基于多種工況的純電動SUV 性能仿真分析

夏靖武 陳林 王凱 鄭輝鵬

（漢騰汽車有限公司）

以能源供給方式為依據(jù)新能源汽車主要分為純電動汽車、混合動力汽車以及燃料電池汽車[1]。在電動化、智能化、共享化和網(wǎng)聯(lián)化，以及環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格的趨勢下，電動化是汽車未來發(fā)展的方向。近兩年隨著技術(shù)進(jìn)步以及禁售燃油車等相關(guān)政策的推動，純電動更是成為各大車企研發(fā)的重點(diǎn)，新能源汽車產(chǎn)銷量不斷提升[2]。純電動汽車的經(jīng)濟(jì)性能，受運(yùn)行循環(huán)工況的影響較大。現(xiàn)有研究中，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]利用高級車輛仿真軟件（ADVISOR）里自帶的循環(huán)工況，對純電動汽車在歐洲ECE_EUDC 工況和美國UDDS 工況下進(jìn)行了動力性與經(jīng)濟(jì)性仿真，并對2 種工況下的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析。文獻(xiàn)[5]研究了某電動汽車在美國UDDS工況、日本10-15 工況及歐洲ECE_EUDC 工況等3 種循環(huán)工況下的經(jīng)濟(jì)性能，得到了ECE_EUDC 工況下續(xù)駛里程最長的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]借助MATLAB/Simulink 和ADVISOR 仿真軟件，在歐洲ECE_EUDC 工況、美國UDDS 工況、日本10-50 工況以及50 km/h 勻速工況等4 種工況下仿真出純電動汽車的續(xù)駛里程，分析了不同工況對續(xù)駛里程的影響。這些研究都是采用了ADVISOR 軟件中常用的國際標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況，具有一定的參考價值，但是對國內(nèi)純電動汽車法規(guī)定型試驗(yàn)和實(shí)際道路性能測試并不適用。基于以上問題，文章在MATLAB/Simulink 環(huán)境下搭建整車仿真模型，在3 種適應(yīng)我國法規(guī)和實(shí)際道路情況的循環(huán)工況下，對研究車型進(jìn)行續(xù)駛里程仿真分析，得到的續(xù)駛里程仿真結(jié)果更具工程實(shí)際上的參考意義。

1 整車與關(guān)鍵動力系統(tǒng)參數(shù)

研究車型依托于一款傳統(tǒng)緊湊型SUV 進(jìn)行電動化改造，其整車參數(shù)，如表1 所示。

表1 研究車型整車參數(shù)

動力性與經(jīng)濟(jì)性是電動汽車整車設(shè)計應(yīng)滿足的基本性能。動力性可用以下3 個指標(biāo)來評價：最高車速、加速性能和最大爬坡度[7]。經(jīng)濟(jì)性常用續(xù)駛里程和能量消耗率來評價。研究車型的整車性能設(shè)計目標(biāo)，如表2所示。

表2 研究車型的關(guān)鍵動力系統(tǒng)參數(shù)

2 循環(huán)工況對比分析

我國乘用車經(jīng)濟(jì)性能測試法規(guī)循環(huán)工況主要有3 種，即 NEDC 工況、WLTC 工況和 CLTC-P 工況[8]，3種循環(huán)工況的主要特征對比，如表3 所示。

表3 循環(huán)工況主要特征對比

NEDC 工況，即新歐洲駕駛循環(huán)工況，也被稱為ECE_EUDC 工況。NEDC 工況是歐洲續(xù)航測試標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況，主要在歐洲、中國、澳大利亞使用。NEDC 循環(huán)工況包含4 個市區(qū)循環(huán)和1 個郊區(qū)循環(huán)，總時長為1 180 s，總里程為11.007 km，最高車速為120 km/h。我國燃油乘用車國Ⅴ（含）以前的排放和2020 年5 月以前的純電動乘用車?yán)m(xù)駛里程測試都采用此工況，目前燃油乘用車的油耗測試仍采用此循環(huán)工況。

WLTC 工況，即全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)工況。是由聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會牽頭，歐洲、美國、日本等國眾多專家聯(lián)合研究，于2015 年正式編纂而成的。該工況已陸續(xù)在歐盟、印度、韓國、美國、日本等國家得到廣泛的應(yīng)用。WLTC 循環(huán)工況由低速段、中速段、高速段、超高速段4 部分組成，工況總共持續(xù)1 800 s，累計行駛里程為23.3 km，最高車速提升至131.3 km/h。工況要求的最高速度、平均速度、最大加減速度以及加減速度頻率，相比NEDC 工況都有了較大提升，嚴(yán)格程度也有較大提升。我國燃油乘用車國Ⅵ排放和今后的油耗測試將采用此循環(huán)工況。

CLTC-P 工況，即中國乘用車行駛工況，是中國輕型汽車行駛工況中的乘用車適用部分。無論是NEDC工況還是WLTC 工況，都與我國實(shí)際道路工況相差較大，考慮到適合中國境內(nèi)的能耗和排放標(biāo)準(zhǔn)的缺失，中國工信部下達(dá)了項(xiàng)目需求，由中汽研牽頭、組織行業(yè)專家展開了為期3 年的中國工況調(diào)研開發(fā)，并于2019 年10 月25 日發(fā)布了正式標(biāo)準(zhǔn)：《中國汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》（GB/T 38146.1—2019）。CLTC-P 循環(huán)工況包括低速（1 部）、中速（2 部）和高速（3 部）3 個速度區(qū)間，工況時長共計1 800 s，累計里程為14.48 km，最高車速為114 km/h。CLTC-P 循環(huán)工況在2020 年5 月1 日以后將作為我國純電動乘用車?yán)m(xù)駛里程與能量消耗率測試的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況，替代原來的NEDC 工況。

