基于車輛動(dòng)力學(xué)的純電動(dòng)汽車能耗建模

基于車輛動(dòng)力學(xué)的純電動(dòng)汽車能耗建模摘要：純電動(dòng)汽車能耗是新能源汽車的研究熱點(diǎn)之一。純電動(dòng)汽車能耗模型的建立，對(duì)于規(guī)劃經(jīng)濟(jì)速度，估算續(xù)駛里程的基礎(chǔ)，評(píng)估純電動(dòng)汽車的節(jié)能效果有重要的意義。文章根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)從傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式和燃油消耗公式類比得出純電動(dòng)汽車的相關(guān)計(jì)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(yàn)到更加便捷的生活方式，也逐漸認(rèn)識(shí)到汽車尾氣排放會(huì)對(duì)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(dòng)汽車有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，在行車過程中比較安靜、能源效率較高，排放的尾氣對(duì)環(huán)境沒有污染、受路面等級(jí)的影響較小等。但是，相比傳統(tǒng)燃油車，純電動(dòng)汽車也存在一些制約因素，例如，由于電池單位儲(chǔ)存能量不如柴油、汽油單位儲(chǔ)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(dòng)汽車。與此同時(shí)，電動(dòng)汽車的充電樁設(shè)施設(shè)備數(shù)量建設(shè)不夠，純電動(dòng)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(dòng)汽車的主要障礙之一。在考慮適度加速和制動(dòng)的情況下，電動(dòng)汽車的行駛里程預(yù)計(jì)會(huì)減少21.8%；在考慮激進(jìn)駕駛風(fēng)格的情況下，這個(gè)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(dòng)汽車能耗是研究熱點(diǎn)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(dòng)汽車能耗實(shí)時(shí)計(jì)算模型；2014年，北京交通大學(xué)的宋媛媛[2]利用電動(dòng)汽車臺(tái)架法基于不同的行駛工況，建立微觀電動(dòng)汽車能耗模型以及反映交通參數(shù)動(dòng)態(tài)變化對(duì)能耗影響的中觀電動(dòng)汽車能耗模型；2017年，大連理工大學(xué)的王江波[3]基于電動(dòng)汽車實(shí)際出行行為的觀測(cè)數(shù)據(jù)、車輛動(dòng)力學(xué)的共性和純電動(dòng)汽車的特性，構(gòu)建電動(dòng)汽車出行能耗估計(jì)模型；2018年，華南理工大學(xué)的賴鉅華[4]驗(yàn)證了加速過程是決定純電動(dòng)乘用車驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車瞬態(tài)能耗模型的建模方法；2019年，ZHANGC等[6]提出了一個(gè)多物理場(chǎng)能量模型，以基于車輛動(dòng)力學(xué)和車輛系統(tǒng)能量需求來量化自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車的能量消耗；2020年，MORLOCKF等[7]提出基于特征速度分布和實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)的電動(dòng)汽車能耗預(yù)測(cè)模型。目前，國內(nèi)外電動(dòng)汽車能耗研究主要以車輛動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)來建立電動(dòng)汽車能耗模型，通過整車能耗實(shí)驗(yàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)與電動(dòng)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(dòng)汽車的能量回收過程，因此，本文將根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)和汽車?yán)碚摰幕局R(shí)，類比傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式與燃油消耗公式，得出純電動(dòng)汽車的相關(guān)計(jì)算公式，建立基于車輛動(dòng)力學(xué)的純電動(dòng)汽車能耗模型，并對(duì)已建立的模型進(jìn)行精確度校正。1純電動(dòng)汽車能耗模型1.1純電動(dòng)汽車能量流動(dòng)方式純電動(dòng)汽車能量流傳遞是能量的輸出與輸入，即能量流動(dòng)有兩個(gè)方向，一是動(dòng)力電池將電能輸送給電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能經(jīng)傳動(dòng)裝置傳遞至車輪以及動(dòng)力電池將電能輸送給車輛附件應(yīng)用；二是制動(dòng)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(dòng)圖和車輛動(dòng)力學(xué)，可以得到建立純電動(dòng)汽車能耗模型的理論基礎(chǔ)。純電動(dòng)汽車能量流動(dòng)如圖1所示。