòng)控制的PID比例增益系數(shù)，Ibr表示制動(dòng)控制的PID積分增益系數(shù)，Abr制動(dòng)控制的PID微分增益系數(shù)。其主要參數(shù)如表2.7所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s17駕駛員模型主要參數(shù)表參數(shù)名稱數(shù)值周期類型無斜坡循環(huán)加速度控制的PID比例增益系數(shù)165/60R14加速度控制的PID積分增益系數(shù)0.01加速度控制的PID微分增益系數(shù)0.29制動(dòng)控制的PID比例增益系數(shù)2.2m2制動(dòng)控制的PID積分增益系數(shù)3000Nm制動(dòng)控制的PID微分增益系數(shù)該模型仿真結(jié)果可以查看目標(biāo)車速隨時(shí)間變化情況、實(shí)際車速隨時(shí)間變化情況以及它們的差值隨時(shí)間的變化情況。驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型本次仿真采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型不僅可以用作電動(dòng)機(jī)，也可用作發(fā)電機(jī)。該模型能夠定義電機(jī)效率，最大功率、最大扭矩以及最大轉(zhuǎn)速。根據(jù)慣例，可以用驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械端口的輸出轉(zhuǎn)速W來測量轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速，用機(jī)械端口的輸出扭矩T來測量轉(zhuǎn)矩。當(dāng)W和T符號(hào)相同時(shí)，該模型作為電動(dòng)機(jī)工作，機(jī)械端口輸出的機(jī)械功率P為正；當(dāng)W和T符號(hào)相同時(shí)，該模型作為發(fā)電機(jī)工作，機(jī)械端口輸出的機(jī)械功率P為負(fù)。圖2.5則用圖片的形式展示了這一規(guī)律。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s15驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率符號(hào)隨扭矩及轉(zhuǎn)速符號(hào)變化圖其主要參數(shù)如表2.8所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s18驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型主要參數(shù)表參數(shù)名稱數(shù)值電機(jī)效率0.95最大扭矩140Nm最大功率30000W最大轉(zhuǎn)速8000r/min動(dòng)力電池模型本次仿真采用的動(dòng)力電池模型等效電路為開路電壓和一個(gè)內(nèi)阻，由于該模型選擇了存在溫度影響的模式，所以開路電壓是電池SOC的函數(shù)，而內(nèi)阻值則隨溫度變化。由于電池類型選擇了“單電池”，所以該電池可以由多個(gè)電池單體組成，本模型不僅定義了電池單體的容量，也定義了該電池并行分支的個(gè)數(shù)以及每個(gè)分支的單體個(gè)數(shù)。其主要參數(shù)如表2.9所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s19驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型主要參數(shù)表參數(shù)名稱數(shù)值電池單體容量0.95并行分支數(shù)140Nm每個(gè)分支的單體個(gè)數(shù)30000WDC-DC轉(zhuǎn)換器模型本次仿真采用的DC-DC轉(zhuǎn)換器模型可以定義輸出電壓，并且也可以定義該轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。該轉(zhuǎn)換器可以將高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，也可以連接熱組件進(jìn)行熱量分析。該模型輸入電壓為的端口5和端口6間的電位差，輸出電壓為端口2和端口3間的電位差。其主要參數(shù)如表2.10所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s110DC-DC轉(zhuǎn)換器模型主要參數(shù)表參數(shù)名稱數(shù)值轉(zhuǎn)換效率0.93最小輸入電壓0.1V輸出電壓13.89V12V蓄電池及低壓附件模型本次仿真12V蓄電池及低壓附件并聯(lián)在DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端，DCDC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓就是該模型兩端的電壓。低壓附件用一個(gè)固定阻值的電阻代替，12V蓄電池的容量用安時(shí)數(shù)定義。