CN117688786A - 单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，能够优化能量消耗和提升驾驶体验，属于能量流分析技术领域。该方法包括步骤：分析单电机集中前驱式纯电汽车整车架构，分析各系统内部能量流存在形式和流动路径和系统内部各个部件的能量模型；进行能量流试验，通过试验结果将各系统理论分析模型中待定参数确定，得到整车能量流模型和控制策略；基于整车能量流模型，设置循环工况和温度，对仿真结果进行分析。本发明旨在提高对整车动态能量流分析精度，将电能、机械能和热能形式在内的耦合起来一同考量。本发明的整车能量流模型是实车的数字化模型，可将实车控制策略标定通过仿真进行，降低时间和经济成本，避免发生人身伤害。
Description
技术领域
本发明涉及能量流分析技术领域，特别涉及一种单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法。
背景技术
近年来，新能源电动汽车保有量比例稳步提升。单电机集中前驱式纯电汽车，相比于燃油车辆，其具有结构相对简单、经济性高、乘坐空间大的优势，已成为中小型电动乘用车的常用架构。而大多数中小型乘用车设计的关注重点在于能耗，因此对单电机集中前驱式架构的整车能量利用及回收的分析和研究尤为重要。
然而，不同于传统的燃油车辆燃料化学能-机械能的单向传递，纯电汽车能量形式存在电能、机械能及热能的相互耦合，能量流动路径和转化方向复杂。如今涉及到的整车能量流分析和研究较少，缺少明晰的整车能量架构和精确的能量模型，对于优化能量消耗和提升驾驶体验的理论模型可靠性低，难以针对各部件耗能情况提出优化能量控制策略以降低整车能耗。
发明内容
本发明要解决现有技术中对于优化能量消耗和提升驾驶体验的理论模型可靠性低，难以针对各部件耗能情况提出优化能量控制策略以降低整车能耗的技术问题，提供一种单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，包括以下步骤：
步骤1、分析单电机集中前驱式纯电汽车整车架构，分析各系统内部能量流存在形式和流动路径和系统内部各个部件的能量模型；
步骤2、针对某个未知特性部件或系统进行能量流试验，通过所得的试验结果将各系统理论分析模型中的待定参数确定，得到整车能量流模型，提出控制策略；
步骤3、基于整车能量流模型，通过设置不同循环工况和温度，对仿真结果进行分析，定位能量利用率低的部件和能量路径，提出对部件和控制策略针对化改进建议。
在上述技术方案中，步骤1的具体过程如下：
分析单电机集中前驱式纯电汽车整车架构内部的能量存在形式和流动路径，通过分析各系统之间的能量关系，建立起电能、机械能和热能耦合的能量架构；通过对部件进行理论分析，搭建含有各因素权重待定参数的能量模型。
在上述技术方案中，步骤2的具体过程如下：
将实车能量流路径上布置各类传感器，选择工况进行整车能量流试验，通过整车台架试验或通过搭载T-BOX数据采集器的车辆进行试验；
通过整理实验所得的统计数据确定理论分析能量模型待定参数，提高所得能量流模型的精度和可靠性，得到整车能量流模型，并提出初步控制策略，完成对整车能量系统数字化建模。
在上述技术方案中，单电机集中前驱式纯电汽车整车架构包括：电气系统、热管理系统和动力系统。
在上述技术方案中，电气系统包括：高压动力电池、分电器、电机控制器、驱动电机、DCDC模块、低压蓄电池、空调系统及附加电子设备；
热管理系统包括：电池温度管理系统、电驱动回路冷却系统、空调系统及散热系统；
动力系统包括：驱动电机、减速器、差速器、车轮及液压制动系统。
在上述技术方案中，进行整车能量流试验时，选择的工况为：中国乘用车驾驶循环CLTC-P工况，欧洲的续航测试标准NEDC工况或全球轻型车测试循环WLTC工况。
在上述技术方案中，所述能量流试验的数据根据电压电流传感器或功率分析仪得到。
本发明具有以下有益效果：
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，基于能量流理论，对纯电汽车电制动优先的控制策略中电池-车轮-电池这一电能和动能相互转化的能量关键路径进行闭环分析，考虑能量路径上的能量传递和转化效率，得到能量流基本模型；
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，将整车架构的电气系统、动力系统及热管理系统通过存在能量形式转换的关键部件耦合起来，对不同能量系统的节点部件进行精确建模，考虑电能、机械能及热能的相互转化效率和能量流动方向，可得到包含整车所有能量形式的能量流模型架构；