3 建模與仿真分析

目前，ADVISOR 是全球汽車行業(yè)使用最為廣泛的電動汽車仿真軟件之一。憑借其獨(dú)特的仿真模型以及模塊化的特點(diǎn)，贏得了國內(nèi)外汽車研究廠商、實(shí)驗(yàn)室以及大學(xué)的喜愛。但是ADVISOR 自2002 年被AVL 公司收購后沒有再推出正式的更新版本，其內(nèi)部的模型參數(shù)大都是近二十年前的數(shù)據(jù)，循環(huán)工況也是很早之前的一些主流工況，與當(dāng)前我國乘用車行業(yè)采用的循環(huán)工況相差較大。

3.1 整車仿真模型的搭建

為了驗(yàn)證純電動汽車在NEDC 工況、WLTC 工況和CLTC-P 工況等我國乘用車行業(yè)常用工況下的經(jīng)濟(jì)性能、避免ADVISOR 等汽車專業(yè)仿真軟件自帶工況不適用的缺點(diǎn)，本研究在MATLAB/Simulink 環(huán)境下重新搭建了一整套電動汽車整車仿真模型，其頂層模型結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 純電動汽車頂層仿真模型

該仿真模型全部采用Simulink 模塊搭建，主要包括駕駛員模塊、控制器模塊、電池模塊、附件模塊、電機(jī)模塊、主減模塊、整車模塊，以及時鐘模塊等。其仿真控制文件與數(shù)據(jù)文件全部采用MATLAB 腳本文件格式，運(yùn)行模式文件包含了Power 動力模式、爬坡模式，以及NEDC 工況、WLTC 工況、CLTC-P 工況、60 km/h 勻速工況等循環(huán)模式。

3.2 經(jīng)濟(jì)性能仿真分析

將整車相關(guān)參數(shù)及零部件參數(shù)輸入仿真模型，運(yùn)行模式設(shè)置在循環(huán)工況模式，分別選擇NEDC 工況、WLTC 工況、CLTC-P 工況，并設(shè)置好相應(yīng)的加載質(zhì)量，對研究車型（純電動SUV）的續(xù)駛里程等經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行仿真分析，仿真時的車速跟隨曲線情況，如圖2 所示。

圖2 不同循環(huán)工況下的仿真車速跟隨曲線圖

顯然上面各圖中當(dāng)前仿真車速與工況車速2 條曲線都基本重合，表明研究車型動力性符合跟隨NEDC工況、WLTC 工況、CLTC-P 工況的要求，也初步驗(yàn)證了在MATLAB/Simulink 環(huán)境下搭建的純電動仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對上述3 種循環(huán)工況的續(xù)駛里程仿真分析。

研究車型在3 種循環(huán)工況下的總續(xù)駛里程與SOC值的變化情況，如圖3 所示。圖3 顯示，研究車型在NEDC 工況、WLTC 工況、CLTC-P 工況等 3 種循環(huán)工況下SOC 值同樣從滿電狀態(tài)運(yùn)行到最低放電狀態(tài)時，總續(xù)駛里程各不相同，總運(yùn)行時間也各不相同。

圖3 不同循環(huán)工況下的總續(xù)駛里程圖

3.3 仿真結(jié)果分析

通過仿真分析，研究車型在NEDC 工況、WLTC 工況、CLTC-P 工況等3 種循環(huán)工況下的總續(xù)駛里程和能量消耗率等經(jīng)濟(jì)性能結(jié)果，如表4 所示。

表4 不同循環(huán)工況下的經(jīng)濟(jì)性能仿真結(jié)果

根據(jù)上述仿真結(jié)果分析可知，同一車型在不同循環(huán)工況下的經(jīng)濟(jì)性能差異明顯。本研究車型在NEDC循環(huán)工況下的總續(xù)駛里程可達(dá)484 km，而在WLTC 循環(huán)工況下的總續(xù)駛里程僅為398 km，續(xù)駛里程降低了約17.8%。在CLTC-P 循環(huán)工況下的總續(xù)駛里程卻能達(dá)到509 km，相比NEDC 工況續(xù)駛里程提高了約5.2%。這3 種循環(huán)工況中，最高車速與平均車速恰好是WLTC 工況高于 NEDC 工況，高于 CLTC-P 工況，由此可見，最高車速與平均車速是影響純電動汽車?yán)m(xù)駛里程等經(jīng)濟(jì)性能的主要因素。此外，在進(jìn)行純電動汽車項(xiàng)目性能定義時，應(yīng)考慮所采用的測試循環(huán)工況。如本研究中，若采用CLTC-P 工況，車型續(xù)駛里程可達(dá)到500 km 以上，而采用其他2 種工況，其續(xù)駛里程就不能達(dá)成該目標(biāo)值。

4 結(jié)論

純電動汽車?yán)m(xù)駛里程等經(jīng)濟(jì)性能受運(yùn)行循環(huán)工況的影響明顯，文章主要對比分析了NEDC 工況、WLTC工況、CLTC-P 工況等3 種國內(nèi)常用循環(huán)工況的各項(xiàng)特征和參數(shù)，又以某型純電動SUV 為研究對象，在MATLAB/Simulink 環(huán)境下搭建了適應(yīng)國內(nèi)常用循環(huán)工況的整車仿真模型，對研究車型進(jìn)行了基于上述3 種循環(huán)工況的經(jīng)濟(jì)性能仿真分析。通過對比分析3 種工況下的續(xù)駛里程仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了循環(huán)工況中影響純電動汽車經(jīng)濟(jì)性能的主要因素，并提出了純電動汽車項(xiàng)目性能定義時應(yīng)提前考慮循環(huán)工況的問題，為車型開發(fā)提供了理論依據(jù)和參考。