張雪釗

摘 要：車輛油耗仿真作為整車性能開發(fā)的基礎(chǔ)，已經(jīng)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(jìn)行了分析。對發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)密度、仿真步長和電機(jī)效率數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，通過對多組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行實(shí)際仿真并分析數(shù)據(jù)，得出了各個(gè)因素對油耗結(jié)果的實(shí)際影響效果，可以為油耗仿真精度分析作定量參考。

關(guān)鍵詞：油耗仿真精度 數(shù)據(jù)密度 仿真步長 電機(jī)效率 電機(jī)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(dāng)前車輛油耗仿真是依靠動(dòng)力系統(tǒng)部件在穩(wěn)態(tài)時(shí)測試得到的性能參數(shù)，通過插值計(jì)算連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的性能值，最終獲得車輛的油耗計(jì)算結(jié)果[1，2]。因此性能參數(shù)的選取和仿真參數(shù)的設(shè)置是影響車輛油耗仿真精度的關(guān)鍵因素。然而現(xiàn)在缺少對這些因素影響油耗仿真結(jié)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(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)密度、仿真步長和電機(jī)效率數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，利用多組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行實(shí)際仿真并分析數(shù)據(jù)，得出了各個(gè)因素對油耗結(jié)果的實(shí)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(dòng)機(jī)萬有特性參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性參數(shù)是計(jì)算車輛油耗的基礎(chǔ)，一般以固定的轉(zhuǎn)速和扭矩點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測試。以某款車型發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)的測試為例，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和扭矩采樣間隔的數(shù)據(jù)則需要插值計(jì)算，由于特性參數(shù)的非線性特點(diǎn)，這種插值計(jì)算就不可避免的產(chǎn)生誤差[3]。為了增加計(jì)算精度，可以通過增加采樣點(diǎn)密度的方式完成，但這樣必然會(huì)造成測試工作量的大幅增加。因此需要尋找計(jì)算精度和采樣工作量的最優(yōu)結(jié)合點(diǎn)，即滿足計(jì)算精度的前提下減少采樣密度。

下面通過計(jì)算多組不同采樣密度的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)萬有特性原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速采集點(diǎn)的基礎(chǔ)上，依次減少轉(zhuǎn)速數(shù)值，并利用仿真軟件進(jìn)行油耗仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如表1下：

原始發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以400rpm為間隔、1000～5200為區(qū)間進(jìn)行采樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速間隔增大到800rpm時(shí)，油耗結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的誤差在±1%左右;當(dāng)轉(zhuǎn)速間隔增大到1200rpm時(shí)，油耗結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的誤差在±2%左右。由此可以得出結(jié)論，如果由于條件限制無法獲取轉(zhuǎn)速間隔較小的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)時(shí)，較大間隔萬有特性數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果可以在一定的誤差范圍內(nèi)近似表征準(zhǔn)確結(jié)果。

2 仿真步長設(shè)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(jì)算量大，仿真時(shí)間延長;仿真步長大，仿真精度較低，但計(jì)算量小，仿真時(shí)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(shí)間的矛盾。

采用同一個(gè)仿真模型，從小到大設(shè)置不同的仿真步長，觀察油耗仿真結(jié)果的變化。從結(jié)果可以看出，當(dāng)仿真步長在0.02s以下時(shí)，仿真結(jié)果相同，此時(shí)減小仿真步長并不會(huì)得到更精確的油耗結(jié)果;當(dāng)仿真步長從0.02s逐漸增大時(shí)，油耗結(jié)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(jié)論，為了獲得較為精確的油耗仿真精度，仿真步長設(shè)置一般應(yīng)小于0.02s，同時(shí)為了不過多的延長仿真時(shí)間，一般可以設(shè)置0.01s的仿真步長為宜，見下表2。

3 電機(jī)效率參數(shù)

表征電機(jī)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)一般有兩種表達(dá)方式，電機(jī)效率和功率損失，兩種表達(dá)方式均是以電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩為橫縱坐標(biāo)的二維矩陣數(shù)據(jù)。電機(jī)效率定義如下：

