能耗仿真的案例
增程式電動汽車能耗測試仿真試驗研究
摘 要：增程式電動汽車采用與傳統混合動力電動汽車同樣的能耗測試標準，但二者在工作原理和系統構架等方面存在顯著差異。通過搭建增程式電動汽車仿真模型，采用全球統一的輕型車測試循環（WLTC）工況進行電量消耗模式（CD）和電量保持模式（CS）的能耗仿真試驗，再基于實車試驗室數據對仿真模型進行對比驗證。最后，開展采用中國輕型汽車行駛工況（CLTC）的能耗仿真試驗，分析增程式電動汽車在兩種不同工況下的能耗表現。結果表明：采用仿真手段能較好地實現對增程式電動汽車的能耗測試，且綜合結果與試驗室數據較為相符，采用CLTC工況的能耗測試表現要顯著優于WLTC工況的能耗測試表現。
關鍵詞：增程式電動汽車;能耗測試;仿真試驗;循環工況;純電利用系數;
引言
隨著能源和環境問題的日趨嚴峻，新能源汽車成為國家政策和汽車行業關注的重點[1,2]。作為傳統燃油車型和純電動汽車的過渡車型，混合動力電動汽車兼具長續航和低能耗等特點，并衍生出各種構架方案[3,4,5]。其中，增程式電動汽車將發動機和發電機結合為增程器，再匹配動力電池、驅動電機以及控制系統，具備短距離純電行駛模式和長距離增程行駛模式，保證發動機在工作時始終位于最高效率點，燃油經濟性達到最高，對整車的能耗和排放水平的降低尤為明顯[6,7]。同時，由于發動機不直接參與驅動系統，省去了變速箱等機械結構，由驅動電機直接驅動，整體結構更加簡單，故障率低，還具備了純電動汽車的高加速性能，成為現階段新能源汽車的重要發展方向之一[8]。
目前，針對增程式電動汽車的能耗研究，主要集中在增程器的匹配設計和優化、整車能量管理策略和智能算法，以及新型儲能系統的研究等方面，嘗試從不同的角度來降低增程式電動汽車的能耗水平[9,10,11]。但目前的這些研究內容，對能耗水平的評價方法不一，且多以單一的仿真手段開展。
展開 利用流體仿真優化泵的能耗
在最終分析中，流體流動仿真將效率提高了50%。對于客戶來說，泵消耗的電量更少，需要的維護費用更低。CP Pumps 董事長表示：“去年，我們更換了兩臺大型熱交換機油泵。這可以顯著節約能源，以至于在一年之內就收回了成本。”隨著泵液壓效率的提高，能耗也得到相應降低，能幫助CP Pumps 的客戶實現可持續性目標。利用ANSYS CFX 優化的液壓組件能確保高效性，與特殊的無渦流容器單元配合使用，每年可節約數千歐元的功耗費用。
完成后的泵
美國北卡羅來納州實驗室使用主動式冷梁可減少20%能耗
AEI隨后利用確定的冷梁容量和通風要求得出實驗室年能耗仿真。能量仿真不僅包含對冷梁和通風系統的描述，也包括年運營進度表、內部負荷和氣候數據。能量分析表明，與基于美國采暖、制冷與空調工程師協會(ASHRAE)標準90.1-2004的常規設計相比，實驗室暖通與散熱系統能耗比之基準低20%。這些改進在新實驗樓的能效設計中至關重要，該項目被美國綠色建筑協會指定在竣工后將獲得銀獎，并由美國能源與環境先導計劃(LEED)領導。
純電動輕型載貨車電驅橋參數匹配及仿真分析
表5 動力電池參數
3 仿真分析
3.1 系統建模
AVL CRUISE軟件是用于研究車輛動力性、燃油經濟性、排放性能與制動性能的高級仿真分析工具。基于CRUISE平臺，參照整車參數以及選定的電驅橋系統和動力電池，建立整車模型。整車模型完成后，建立部件模塊之間機械連接與數據信號之間電氣連接。最終純電動輕型載貨車整車系統仿真模型如圖2所示。
圖2 純電動輕型載貨車系統仿真模型
3.2 仿真分析
3.2.1 電驅橋傳動比的仿真分析
首先通過CRUISE模型分別仿真運算，分析不同電驅橋傳動比取值下車輛模型的動力性和經濟性，確定最優傳動比。根據驅動電機參數及電驅橋傳動比的選取計算公式，確定取值范圍并間隔取值，進行仿真分析，具體結果如表6。
表6 不同傳動比仿真結果
根據藍牌輕型載貨車高速最高限速要求為100 km/h，故傳動比大于16.19的變速器不適合目標車型實際使用需求；結合行業競爭產品功性能指標和輕型載貨車場景工況特征，輕型載貨車應滿足最大爬坡度大于30%的要求，故i不小于14.70。通過仿真數據結果分析，傳動比越小，車輛40 km/h等速工況下電能消耗率越小，越有利于E kg目標的達成。且傳動比取值14.50～15.00時，車輛0～80 km/h加速性能最優。結合現有體系資源、成本和性能需求，故最終選定電驅橋的最優傳動比為14.70。
3.2.2 經濟性仿真分析
仿真數據40 km/h等速能耗為222.9 W·h/km，詳見表7。
表7 40 km/h等速工況能耗仿真數據
仿真數據C-WTVC工況能耗為323.5 W·h/km，詳見表8。
表8 C-WTVC工況能耗仿真數據
經計算E kg為0.263 W·h/km·kg，均滿足目標車型經濟性設計要求，見表9。
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純電動輕型載貨車電驅橋參數匹配及仿真分析
表7 40 km/h等速工況能耗仿真數據
仿真數據C-WTVC工況能耗為323.5 W·h/km，詳見表8。
