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新能源汽车整车及动力系统精确建模方法研究

2023-05-22张雪钊

时代汽车 2023年9期
关键词:仿真模型动力系统新能源汽车

张雪钊

摘 要:车辆仿真模型在车辆前期设计、动力系统选型、性能仿真分析、软件开发和标定优化等车辆开发全过程都有着举足轻重的作用。尤其在当下新能源汽车蓬勃发展的阶段,由于汽车动力系统更加复杂(HEV和PHEV),电气化程度大大提高(EV和FCEV),对车辆仿真模型的需求也大大增加,对车辆模型的仿真精度要求也逐步提高。因此,本文以动力系统最为复杂的混合动力汽车为例,详细介绍了新能源整车和动力系统建模的方法,并以实车实测数据验证了该建模方法的精确性。

关键词:新能源汽车 仿真模型 动力系统 模型验证

全球对碳排放的重视程度日益增加,我国也制定了碳中和碳达峰的相关指标。根据研究,道路交通是碳排放的重要来源,因此需要对道路车辆尤其是新能源汽车的碳排放进行优化[1][2]。新能源汽车建模主要是为了解决车辆能量管理策略的优化问题,仿真模型也主要是围绕经济性展开,即主要是纵向动力学模型。在下面的研究中,主要内容按照如下顺序描述:(1)整车阻力模型的搭建;(2)车辆动力系统的建模,包含发动机、电机、电池等部件;(3)整车模型集成,以功率分流车型为例来说明如何将动力系统各个部件以及整车阻力模型集成为一个整体;(4)根据实车测试数据对建立的车辆模型进行了验证,确保建模精度。(5)对本文进行总结,并提出下一步的改进方案。

1 整车阻力模型

整车行驶阻力包含空气阻力、滚动阻力和内部机械损失等,从单个阻力的物理意义计算需要较多的试验数据来支撑。如滚动阻力需要精确测量轮胎滚阻参数,空气阻力需要精确测量风阻系数等,由于测试工作量大,一般整车厂商很难获取。因此,在工程实践中一般对整车进行阻力测试直接获得基于车速的三参数阻力数据。

基于三参数的车辆阻力的数学模型:

F=F0+F1*V+F2*V2 (1)

其中:F为车辆阻力,单位N;

F0为阻力常数项,单位N;

F1为阻力一次项,单位N/(km/h);

F2为阻力二次项,单位N/(km/h)2;

V为车速,单位km/h。

车辆正常运行过程中(即车速大于0的情况),驱动力与此阻力之差决定了车辆的运动形式(加速、匀速和减速),但是在建立阻力模型时需要特别注意车速为0的情况。由于上述阻力参数是在车辆前进方向运动过程中测试获得的,因此车速为0时需要分2种情况:①车速为0且车辆无运动趋势,此时车辆处于静止状态,此阻力阻碍车辆的运动趋势而不能使车辆产生向后的车速即负车速,建模时可以使用机械制动力和此阻力平衡,机械制动力此时模拟驻车制动的功能;②车速为0且车辆有向前运动的趋势时,此阻力与车辆驱动力共同作用决定车辆的加速度,和前进方向运动的情况相同。

车辆加速度是动力系统扭矩传递到轮端形成的驱动力Ft与车辆阻力F之差再除以车辆惯量计算得到的。车辆惯量既包含车辆的平移惯量m,也包含旋转部件的转转惯量,旋转惯量一般取平移惯量乘以一定的系数δ,取δ=0.01。车辆加速度获得后,对其积分即可计算车速。需要注意车辆加速度a一般计算后的单位是m/s2,对其直接积分获得的车速单位是m/s,需要进行单位换算。

2 车辆动力系统建模

2.1 发动机模型

发动机建模时主要是通过外特性对需求转矩进行限制以及根据实际输出的转速和扭矩通过万有特性数据计算油耗。

发动机在整个驾驶工况的总油耗Mfuel计算公式:

其中m·fuel为发动机瞬时油耗,单位为g/s,通过发动机转速和扭矩通过查发动机万有特性数据获得的燃油消耗率。

发动机扭矩值需要受到限制,最大值不能大于各个转速下外特性曲线对应的扭矩值,最小值不能小于各个转速下起动阻力特性曲线对应的扭矩值。

2.2 电机模型

电机建模时主要是通过外特性对需求转矩进行限制以及根据实际输出的转速和扭矩计算机械功率和电功率。电机在驱动和发电的过程中,对应的扭矩限制在外特性以内,与发动机扭矩限制类似。

电机在每个转速扭矩工作点都可以通过查表获取其功率损失PowerLoss的数据,根据功率损失PowerLoss数据以及电机机械功率Mpower可以计算其电功率。

电机的电功率Epower计算:

需要注意的是PowerLoss一直为正值,当电机驱动时,机械功率Mpower为正,当电机发电时,机械功率Mpower为负。MG1和MG2电机的电功率之和为电池对外输出的电功率,正值代表电池放电,负值代表向电池充电。