電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞裝置車輪制動(dòng)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(dòng)車能量流動(dòng)方向1.2純電動(dòng)汽車的動(dòng)力學(xué)方程根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)[9]理論，汽車行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率始終等于機(jī)械傳動(dòng)損失功率與全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率之和[10]，可整理得到純電動(dòng)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(dòng)機(jī)發(fā)出的功率；Ff為滾動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車能耗模型將純電動(dòng)汽車行駛過程分為加速、勻速、減速。由純電動(dòng)汽車的能量流動(dòng)方向可知，驅(qū)動(dòng)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(jì)算能耗時(shí)忽略坡道阻力。純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)是指純電動(dòng)汽車在制動(dòng)減速過程中，通過能量轉(zhuǎn)換裝置將一部分制動(dòng)能量回收起來給電池充電，當(dāng)再次制動(dòng)時(shí)，回收的能量可以再次利用。由能量守恒定理可知，電動(dòng)汽車制動(dòng)能量W等于制動(dòng)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(dòng)汽車最理想的情況，可得整個(gè)加速，勻速以及制動(dòng)工況的總能耗E（kWh）為E=E1+E2+E3=2純電動(dòng)汽車能耗計(jì)算根據(jù)純電動(dòng)汽車整車布置形式和動(dòng)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(jì)算中國典型城市工況下純電動(dòng)車能耗，建立能耗模型各系數(shù)值和純電動(dòng)汽車車型車輛的參數(shù)值[11]如表1所示，計(jì)算結(jié)果對(duì)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(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值整備質(zhì)量m/kg重力加速度g/（m/s2）機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)力電池型號(hào)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(dòng)回收效率ηc空氣阻力系數(shù)CD迎風(fēng)面積A/m2滾動(dòng)阻力系數(shù)f最小離地間隙/mm輪胎滾動(dòng)半徑/m驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型0.80.677.60.020.485永磁同步機(jī)表2計(jì)算結(jié)果對(duì)比項(xiàng)目數(shù)值軟件仿真計(jì)算能耗/kWh4.4613能耗模型計(jì)算能耗/kWh8.7430模型精度/%51.03由表格對(duì)比分析可知，模型的精度只有51.03%，還需對(duì)模型進(jìn)行更改校正?？紤]到制動(dòng)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?yàn)槟芎哪Ｐ偷闹苿?dòng)減速模塊。接下來將對(duì)制動(dòng)減速模塊進(jìn)行校正。3純電動(dòng)汽車能耗模型校正當(dāng)車輛減速制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能，產(chǎn)生的動(dòng)能一部分用于克服阻力做功，另外的部分供給制動(dòng)系統(tǒng)消耗。搭載再生制動(dòng)系統(tǒng)的車輛制動(dòng)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)相互配合工作，再生制動(dòng)系統(tǒng)將吸收一部分動(dòng)能通過儲(chǔ)能裝置轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來，存儲(chǔ)到儲(chǔ)能裝置中的能量可在加速時(shí)再次利用，提高能耗經(jīng)濟(jì)性。制動(dòng)時(shí)能量流傳遞路徑圖2制動(dòng)時(shí)能量流傳遞路徑根據(jù)能量流傳遞路徑可知，汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能有兩個(gè)流向，一是用于克服空氣阻力、滾動(dòng)阻力、加速阻力和坡道阻力做功；二是用于電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)，其中一部分用于機(jī)械制動(dòng)的摩擦熱消耗，另一部分被電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)回收儲(chǔ)能。鑒于電動(dòng)汽車可由再生制動(dòng)回能的特點(diǎn)，為了節(jié)約能耗，制動(dòng)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(dòng)時(shí)也受到多方面因素影響，例如在一些緊急制動(dòng)或制動(dòng)強(qiáng)度比較大的情況下，電機(jī)制動(dòng)力矩不能確保達(dá)到整車的制動(dòng)力需求，會(huì)降低行駛安全性。制動(dòng)安全性是純電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)最重要的任務(wù)，為確保制動(dòng)過程中的可靠性和安全性，仍需保留機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，并與再生制動(dòng)系統(tǒng)組成混合制動(dòng)結(jié)構(gòu)[12]。