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，通过各部件或整车能量流试验，通过传感器采集到的数据对系统基本能量模型参数进行修正和验证，将理论分析和实验所得数据一同参与能量系统建模，提高整车能量流模型的精确性和可靠性；
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，基于提出的整车能量流模型，定位需要结构优化的能量部件、提出优化的能量控制策略，通过在不同行驶工况下的整车能量流试验得到仿真结果来验证控制策略的有效性，可对不理想的能量表现节点提出针对优化建议，以此循环得到理想的整车能量控制策略，将迭代后成熟的控制策略应用于实车。整车能量流数字化模型可缩短软件开发周期，降低经济成本，获得高效的能量流动路径，提高纯电汽车的续驶里程。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为单电机集中前驱式纯电汽车架构电气系统图；
图2为单电机集中前驱式纯电汽车架构热管理系统图；
图3为单电机集中前驱式纯电汽车架构动力系统图；
图4为单电机集中前驱式纯电汽车架构动力系统理论模型图；
图5为本发明整车能量流试验电压电流传感器布局图；
图6为本发明单电机集中前驱式纯电汽车架构整车能量流模型图。
具体实施方式
本发明的发明思想为：本发明提供了一种单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，将实车能量流闭环系统进行数字化建模，通过不断仿真优化能量控制策略，使单电机集中前驱式纯电汽车行驶在各个工况下时，都能够保持较高的能量利用率和最低能耗，提高车辆的续驶里程。
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，包括以下步骤：
步骤1、分析单电机集中前驱式纯电汽车整车架构，分析各系统内部能量流存在形式和流动路径和系统内部各个部件的能量模型；
步骤2、针对某个未知特性部件或系统进行能量流试验，通过所得的试验结果将各系统理论分析模型中的待定参数确定，得到整车能量流模型，提出控制策略；
步骤3、基于整车能量流模型，通过设置不同循环工况和温度，对仿真结果进行分析，定位能量利用率低的部件和能量路径，提出对部件和控制策略针对化改进建议。
进一步的，步骤1具体为：分析单电机集中前驱式纯电汽车整车架构内部的能量存在形式和流动路径，通过分析各系统之间的能量关系，建立起电能、机械能和热能耦合的能量架构；通过对部件进行理论分析，搭建含有各因素权重待定参数的能量模型。
进一步的，步骤2具体为：将实车能量流路径上布置各类传感器，选择工况进行整车能量流试验，通过整车台架试验或通过搭载T-BOX数据采集器的大量现有车辆进行试验；通过整理实验所得的统计数据确定理论分析能量模型待定参数，提高所得能量流模型的精度和可靠性，得到整车能量流模型，并提出初步控制策略，完成对整车能量系统数字化建模。
单电机集中前驱式纯电汽车整车架构包括：电气系统、热管理系统和动力系统。电气系统包括：高压动力电池、分电器、电机控制器、驱动电机、DCDC模块、低压蓄电池、空调系统及附加电子设备；热管理系统包括：电池温度管理系统、电驱动回路冷却系统、空调系统及散热系统；动力系统包括：驱动电机、减速器、差速器、车轮及液压制动系统。进行整车能量流试验时，选择的工况为：中国乘用车驾驶循环CLTC-P工况，欧洲的续航测试标准NEDC工况或全球轻型车测试循环WLTC工况。所述能量流试验的数据根据电压电流传感器或功率分析仪得到。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，包括以下步骤：
步骤1，分析单电机集中前驱式纯电汽车整车架构，分析各系统内部能量流存在形式和流动路径和系统内部各个部件的能量模型；
单电机集中前驱式纯电汽车构型主要由电气系统、热管理系统和动力系统三大部分构成，通过分析各系统及系统之间的能量关系，为后续实验提供基础结构模型。
