08 第八章 电动车辆性能与仿真.pptx

第1页：第8章 电动车辆性能与仿真

第8章 电动车辆性能与仿真，本章内容包括：

• 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2页：纯电动汽车的驱动力

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。

第3页：混合动力汽车的驱动力

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分别有不同的表达式，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

第4页：行驶方程式

二、行驶方程式：

1.纯电动汽车

按驱动力与滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、加速阻力平衡列式

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单独表示；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5页：动力性评价指标

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u_amax、加速时间t和最大爬坡度i_max三项。

第6页：最高车速的计算

二、动力性计算方法：1、纯电动汽车。1）u_amax：坡度阻力和加速阻力为0时，u_a=0.377nm/i₀i_g，数学计算非常复杂。

第7页：驱动力—行驶阻力平衡图

一般利用驱动力-行驶阻力平衡图来求最高车速。

第8页：加速时间的计算

2）加速时间：坡度阻力为0，采用离散化方法求解。

第9页：爬坡度的计算

3）爬坡度：加速度为0时的行驶方程式。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F_i=Gsinα。

第10页：驱动力与行驶阻力图

驱动力—行驶阻力图：横轴为速度u_a（km/h），纵轴为驱动力F_t（kN），图中绘出0%、2.3%、5%、6.25%、10%、15%、20%、25%各坡度的行驶阻力曲线，以及i_g1=3.393、i_g2=1两挡的驱动力曲线。

第11页：不同主减速比的加速曲线

图示五种不同主减速比的电动汽车加速曲线。

第12页：不同减速比的爬坡度

图示五种不同减速比的电动汽车爬坡度。

第13页：混合动力汽车的动力性

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

可实现串联、并联、纯电动等模式。起步可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，加速时间的计算方式也有两种。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14页：纯电动汽车经济性评价指标

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

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

原文对能量消耗率与比能耗表述为「数值越大经济性越好／能量利用效率越高」，与两项指标的定义相反（应为数值越小越好），此处按指标定义理解，建议对照原课件核对。

第15页：续驶里程的估算

2、续驶里程的估算：整个电池存储的能量E（单位Wh）由C_N（每块电池的额定容量，A·h）、U_N（电压，V）、M（每组电池串联的电池数）、N（并联的电池组数）、D（允许的放电深度）共同确定。

第16页：电池的工作电流

电池并非总在额定条件下工作。假定汽车以u_a匀速行驶，电池的工作电流I由行驶功率与各环节效率确定：

• P_f—滚动阻力功率
• P_w—空气阻力功率
• P_b—电池放电功率
• η_d—电池放电效率
• η_c—功率变换器效率
• η_m—电机效率
• η_t—机械传动效率

第17页：Peukert公式与续驶里程

I_N表示额定放电电流，由Peukert公式，当放电电流为I时电池的可用能量随之变化；若E_e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u_a匀速行驶的续驶里程（单位km）即可求出。

第18页：影响续驶里程的因素

影响续驶里程的因素有：

• 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
• 汽车总质量。总质量越大，续驶里程越小
• 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

第19页：影响续驶里程的其他因素

另外，影响续驶里程的因素还有：

• 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％
• 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
• 行驶工况。汽车行驶包括等速、加速、减速、停车等工况

第20页：循环行驶工况

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

第21页：我国电动汽车试验方法标准

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2 min；M1、N1类以外的纯电动汽车：在道路上进行(40±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2 min

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15 min；在工况试验循环结束时记录试验车辆驶过的距离D（km），即为工况法测量的续驶里程，同时记录所用时间

第22页：

第23页：循环工况能量消耗率的计算

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、电池组的放电功率，以及以车速u_a（km/h）行驶s_v（m）所消耗的电能（kW·h）按下式计算。

第24页：等加速工况耗电量

2）等加速工况耗电量：电池的放电功率按下式计算。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。由u_a1加速到u_a2，速度间隔取1km/h。加速过程的耗电量E_a（kW·h）与行驶的距离s_a（m）按相应式子计算。

第25页：等减速工况耗电量

3）等减速工况耗电量：未设置再生制动时耗电量为0。初速度为u_a2，末速度为u_a3，减速度du/dt_d。若制动过程中平均充电功率为P_bc（kW），回收的能量与制动过程行驶的距离s_d（m）按相应式子计算。

第26页：短暂停车与循环工况电能消耗率

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E_s（kW·h/km）由ΣE（基本工况的耗电量之和E_v、E_a、E_d，其中E_d是回收能量，故取负）与s（所有基本工况的行驶距离之和，m）求得。