目前，純電動(dòng)汽車中應(yīng)用的再生制動(dòng)系統(tǒng)主要有并聯(lián)式再生制動(dòng)系統(tǒng)、串聯(lián)式再生制動(dòng)系統(tǒng)以及單踏板特性的再生制動(dòng)系統(tǒng)，不同的再生制動(dòng)控制系統(tǒng)擁有不同的再生制動(dòng)效率以及制動(dòng)穩(wěn)定性[13]。電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)比例直接影響電動(dòng)汽車制動(dòng)回收能量的多少，在考慮安全的條件下，為提高電機(jī)制動(dòng)的比例，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)回收能量最大化，根據(jù)純電動(dòng)車的參數(shù)，在利用CRUISE仿真軟件建立仿真模型時(shí)，將機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)比例設(shè)置為0.8；電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的電氣制動(dòng)比例設(shè)置為0.2[14]。動(dòng)力電池當(dāng)前電池殘余電量（StateOfCharge,SOC）是反映動(dòng)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(xiǎn)情況。因此，將再生制動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制策略中的動(dòng)力電池閾值[15]設(shè)置為動(dòng)力電池SOC下降至94%，且為保證動(dòng)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(yàn)從100%SOC開始試驗(yàn)至5%SOC基于上述分析，將能耗模型中減速制動(dòng)過程的計(jì)算方式進(jìn)行更改。將能耗模型中減速制動(dòng)過程的計(jì)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(dòng)的比例，取0.2；t3為制動(dòng)初始時(shí)間，h；t4為制動(dòng)終止時(shí)間，h；ua(t)為減速時(shí)速度關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。由校正后的能耗模型，計(jì)算所得能耗如表3所示，能耗時(shí)間曲線及對(duì)比如圖3所示。表3計(jì)算結(jié)果對(duì)比項(xiàng)目數(shù)值軟件仿真計(jì)算能耗/kWh4.4613校正前能耗模型計(jì)算能耗/kWh8.7430校正前模型精度/%51.03校正后能耗模型計(jì)算能耗/kWh4.7216校正后模型精度/%94.48圖3校正前后能耗時(shí)間曲線對(duì)比對(duì)比能耗時(shí)間曲線圖以及能耗模型計(jì)算結(jié)果可得出以下結(jié)論：（1）能耗時(shí)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(dòng)汽車從驅(qū)動(dòng)狀態(tài)直接過渡到減速狀態(tài)，同時(shí)純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)過程是主要耗能過程，在相同情況下，頻繁的驅(qū)動(dòng)會(huì)使純電動(dòng)汽車能耗增加。（2）對(duì)比相同加速度、不同行駛速度的驅(qū)動(dòng)過程可知，在相同時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)加速度相同時(shí)，不同行駛速度的減速過程來說，在相同的時(shí)間段內(nèi)，速度越大，能耗值越??；速度越小，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(duì)估算純電動(dòng)汽車的（1）本文提出了一種基于車輛動(dòng)力學(xué)的能耗模型建立方法，根據(jù)能量流動(dòng)方向找到電池輸出功率與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的關(guān)系，得出電池輸出功率方程式來計(jì)算純電動(dòng)汽車能耗，建立能耗模型；對(duì)比分析兩個(gè)能耗值，根據(jù)能量流動(dòng)方向，制動(dòng)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(yàn)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(dòng)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(duì)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(dòng)汽車能耗實(shí)時(shí)計(jì)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(dòng)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(cè)的電動(dòng)汽車能耗估計(jì)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(dòng)乘用車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗試驗(yàn)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(dòng)汽車瞬態(tài)能耗模型建模[C]//2019中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集(2).北京:中國汽車工程學(xué)會(huì),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(jì)算方法研究[J].公路交通科技,2009,26(9):146-149.[9]葛恒勇.純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略研究[D].成都:西華大學(xué),2016.