2.3 电池模型

在电池开路电压和内阻已知的情况下可以推导电池母线电流和电池SOC的计算公式[3]。

母线电流:

电池SOC:

其中电池内阻R1和开路电压E随SOC变化而变化,Cbattery为电池容量。当电池功率为负,电池充电,电池电流为负,SOC上升;当电池功率为正,电池放电,电池电流为正,SOC下降。

3 整车模型集成

根据动力系统部件的建模过程,可知每一个部件需要与其他部件结合以获取各自需要的信号。整车模型集成的作用就是根據整车的控制逻辑、机械逻辑和电气逻辑进行部件之间的关联,使其组成一个有机的整体。下面以功率分流式构型为例介绍整车模型集成方法。

3.1 控制连接建模

整车控制策略一般以扭矩为控制信号,即发动机和电机的扭矩信号是VCU发出的,部件模型接收该信号即可。

3.2 机械连接建模

通过机械连接,可以将动力部件的扭矩向后传递获得车辆驱动力,同时将车速向前传递获得动力系统部件的转速。

车辆驱动力计算公式如下:

Ft=TqICE*iICE+TqMG2*iMG2 (7)

TqICE为发动机扭矩,TqMG2为MG2电机扭矩,iICE和iMG2分别为发动机和电机到车轮端的总传动比。

车辆的驱动力计算完成后,根据整车阻力模型即可获得车辆的加速度和速度。MG2的转速,通过车速和传动速比可以进行直接换算。

发动机和MG1的转速和车速不存在直接速比关系,需要经过行星齿轮的模型进行计算。行星齿轮的结构如下:

对行星轮进行受力分析,其受到太阳轮作用力F1,行星架作用力F2和齿圈作用力F3。其中F1为MG1电机扭矩经太阳轮传递过来的计算公式如下:

F2为发动机扭矩经行星架传递过来的计算公式如下:

以行星轮的A点为受力点进行受力分析,负号代表发动机扭矩和MG1电机扭矩相反,即发动机驱动(扭矩为正)时MG1发电(扭矩为负),发动机起动(扭矩为负)过程MG1电动(扭矩为正),如下所示:

式中r1为齿圈与行星轮的齿数之比。

α2为发动机的角加速度,对α2进行积分即得到发动机的转速。

MG1的转速可以通过发动机和MG2的转速通过行星排的速比关系进行计算,如下:

3.3 电气连接建模

电气连接建模即根据电机和低压电器负载的功率求解电池的功率,计算公式如下:

电池输出功率包含MG1的电功率、MG2的电功率以及其他附件消耗的功率。其他附件消耗的电功率随着车辆用电设备使用情况的变化而变化,可以取一个平均值1kW,EpowerAcc=1kW。

4 模型精度验证

将试验获得的发动机扭矩和发动机转速输入到车辆模型中,可以使车辆模型运行并得到车速、发动机油耗、电池功率和SOC、MG1转速转矩、MG2转速转矩等信号,通过这些信号与实测信号的对比可以判断车辆模型是否具有足够的运算精度。

如图3所示为测试数据和仿真数据的对比,图像曲线表明仿真模型能够精确模拟车辆的油耗和电耗等经济性能以及车辆的运动学关系。由于附件功率消耗采用了平均值的表示方法,造成SOC的变化与测试数据存在略微的差异,但是整体趋势依然非常接近,完全满足了仿真精度要求。

5 结语

本文主要完成了以下工作:(1)建立了整车阻力和动力系统部件模型,该模型具有很好的拓展性,所有新能源车辆均可参考;(2)通过控制连接、机械连接和电气连接三种方式完成了模型集成,控制信号流、机械信号流和电气信号流清晰明了;(3)建模完全通过数学公式完成,可以选择多种编程工具进行建模,对编程工具限制大大减少。在后续工作中,可以细化各级传动轴惯量和摩擦损失,使模型更精确,同时还需要完成控制策略模型的搭建。

项目:2021年衢州市科技攻关指导性项目:新能源汽车动力经济性虚拟仿真关键技术研究(2021061);衢州职业技术学院校级项目(QZYY2118):基于数据驱动的新能源汽车智能化能量管理策略研究;衢州职业技术学院 2022年闯关性教学评价项目:智能网联汽车技术闯关性教学实践(CGJXPJ202204)。

参考文献:

[1]Cao,W.,Kawabe,T.,Yuno,T.et al. Fuel consumption reduction effect of pre-acceleration before gliding of a vehicle with free-wheeling. Control Theory Technol. 20,235-247(2022).

[2]吴梅林,吴天元,刘志宏,雷洪钧.混合动力汽车产业发展现状及趋势[J].汽车实用技术,2022,47(03):191-195.

[3] 周洋捷,王震坡,洪吉超,曲昌輝,山彤欣,张景涵,侯岩凯.新能源汽车动力电池“过充电-热失控”安全防控技术研究综述[J].机械工程学报,2022,58(10):112-135.

[4] 胡建军,刘子睿,梅博,彭航.一种单行星排功率分流式混合动力系统构型优化设计方案[J].机械工程学报,2021,57(18):264-276.

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