第27页：混合动力汽车的燃油经济性

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

第28页：匀速工况油耗

1）匀速工况油耗：需要提供的功率按下式确定。

• 燃油车行驶功率完全由发动机提供
• 但HEV除发动机外，电机必要时也提供功率
• 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

第29页：HEV发动机功率

HEV发动机功率按下式计算，各量含义：

• P_m—电机功率
• η_mt—电机到驱动轮的传动效率
• P_b—电池充电功率
• η_bt—发动机动力经电机／发电机、功率变换器到电池的转换效率
• k_s—发动机开关状态信号，取0和1分别表示运行和关闭
• k_m—电机开关状态信号，取0和1分别表示运行和关闭
• k_b—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

k_s、k_m及k_b的取值取决于HEV类型、控制策略以及汽车运行状态。

第30页：万有特性与燃油消耗率

确定了发动机状态（P_e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u_a行驶时的单位时间燃油消耗率Q_t（mL/s）；以u_a行驶s_v（单位m）的燃油消耗量Q_v（mL）按相应式子计算。

第31页：等加速工况的油耗

2）等加速工况的油耗：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

第32页：功率跟随型发动机运行模式

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Q_a（mL）与行驶距离s_a（m）按相应式子累加。

原文中「加速过程燃油消耗Q_a（mL）行驶距离s_a（m）」一组表述重复出现四次，此处合并为一条。

第33页：等减速制动工况的油耗

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Q_i与减速行驶时间的乘积

初速度u_a2，末速度u_a3，减速度du/dt_d，制动过程的油耗与行驶的距离按相应式子计算。

第34页：短暂停车与百公里油耗

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：由多个匀速、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Q_s（L/100km）按相应式子计算。

第35页：新能源汽车性能仿真的作用

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，起到的作用有：

• 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
• 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
• 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

第36页：动力传动系简化模型

一、性能仿真方法：动力传动系简化模型由车载能源、动力生成装置、动力调节装置、车轮组成。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。

第37页：后向仿真

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的，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

第38页：后向仿真的优缺点

后向仿真的优点：

• 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

后向仿真的缺点：

• 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

第39页：前向仿真

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

第40页：前向仿真的优缺点

前向仿真的优点：

• 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

前向仿真的缺点：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。

第41页：混合仿真

3.混合仿真：综合前向仿真和后向仿真两者的优点，将两种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
• 前向仿真可用于动力部件的动态性能仿真

第42页：ADVISOR软件概述

二、ADVISOR软件简介：1.概述。ADVISOR（Advanced vehicle simulator，高级车辆仿真器）是由美国可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）在MATLAB/SIMULINK环境下开发的车辆性能仿真软件。该软件1994年开始开发和使用，而后功能和模块逐渐扩展，可对传统燃油车、纯电动汽车、混合动力汽车等各种类型的车辆进行性能分析。全球许多汽车公司、高校和研究机构使用该软件进行汽车性能的研究和开发。

第43页：ADVISOR软件的特点

ADVISOR软件具有以下特点：

• 采用模块化建模方式。将整车模型分为整车结构参数、动力装置、储能装置、变速器、车轮等模块化部件，各模块可以扩充和修改、可自由组合，各模块有标准数据输入／输出端口，便于数据传递
• 仿真模型和源代码开放。使用者能够得到仿真模型的模型框架和细节信息，可根据需要修改或重建部分仿真模型，节省建模时间，将主要精力投放在具体问题的研究上
• 采用后向仿真为主、前向仿真为辅的混合仿真，集成了两种方法的优点，在计算量较小、运算速度较快的同时也可保证仿真精度
• 软件在MATLAB/SIMULINK环境下开发，开放性强，便于二次开发
• 具有开放的软件接口，能与其他多种软件进行联合仿真，便于用户对仿真模型的改进和功能拓展

第44页：ADVISOR软件的功能

ADVISOR软件具有以下功能：

• 根据工况模拟整车的经济性和排放指标
• 根据工况模拟整车的动力性指标（加速性能、最高车速、最大爬坡度）
• 模拟各动力部件的性能指标的时间变化历程等动态特性
• 考察整车和各动力部件参数对汽车性能指标的影响

第45页：ADVISOR整车定义界面

2.软件界面：1）整车定义界面。

第46页：ADVISOR工况定义界面

2）工况定义界面。

第47页：ADVISOR结果显示界面

3）结果显示界面。