基于多种工况的纯电动SUV 性能仿真分析

夏靖武 陈林 王凯 郑辉鹏

（汉腾汽车有限公司）

以能源供给方式为依据新能源汽车主要分为纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车[1]。在电动化、智能化、共享化和网联化，以及环保要求愈发严格的趋势下，电动化是汽车未来发展的方向。近两年随着技术进步以及禁售燃油车等相关政策的推动，纯电动更是成为各大车企研发的重点，新能源汽车产销量不断提升[2]。纯电动汽车的经济性能，受运行循环工况的影响较大。现有研究中，文献[3]和文献[4]利用高级车辆仿真软件（ADVISOR）里自带的循环工况，对纯电动汽车在欧洲ECE_EUDC 工况和美国UDDS 工况下进行了动力性与经济性仿真，并对2 种工况下的仿真结果进行了对比分析。文献[5]研究了某电动汽车在美国UDDS工况、日本10-15 工况及欧洲ECE_EUDC 工况等3 种循环工况下的经济性能，得到了ECE_EUDC 工况下续驶里程最长的结论。文献[6]借助MATLAB/Simulink 和ADVISOR 仿真软件，在欧洲ECE_EUDC 工况、美国UDDS 工况、日本10-50 工况以及50 km/h 匀速工况等4 种工况下仿真出纯电动汽车的续驶里程，分析了不同工况对续驶里程的影响。这些研究都是采用了ADVISOR 软件中常用的国际标准循环工况，具有一定的参考价值，但是对国内纯电动汽车法规定型试验和实际道路性能测试并不适用。基于以上问题，文章在MATLAB/Simulink 环境下搭建整车仿真模型，在3 种适应我国法规和实际道路情况的循环工况下，对研究车型进行续驶里程仿真分析，得到的续驶里程仿真结果更具工程实际上的参考意义。

1 整车与关键动力系统参数

研究车型依托于一款传统紧凑型SUV 进行电动化改造，其整车参数，如表1 所示。

表1 研究车型整车参数

动力性与经济性是电动汽车整车设计应满足的基本性能。动力性可用以下3 个指标来评价：最高车速、加速性能和最大爬坡度[7]。经济性常用续驶里程和能量消耗率来评价。研究车型的整车性能设计目标，如表2所示。

表2 研究车型的关键动力系统参数

2 循环工况对比分析

我国乘用车经济性能测试法规循环工况主要有3 种，即 NEDC 工况、WLTC 工况和 CLTC-P 工况[8]，3种循环工况的主要特征对比，如表3 所示。

表3 循环工况主要特征对比

NEDC 工况，即新欧洲驾驶循环工况，也被称为ECE_EUDC 工况。NEDC 工况是欧洲续航测试标准循环工况，主要在欧洲、中国、澳大利亚使用。NEDC 循环工况包含4 个市区循环和1 个郊区循环，总时长为1 180 s，总里程为11.007 km，最高车速为120 km/h。我国燃油乘用车国Ⅴ（含）以前的排放和2020 年5 月以前的纯电动乘用车续驶里程测试都采用此工况，目前燃油乘用车的油耗测试仍采用此循环工况。

WLTC 工况，即全球轻型车统一测试循环工况。是由联合国欧洲经济委员会牵头，欧洲、美国、日本等国众多专家联合研究，于2015 年正式编纂而成的。该工况已陆续在欧盟、印度、韩国、美国、日本等国家得到广泛的应用。WLTC 循环工况由低速段、中速段、高速段、超高速段4 部分组成，工况总共持续1 800 s，累计行驶里程为23.3 km，最高车速提升至131.3 km/h。工况要求的最高速度、平均速度、最大加减速度以及加减速度频率，相比NEDC 工况都有了较大提升，严格程度也有较大提升。我国燃油乘用车国Ⅵ排放和今后的油耗测试将采用此循环工况。

