基于部件穩(wěn)態(tài)特性數(shù)據(jù)的車輛油耗仿真精度分析

張雪釗

摘 要：車輛油耗仿真作為整車性能開發(fā)的基礎，已經成為性能開發(fā)前期評估車輛性能的主要手段。為了提升車輛油耗仿真的精度，對影響油耗仿真精度的因素進行了分析。對發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)密度、仿真步長和電機效率數(shù)據(jù)分別進行分析，通過對多組數(shù)據(jù)分別進行實際仿真并分析數(shù)據(jù)，得出了各個因素對油耗結果的實際影響效果，可以為油耗仿真精度分析作定量參考。

關鍵詞：油耗仿真精度 數(shù)據(jù)密度 仿真步長 電機效率 電機功率損失

Abstract：Fuel consumption simulation has become the main means of vehicle performance evaluation in the early stage of vehicle development. In order to improve the accuracy of vehicle fuel consumption simulation， the factors affecting the accuracy of fuel consumption simulation are analyzed. The data density， simulation step size and motor efficiency data of engine universal characteristic data are analyzed respectively. Through the actual simulation and analysis of multiple groups of data， the actual influence effect of various factors on fuel consumption results is obtained， which can be used as a quantitative reference for the accuracy analysis of fuel consumption simulation.

Key words：fuel consumption， simulation accuracy， data density， simulation step size， motor efficiency， motor power loss

當前車輛油耗仿真是依靠動力系統(tǒng)部件在穩(wěn)態(tài)時測試得到的性能參數(shù)，通過插值計算連續(xù)數(shù)據(jù)點的性能值，最終獲得車輛的油耗計算結果[1，2]。因此性能參數(shù)的選取和仿真參數(shù)的設置是影響車輛油耗仿真精度的關鍵因素。然而現(xiàn)在缺少對這些因素影響油耗仿真結果的定量研究，也就不能判定油耗仿真的精度。本文通過對發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)密度、仿真步長和電機效率數(shù)據(jù)分別進行分析，利用多組數(shù)據(jù)分別進行實際仿真并分析數(shù)據(jù)，得出了各個因素對油耗結果的實際影響效果，可以為油耗仿真精度分析作定量參考。

1 發(fā)動機萬有特性參數(shù)

發(fā)動機萬有特性參數(shù)是計算車輛油耗的基礎，一般以固定的轉速和扭矩點進行穩(wěn)態(tài)測試。以某款車型發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)的測試為例，轉速一般選取固定間隔的整數(shù)，如1000、1500和2000等，扭矩也同樣選擇5、10、15等值，對于轉速和扭矩采樣間隔的數(shù)據(jù)則需要插值計算，由于特性參數(shù)的非線性特點，這種插值計算就不可避免的產生誤差[3]。為了增加計算精度，可以通過增加采樣點密度的方式完成，但這樣必然會造成測試工作量的大幅增加。因此需要尋找計算精度和采樣工作量的最優(yōu)結合點，即滿足計算精度的前提下減少采樣密度。

下面通過計算多組不同采樣密度的發(fā)動機萬有特性參數(shù)值下的油耗仿真數(shù)據(jù)，探究部件性能參數(shù)對油耗精度的影響規(guī)律。

在發(fā)動機萬有特性原始數(shù)據(jù)轉速采集點的基礎上，依次減少轉速數(shù)值，并利用仿真軟件進行油耗仿真計算，仿真結果如表1下：

原始發(fā)動機轉速以400rpm為間隔、1000～5200為區(qū)間進行采樣，當轉速間隔增大到800rpm時，油耗結果與原始數(shù)據(jù)的誤差在±1%左右;當轉速間隔增大到1200rpm時，油耗結果與原始數(shù)據(jù)的誤差在±2%左右。由此可以得出結論，如果由于條件限制無法獲取轉速間隔較小的發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)時，較大間隔萬有特性數(shù)據(jù)的仿真結果可以在一定的誤差范圍內近似表征準確結果。

2 仿真步長設置

仿真步長對油耗仿真有著較大影響，仿真步長小，仿真精度較高，但計算量大，仿真時間延長;仿真步長大，仿真精度較低，但計算量小，仿真時間縮短。因此有必要研究不同仿真步長對車輛油耗仿真精度的影響，以平衡仿真精度和仿真時間的矛盾。

采用同一個仿真模型，從小到大設置不同的仿真步長，觀察油耗仿真結果的變化。從結果可以看出，當仿真步長在0.02s以下時，仿真結果相同，此時減小仿真步長并不會得到更精確的油耗結果;當仿真步長從0.02s逐漸增大時，油耗結果開始出現(xiàn)變化，油耗數(shù)值與精確值的誤差越來越大。由此可以得出結論，為了獲得較為精確的油耗仿真精度，仿真步長設置一般應小于0.02s，同時為了不過多的延長仿真時間，一般可以設置0.01s的仿真步長為宜，見下表2。