表8 C-WTVC工況能耗仿真數據
經計算E kg為0.263 W·h/km·kg，均滿足目標車型經濟性設計要求，見表9。
表9 經濟性仿真結果
3.2.3 動力性仿真分析
最高車速：在電機轉速11 407 r/min時，車輛達到最高車速110 km/h，如表10。
表10 最高車速仿真數據
最大爬坡度：最大爬坡度為30.2%，在電機恒轉矩區間獲得；10 km/h和50 km/h最大爬坡度分別為29.86%和15.17%，見圖3。
圖3 爬坡度仿真數據
加速性能：0～80 km/h加速時間為12.7 s，見圖4。
圖4 加速性能仿真數據
根據以上動力性仿真結果，目標車型電驅橋系統滿足動力性設計要求，見表11。
表11 動力性仿真結果
4 結束語
根據仿真結果，該電驅橋系統能夠滿足GB/T 18386—2017規定的E kg不大于0.27 W·h/km·kg的設計目標；滿足GB/T 18385—2005規定的動力性設計指標。且相比M-2019車型電驅動系統能夠降低物料（BOM）成本2 000元左右，降低質量100 kg左右，驅動效率提升4%。并且動力性相比電機直驅方案提升6%以上。
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展開 純電驅動車輛動力總成的優化與比較研究
因此，本文基于上述三個方面的述求，分別建立了與之相關的一系列仿真模型。
對于車輛動力性能仿真模型，本課題基于表1中所設定的6項車輛動力性能要求，分別建立了相對應的車輛動力性能仿真模型。選用MATLAB/Simulink 軟件作為建模工具，采用基于前向仿真的建模方法，使得整個仿真模型更加趨向真實情況。在所搭建的仿真模型中，分別包括有駕駛員模型、整車控制模型、驅動電機模型、傳動系模型、車輛動力學模型及電池組模型。其中選用 Nissan Leaf 進行了模型的驗證與能量流分析。
為了計算電動汽車的使用成本，本文根據國家標準GB/T 18386-2005《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》，建立了基于NEDC駕駛循環工況整車能耗計算仿真模型。類似于車輛動力性能仿真模型，在其所擁有的模塊的基礎上，在增加了駕駛循環模型和能耗計算功能。本文電動汽車充電效率記為80% 。
對于各種不同的動力總成拓撲結構而言，其傳動系（包括減速器和半軸等）基本組成部件相對固定，通過市場調研確定為固定值。驅動電機的計算成本主要由子系統層級完成并上傳至系統層級。而對于電池包的制造成本，以 3000元/kWh記。電池包一次充滿電，需要支持車輛行駛80km距離。因此，對于能耗越低的動力總成拓撲結構而言，除車輛的使用成本會較低外，其電池組部分的制造成本也會相對較小。
3 子系統/部件層級優化問題
在子系統/部件層級，主要處理驅動電機的優化設計，使其即滿足車輛驅動性能的要求，又使得其制造成本最小化。
3.1 優化模型
在子系統/部件層級中，不同于系統層級需要處理復雜的仿真模型。因此，選用了序列二次規劃（Sequential Quadratic Programming，簡稱SQP）算法作為優化算法。
展開 Simcenter STAR-CCM+流道拓撲優化技術方案
Simcenter STAR-CCM+ 不僅僅是 CFD 求解器，可以用于管路的流量、流速、壓力、液動力等求解，還是一個集成式的多物理場仿真平臺，用于解決涉及（流體或固體的）流、熱傳遞和應力等多學科耦合問題。
通過STAR-CCM+、NX進行零部件輕量化設計
03
一個來自用戶的工程實踐
下面視頻展示的是EDAG（總部位于瑞士的工程服務提供商）利用Simcenter STAR-CCM+仿真模擬助力產品創新的故事。這里展示的是新能源汽車電池組中的冷卻管道仿真與設計。冷卻系統需要確保電池在特定的工作溫度范圍內，并保持電池組內的溫差最小化。EDAG作為移動工程專家，在西門子的幫助下，成功利用增材制造和拓撲優化設計了更優的電池組水冷系統。此模擬是采用Simcenter STAR-CCM+中的拓撲優化工作流完成的，優化結果使進氣管的質量流量增加了6.4%（意味著更好的冷卻效率），出口管的壓降降低了46.9%（更低的能耗），整個仿真模擬在Simcenter STAR-CCM+中兩天完成。同時，他們還將該產品的典型開發時間縮短了50%。
當然，這種產品性能提升，工程創新不僅針對電池包，也可適用于其他的工業、行業應用。通過Simcenter STAR-CCM+這款多物理場仿真軟件，使客戶將更多的設計目標變成現實。
文章來源：STAR CCM online
展開 【熱管理】某純電動汽車空調采暖系統的仿真優化
針對于制熱系統相關部件的能耗分析，在控制策略以及余熱利用結構上的優化，能夠使PTC制熱系統的經濟性大幅提升。
3)該低溫制熱仿真模型有以下特點:環境溫度的升高降低了系統制熱負荷;合理地選擇控制策略可顯著降低系統制熱過程的能耗;車輛工況會影響低溫制熱，從制熱系統來講車輛運行速度越高，溫升越快，能耗越低。
文章來源:慧鏈汽車Link Auto