在未開啟空調(diào)和開啟空調(diào)時(shí)，低壓附件消耗的功率不同，我們通過設(shè)置該電阻模型不同的阻值來反映低壓附件消耗的功率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)未開空調(diào)時(shí)，電阻值設(shè)為2Ω可以反映低壓附件消耗的功率；開啟空調(diào)時(shí)，電阻值設(shè)為1.6Ω可以反映低壓附件消耗的功率。其主要參數(shù)如表2.11所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11112V蓄電池及低壓附件模型主要參數(shù)表參數(shù)名稱數(shù)值蓄電池容量45Ah未開空調(diào)電阻阻值2Ω開啟空調(diào)電阻阻值1.6Ω空調(diào)模型本次仿真的空調(diào)模型是由一個(gè)電機(jī)連接壓縮機(jī)組成，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，而壓縮機(jī)采用的制冷劑為R134a。我們可以通過設(shè)置該電機(jī)的工作功率進(jìn)而模擬空調(diào)運(yùn)行時(shí)的功率，從而得到相關(guān)的電耗數(shù)據(jù)。當(dāng)未開啟空調(diào)時(shí)，該電機(jī)的功率為零，開啟空調(diào)時(shí)，電機(jī)輸出機(jī)械功率隨時(shí)間的變化曲線由圖2.6所示。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s16空調(diào)模型電機(jī)功率隨時(shí)間變化曲線仿真工況定義在純電動(dòng)汽車行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和汽車行駛阻力功率總是平衡的，我們可以利用MATLAB畫出本次仿真純電動(dòng)汽車的行駛阻力功率圖平衡圖。通過該功率圖我們可以知道該純電動(dòng)汽車能夠行駛的最大速度。由上一小節(jié)內(nèi)容可以知道該車的整車質(zhì)量、迎風(fēng)面積、空氣阻力系數(shù)、滾動(dòng)阻力系數(shù)以及輪胎規(guī)格，設(shè)定傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率為0.9，同時(shí)查閱資料可以得到該車的速比為6.71。知道這些參數(shù)后可以算出行駛阻力功率圖。圖2.7即是該車的行駛阻力功率圖。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s17電動(dòng)車行駛阻力功率曲線由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高功率為30000W，而P=30000W的水平線與行駛阻力功率曲線的交點(diǎn)橫坐標(biāo)為85.29Km/h，及該車行駛的最大速度為85.29km/h。由于NEDC、WLTC、CLTC-P工況都存在高速段，且速度大于85.29km/h，所以我們分別取這三種工況的中低速循環(huán)，并增加循環(huán)的個(gè)數(shù)，作為本次仿真采用的循環(huán)工況，直到工況運(yùn)行時(shí)間增加到10000秒，即每種循環(huán)工況仿真時(shí)間為10000秒。下文列出了三種不同工況的運(yùn)行曲線（1）NEDC工況運(yùn)行曲線圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s18NEDC工況運(yùn)行曲線（2）WLTC工況運(yùn)行曲線圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s19WLTC工況運(yùn)行曲線（3）CLTC-P工況運(yùn)行曲線圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s110CLTC-P工況運(yùn)行曲線AMEsim仿真平臺(tái)操作過程（1）分析純電動(dòng)汽車能量流模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)入草圖模式，從AMEsim子模型庫中選擇需要的元件并相連，建立起整車能量流仿真模型。（2）進(jìn)入?yún)?shù)模式，設(shè)置各個(gè)子模型的相關(guān)參數(shù)，如整車模型的整車質(zhì)量，輪胎尺寸或者驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型的最大功率、最大扭矩和最大轉(zhuǎn)速等。在設(shè)置完子模型參數(shù)后，設(shè)置全局參數(shù)，如減速比為6.71,。（3）進(jìn)入仿真模式，設(shè)定仿真時(shí)間為10000秒，并且利用上一小節(jié)定義的NEDC、WLTP以及CLTC-P三種運(yùn)行工況下進(jìn)行仿真，得到電池輸出能量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入