式中：

PowerElectric：電功率;

PowerLoss：功率損失;

PowerMechanical：機(jī)械功率;

n：電機(jī)轉(zhuǎn)速;

Tq：電機(jī)扭矩;

U：電機(jī)母線電壓;

I：電機(jī)母線電流。

即電機(jī)工作時(shí)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(jī)輸出的機(jī)械功率和消耗的電功率之比。

從公式上看，電機(jī)效率和功率損失可以相互轉(zhuǎn)化，二者沒有區(qū)別，但這是在電機(jī)正常以一定轉(zhuǎn)速和扭矩運(yùn)行時(shí)的情況。當(dāng)電機(jī)處于有轉(zhuǎn)速?zèng)]有扭矩的空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，此時(shí)計(jì)算的電機(jī)效率為0，用效率無法計(jì)算電機(jī)的能量消耗。但是由于反電動(dòng)勢的存在，電機(jī)是有一定的能量消耗的，此時(shí)電機(jī)能量消耗需要用功率損失的數(shù)據(jù)才可以計(jì)算。值得注意的是，車載電機(jī)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的情況一般出現(xiàn)在混合動(dòng)力汽車上，純電動(dòng)汽車車載電機(jī)一般只工作在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)回收的工況。如圖所示的功率分流式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛的情況下MG2電機(jī)仍然需要隨轉(zhuǎn)，即電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)[4]。

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

油耗仿真結(jié)果可以看出，使用電機(jī)功率損失數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真要比使用電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩完全相同，在電機(jī)以正常轉(zhuǎn)速和較大扭矩運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的效率和功率損失也是重合的。但是當(dāng)電機(jī)以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而扭矩在0Nm附近波動(dòng)時(shí)，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(huì)計(jì)算出一個(gè)較高的效率，電機(jī)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(shí)反算的效率數(shù)據(jù)明顯降低。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，功率損失數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際測試結(jié)果，因此使用電機(jī)效率數(shù)據(jù)會(huì)使車輛油耗仿真結(jié)果產(chǎn)生誤差。

4 結(jié)語

通過對影響車輛油耗仿真精度的因素進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速采樣點(diǎn)的密度影響油耗仿真精度。當(dāng)轉(zhuǎn)速間隔增大到800rpm時(shí)，油耗結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的誤差在±1%左右;當(dāng)轉(zhuǎn)速間隔增大到1200rpm時(shí)，油耗結(jié)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(zhuǎn)速間隔較小的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)時(shí)，較大間隔萬有特性數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果可以在一定的誤差范圍內(nèi)近似表征準(zhǔn)確結(jié)果。（2）為了獲得較為精確的油耗仿真精度，仿真步長設(shè)置一般應(yīng)小于0.02s，同時(shí)為了不過多的延長仿真時(shí)間，一般可以設(shè)置0.01s的仿真步長為宜。（3）功率損失數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際測試結(jié)果，使用電機(jī)效率數(shù)據(jù)會(huì)使車輛油耗仿真結(jié)果產(chǎn)生誤差，油耗值一般略低于功率損失數(shù)據(jù)計(jì)算值。

影響車輛油耗仿真精度的因素還有很多，如電池的內(nèi)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(xì)影響可以進(jìn)行更多研究，以便提升油耗仿真精度，增強(qiáng)油耗仿真能力。

項(xiàng)目：2021年衢州市科技攻關(guān)指導(dǎo)性項(xiàng)目：新能源汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性虛擬仿真關(guān)鍵技術(shù)研究（2021061）。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]黃曉峰，彭遠(yuǎn)芳.汽車油耗參數(shù)測量方法的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011， 28（011）：339-342.

[3]可尚基，錢曉東.基于AVL CRUISE的客車經(jīng)濟(jì)性仿真分析及驗(yàn)證[J].客車技術(shù)與研究，2021，43（02）：32-34.