如图1，所述单电机集中前驱式纯电汽车架构电气系统分析，包含高压动力电池、分电器、电机控制器、驱动电机、DCDC模块、低压蓄电池、空调系统及各种附加电子设备等。高压动力电池能量大部分用来驱动电机输出扭矩，同时，电池PTC和液冷温控系统消耗电池较多能量；一部分通过降压模块产生24V或12V供电网络，为车载控制器、车身电子设备、各类传感器及执行器供电，剩余能量为低压蓄电池充电。当车辆制动时，整车能量流以机械能-电能的转化形式给电池充电。
如图2，所述单电机集中前驱式纯电汽车架构热管理系统由电池温度管理系统、电驱动回路冷却系统、空调系统及散热系统构成。整车冷却液管路将这些系统连接起来，目的是最大程度利用各部分产生的热量，减少电能-热能的单向能量转化。理清各部分热量利用的耦合关系，解析热管理系统的控制策略。
如图3，所述单电机集中前驱式纯电汽车架构动力系统由包含驱动电机、减速器、差速器、车轮及液压制动系统等部件构成，驱动电机通过减速器、差速器将扭矩传递给两侧前轮，驱动车辆行驶。此系统能量行驶为机械能，包括车辆平移部件和旋转部件的动能以及车辆的重力势能，研究车辆在频繁上下坡能量流工况时，重力势能属于可回收能量。车辆在行驶时在外界行驶阻力作用下损失较多能量。能量回收时，将车辆直线动能、传动系统的转动惯性势能通过电机转换为电能回收。为了最大效率回收能量，优先选择电机制动，当电机制动强度达不到整车制动减速度时，液压制动系统才会参与，转换为热能耗散且不能被热管理系统利用，所以建模时优先使用电机制动。
步骤2，针对某个未知特性部件或系统进行能量流试验，通过所得的试验结果将各系统理论分析模型中的待定参数确定，得到整车能量流模型，提出控制策略；
根据上述对单电机集中前驱式纯电汽车整车架构能量结构分析，对部分需要理论分析的部件进行建模，充分考虑各个影响因素，设定模型各因素权重待定参数，得到含未知参数的理论基本能量模型。
如图1，对于电气系统，涉及到的电子元器件种类复杂且存在电磁能量耦合，难以通过理论分析得到待定参数模型，因此，对于低压系统中控制器、传感器及车身电子设备等小功率耗电器件，相较于整车高压网络部件，对整车能量流分析影响较小，采用器件手册中表明的标准功耗确定，而在高压系统中，动力电池、分电器、电机控制器、中央驱动电机、DCDC降压模块以及空调系统等耗电量大且功耗随工况变化大的器件，传统的根据理论分析确定理论模型难以拟合各种因素带来的影响，与实际功耗差别较大，直接通过单个部件的台架试验采用电压电流传感器或功率分析仪得到该部件的外特性，包含电压、电流、温度、输出扭矩等数据的外特性曲线，建立这些部件的插值模型。
如图4，对于动力系统，整车动力系统能量流主要考虑驱动电机-车轮-电机动力链上的能量传递和机械损失，以及车辆行驶时受滚动阻力、空气阻力产生的能量损失和受坡道阻力、加速阻力产生的能量转换。同时，对于传动链的扭转刚度、扭振吸收的能量需要通过轴和齿轮的刚度确定在特定工况下的能量损失。
根据车辆行驶方程：
； （1.1）
式中，为轮胎驱动力，为滚动阻力，为空气阻力，为坡道阻力，为加速
阻力。
为了更加真实得到车辆行驶时所需驱动力，同时简化所需确定的参数，根据滚动阻力Ff和空气阻力Fw与车速ua关联，坡度阻力Fi与坡度i关联，建立关于车速二次多项式的车辆驱动方程为：
；（1.2）
式中，为轮胎驱动力，为行驶道路坡度，为车速，A、B、C、D、E为待定常量。t为
时间。
如图2，热管理系统包含电池热管理系统、空调系统以及高压驱动系统，相较于电气系统，热管理系统中各系统之间进行热能的传递，同时，各部件时刻向大气环境中散失热量，热能形式的能量流精确值难以获取。
电池产热量为：
；（1.3）
式中，为电池放电时产生的热量，/>为放电电流，/>为电池内阻，是放电电流、电池温度及电池状态SOC的函数。电池内阻R需要通过电池外特性进行对上述参数的标定。
对于热管理系统中的电池PTC等纯产热部件，理论产生热量为：
；（1.4）
式中，为PTC电池加热部件产生的热量，/>为PTC电池加热部件消耗的电流，为PTC电池加热部件的加热线圈阻值。
对于驱动电机在电能转换为机械能过程中，产生热量为：
；（1.5）
式中，为驱动电机产生的热量，/>为电机输入电能，/>为电机输出功率，/>、/>分别为电机两端的电压和电流，/>为输出转矩，/>为电机转速。
由于电机控制器中的IGBT、续流二极管以及直流支撑电容等功率损耗器件，理论模型建立难度大，电机控制器和DCDC模块本身耗能都转换为热量，可由输入能量与输出能量之差表示为：
；（1.6）
式中，为电机控制器产生热量，/>、/>分别为电机控制器两端的电压和电流，/>、/>分别为电机两端的电压和电流。