3 電機效率參數(shù)

表征電機經濟性的指標一般有兩種表達方式，電機效率和功率損失，兩種表達方式均是以電機轉速和扭矩為橫縱坐標的二維矩陣數(shù)據(jù)。電機效率定義如下：

式中：

PowerElectric：電功率;

PowerLoss：功率損失;

PowerMechanical：機械功率;

n：電機轉速;

Tq：電機扭矩;

U：電機母線電壓;

I：電機母線電流。

即電機工作時消耗的電功率與自身損失功率之差與電功率之比，也就是電機輸出的機械功率和消耗的電功率之比。

從公式上看，電機效率和功率損失可以相互轉化，二者沒有區(qū)別，但這是在電機正常以一定轉速和扭矩運行時的情況。當電機處于有轉速沒有扭矩的空轉狀態(tài)時，此時計算的電機效率為0，用效率無法計算電機的能量消耗。但是由于反電動勢的存在，電機是有一定的能量消耗的，此時電機能量消耗需要用功率損失的數(shù)據(jù)才可以計算。值得注意的是，車載電機出現(xiàn)空轉的情況一般出現(xiàn)在混合動力汽車上，純電動汽車車載電機一般只工作在驅動和制動回收的工況。如圖所示的功率分流式混合動力汽車動力系統(tǒng)，在發(fā)動機單獨驅動車輛的情況下MG2電機仍然需要隨轉，即電機處于空轉狀態(tài)[4]。

下面對比電機采用效率數(shù)據(jù)和功率損失數(shù)據(jù)進行油耗仿真的差異。電機效率和功率損失如圖所示，可以看出在電機扭矩接近0的區(qū)域，電機效率無法計算數(shù)值，而電機功率損失可以給出正常的參數(shù)，這將給油耗仿真計算帶來差異。

油耗仿真結果可以看出，使用電機功率損失數(shù)據(jù)進行仿真要比使用電機效率數(shù)據(jù)變差0.6%，兩者的具體差異原因通過仿真數(shù)據(jù)對比分析。仿真數(shù)據(jù)顯示，兩次仿真電機的轉速和扭矩完全相同，在電機以正常轉速和較大扭矩運行時，電機的效率和功率損失也是重合的。但是當電機以較高轉速運行，而扭矩在0Nm附近波動時，兩者出現(xiàn)較大差異。差異表現(xiàn)在使用效率數(shù)據(jù)仍然會計算出一個較高的效率，電機功率損失小;而使用功率損失數(shù)據(jù)，直接查表獲取功率損失數(shù)據(jù)，此時反算的效率數(shù)據(jù)明顯降低。根據(jù)工程經驗，功率損失數(shù)據(jù)更加符合實際測試結果，因此使用電機效率數(shù)據(jù)會使車輛油耗仿真結果產生誤差。

4 結語

通過對影響車輛油耗仿真精度的因素進行分析，得出如下結論：

（1）發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)的轉速采樣點的密度影響油耗仿真精度。當轉速間隔增大到800rpm時，油耗結果與原始數(shù)據(jù)的誤差在±1%左右;當轉速間隔增大到1200rpm時，油耗結果與原始數(shù)據(jù)的誤差在±2%左右。如果由于條件限制無法獲取轉速間隔較小的發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)時，較大間隔萬有特性數(shù)據(jù)的仿真結果可以在一定的誤差范圍內近似表征準確結果。（2）為了獲得較為精確的油耗仿真精度，仿真步長設置一般應小于0.02s，同時為了不過多的延長仿真時間，一般可以設置0.01s的仿真步長為宜。（3）功率損失數(shù)據(jù)更加符合實際測試結果，使用電機效率數(shù)據(jù)會使車輛油耗仿真結果產生誤差，油耗值一般略低于功率損失數(shù)據(jù)計算值。

影響車輛油耗仿真精度的因素還有很多，如電池的內阻和開路電壓數(shù)據(jù)、變速箱的效率數(shù)據(jù)、車輛阻力數(shù)據(jù)等等，其詳細影響可以進行更多研究，以便提升油耗仿真精度，增強油耗仿真能力。

項目：2021年衢州市科技攻關指導性項目：新能源汽車動力經濟性虛擬仿真關鍵技術研究（2021061）。

參考文獻：

[1]梁瑋，滿興家，王偉.某前置前驅車油耗一致性的試驗與仿真[J].汽車安全與節(jié)能學報，2019，010（003）：374-382.

[2]黃曉峰，彭遠芳.汽車油耗參數(shù)測量方法的應用研究[J].計算機仿真，2011， 28（011）：339-342.

[3]可尚基，錢曉東.基于AVL CRUISE的客車經濟性仿真分析及驗證[J].客車技術與研究，2021，43（02）：32-34.