由于车辆行驶工况复杂多变，冷却液吸收和释放热能以及冷却液在管路中流动时的热量保留效率都是会因为很多因素而改变，对热管理系统中的热能流动途径影响很大。为精确建立热管理系统模型，需要得到真实的热量传递和利用效率。
各部件产生的热量传递到冷却液中时，产热部件内表面与冷却液的温差、产热部件外表面与外界大气的温差、部件冷却内表面积及冷却液流速都会影响传递效率，效率为：
；（1.7）
式中，为冷却液吸收产热部件热量的效率，/>为产热部件与冷却液的温差，为产热部件与外界大气的温差，/>为冷却管路在部件内部的表面积，/>为冷却液流动速度。其中，冷却液类型决定着冷却液的黏度和比热容，由于热管理系统参数标定时冷却液类型特定，无需考虑类型因素，更有利于实际工程应用。
由于冷却液在管路中流动时也存在与外界大气之间的热量交换，且与温差、冷却管路结构及冷却液流速相关，能量传递效率为：
；（1.8）
式中，为冷却液在冷却管路流动时的热量传递效率，/>为冷却液与外界大气的温差，/>为冷却液流动速度，/>分别为流经冷却管路的直径、壁厚和长度。
同时，当管路中的热量需要被部件利用时，存在热量提取效率，这与温差、冷却液腔内表面积及冷却液流速有关，可利用效率为：
；（1.9）
式中，为冷却液吸收产热部件热量的效率，/>为吸热部件与冷却液的温差，/>为吸热部件与外界大气的温差，/>为冷却管路在部件内部的表面积，/>为冷却液流动速度。同样，与冷却液吸收产热部件热量相同，由于冷却液类型不变，无需考虑该因素。
例如当高压动力电池温度低时，能得到的热量为：
；（1.10）
式中，为电池获取的热量，/>、/>及/>分别为驱动电机、DCDC模块及电机控制器工作时产生的热量，QPTC为工作产生的加热能量，/>、/>、/>为冷却管路吸收驱动电机热量、DCDC模块产生热量及电机控制器产生热量的效率，/>为热量从驱动部件管路节点流动到电池PTC模块管路节点的热量输送效率，/>为冷却管路吸收电池PTC热量的效率，/>为电池对流经的冷却管路中热量的利用效率。
为了得到上述车辆整车能量流理论基础结构模型待定参数，得到各系统能量流路径和各部件的性能，需要对实车特定的系统和部件进行能量流试验，通过得到的数据对上述分析进行修正和标定，以确保所得能量流模型的精度和可靠性。
进一步地，所述能量流试验是通过搭载T-BOX数据采集器的大量现有车辆作为试验平台进行整车测试，得到统计样本，通过这些数据可以得到能量利用效率低的部件和路径，重点关注能耗较高的节点，从而寻找最优能量转换和传递的能量流路径，在不损失车辆驾驶性能和乘员体感舒适度前提下，提出更优能量路径控制策略。
如图5，电气部分的电压电流传感器设置点，可得到一段时间内各部件的输入和输出能量，从而得到各部件的能耗，为进一步分析各部件能量消耗占比和优化能量流传输路径提供真实数据支撑。
高压动力电池输出能量为：
；（1.11）
式中，为高压动力电池输出能量，为高压动力电池端电压，为高压动力
电池的输出电流。t为时间。
空调系统耗能为：
； （1.12）
式中，为高压动力电池输出能量，为高压动力电池端电压，为高压动力
电池的输出电流。t为时间。
DCDC降压模块输入能量为：
；（1.13）
式中，为DCDC能耗，为高压动力电池端电压，为高压动力电池的
输出电流。t为时间。
驱动电机输入能量为：
；（1.14）
电机控制器耗能为：
；（1.15）
进一步地，在能量流路径上布置电压传感器、电流传感器和功率分析仪等各类能量传感器，通过整车台架试验或采用搭载T-BOX数据采集器的大量现有车辆作为试验平台，选择中国乘用车驾驶循环CLTC-P工况，欧洲的续航测试标准NEDC工况，全球轻型车测试循环WLTC工况进行整车能量流试验。
进一步地，通过能量流试验所得数据进行统计分析，结合已有理论能量基础模型，确定模型内的待定参数，从而确定各因素影响占比，建立整车能量流模型，将整车能量流数字化，同时根据已知各因素权重对提出初步能量控制策略。
步骤3、基于整车能量流模型，通过设置不同循环工况和温度，对仿真结果进行分析，定位能量利用率低的部件和能量路径，提出对部件和控制策略针对化改进建议；
如图6，为了验证所提出控制策略的效果，基于确定参数的整车能量流模型，通过设置不同循环工况和温度，对仿真结果进行分析，定位能量利用率低的部件和能量路径，综合考量三大系统的能量需求，以最小的能量损失为宗旨，得到最佳能量传递和转化路径，提出整车能量优化建议，从整车能量流角度对各系统部件结构和控制策略提出针对化改进建议。
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，基于能量流理论，对纯电汽车电制动优先的控制策略中电池-车轮-电池这一电能和动能相互转化的能量关键路径进行闭环分析，考虑能量路径上的能量传递和转化效率，得到能量流基本模型；
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，将整车架构的电气系统、动力系统及热管理系统通过存在能量形式转换的关键部件耦合起来，对不同能量系统的节点部件进行精确建模，考虑电能、机械能及热能的相互转化效率和能量流动方向，可得到包含整车所有能量形式的能量流模型架构；
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，通过各部件或整车能量流试验，通过传感器采集到的数据对系统基本能量模型参数进行修正和验证，将理论分析和实验所得数据一同参与能量系统建模，提高整车能量流模型的精确性和可靠性；
本发明的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，基于提出的整车能量流模型，定位需要结构优化的能量部件、提出优化的能量控制策略，通过在不同行驶工况下的整车能量流试验得到仿真结果来验证控制策略的有效性，可对不理想的能量表现节点提出针对优化建议，以此循环得到理想的整车能量控制策略，将迭代后成熟的控制策略应用于实车。整车能量流数字化模型可缩短软件开发周期，降低经济成本，获得高效的能量流动路径，提高纯电汽车的续驶里程。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、分析单电机集中前驱式纯电汽车整车架构，分析各系统内部能量流存在形式和流动路径和系统内部各个部件的能量模型；
步骤2、针对某个未知特性部件或系统进行能量流试验，通过所得的试验结果将各系统理论分析模型中的待定参数确定，得到整车能量流模型，提出控制策略；
步骤3、基于整车能量流模型，通过设置不同循环工况和温度，对仿真结果进行分析，定位能量利用率低的部件和能量路径，提出对部件和控制策略针对化改进建议。
2.根据权利要求1所述的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，其特征在于，步骤1的具体过程如下：
分析单电机集中前驱式纯电汽车整车架构内部的能量存在形式和流动路径，通过分析各系统之间的能量关系，建立起电能、机械能和热能耦合的能量架构；通过对部件进行理论分析，搭建含有各因素权重待定参数的能量模型。
3.根据权利要求1所述的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，其特征在于，步骤2的具体过程如下：
将实车能量流路径上布置各类传感器，选择工况进行整车能量流试验，通过整车台架试验或通过搭载T-BOX数据采集器的车辆进行试验；
通过整理实验所得的统计数据确定理论分析能量模型待定参数，提高所得能量流模型的精度和可靠性，得到整车能量流模型，并提出初步控制策略，完成对整车能量系统数字化建模。
4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，其特征在于，单电机集中前驱式纯电汽车整车架构包括：电气系统、热管理系统和动力系统。
5.根据权利要求4所述的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，其特征在于，
电气系统包括：高压动力电池、分电器、电机控制器、驱动电机、DCDC模块、低压蓄电池、空调系统及附加电子设备；
热管理系统包括：电池温度管理系统、电驱动回路冷却系统、空调系统及散热系统；
动力系统包括：驱动电机、减速器、差速器、车轮及液压制动系统。
6.根据权利要求3所述的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，其特征在于，进行整车能量流试验时，选择的工况为：中国乘用车驾驶循环CLTC-P工况，欧洲的续航测试标准NEDC工况或全球轻型车测试循环WLTC工况。
7.根据权利要求3所述的单电机集中前驱式纯电汽车整车能量流闭环分析研究方法，其特征在于，所述能量流试验的数据根据电压电流传感器或功率分析仪得到。
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