CLTC-P 工况，即中国乘用车行驶工况，是中国轻型汽车行驶工况中的乘用车适用部分。无论是NEDC工况还是WLTC 工况，都与我国实际道路工况相差较大，考虑到适合中国境内的能耗和排放标准的缺失，中国工信部下达了项目需求，由中汽研牵头、组织行业专家展开了为期3 年的中国工况调研开发，并于2019 年10 月25 日发布了正式标准：《中国汽车行驶工况第1部分：轻型汽车》（GB/T 38146.1—2019）。CLTC-P 循环工况包括低速（1 部）、中速（2 部）和高速（3 部）3 个速度区间，工况时长共计1 800 s，累计里程为14.48 km，最高车速为114 km/h。CLTC-P 循环工况在2020 年5 月1 日以后将作为我国纯电动乘用车续驶里程与能量消耗率测试的标准循环工况，替代原来的NEDC 工况。

3 建模与仿真分析

目前，ADVISOR 是全球汽车行业使用最为广泛的电动汽车仿真软件之一。凭借其独特的仿真模型以及模块化的特点，赢得了国内外汽车研究厂商、实验室以及大学的喜爱。但是ADVISOR 自2002 年被AVL 公司收购后没有再推出正式的更新版本，其内部的模型参数大都是近二十年前的数据，循环工况也是很早之前的一些主流工况，与当前我国乘用车行业采用的循环工况相差较大。

3.1 整车仿真模型的搭建

为了验证纯电动汽车在NEDC 工况、WLTC 工况和CLTC-P 工况等我国乘用车行业常用工况下的经济性能、避免ADVISOR 等汽车专业仿真软件自带工况不适用的缺点，本研究在MATLAB/Simulink 环境下重新搭建了一整套电动汽车整车仿真模型，其顶层模型结构，如图1 所示。

图1 纯电动汽车顶层仿真模型

该仿真模型全部采用Simulink 模块搭建，主要包括驾驶员模块、控制器模块、电池模块、附件模块、电机模块、主减模块、整车模块，以及时钟模块等。其仿真控制文件与数据文件全部采用MATLAB 脚本文件格式，运行模式文件包含了Power 动力模式、爬坡模式，以及NEDC 工况、WLTC 工况、CLTC-P 工况、60 km/h 匀速工况等循环模式。

3.2 经济性能仿真分析

将整车相关参数及零部件参数输入仿真模型，运行模式设置在循环工况模式，分别选择NEDC 工况、WLTC 工况、CLTC-P 工况，并设置好相应的加载质量，对研究车型（纯电动SUV）的续驶里程等经济性能进行仿真分析，仿真时的车速跟随曲线情况，如图2 所示。

图2 不同循环工况下的仿真车速跟随曲线图

显然上面各图中当前仿真车速与工况车速2 条曲线都基本重合，表明研究车型动力性符合跟随NEDC工况、WLTC 工况、CLTC-P 工况的要求，也初步验证了在MATLAB/Simulink 环境下搭建的纯电动仿真模型可以实现对上述3 种循环工况的续驶里程仿真分析。

研究车型在3 种循环工况下的总续驶里程与SOC值的变化情况，如图3 所示。图3 显示，研究车型在NEDC 工况、WLTC 工况、CLTC-P 工况等 3 种循环工况下SOC 值同样从满电状态运行到最低放电状态时，总续驶里程各不相同，总运行时间也各不相同。

图3 不同循环工况下的总续驶里程图

3.3 仿真结果分析

通过仿真分析，研究车型在NEDC 工况、WLTC 工况、CLTC-P 工况等3 种循环工况下的总续驶里程和能量消耗率等经济性能结果，如表4 所示。

表4 不同循环工况下的经济性能仿真结果

根据上述仿真结果分析可知，同一车型在不同循环工况下的经济性能差异明显。本研究车型在NEDC循环工况下的总续驶里程可达484 km，而在WLTC 循环工况下的总续驶里程仅为398 km，续驶里程降低了约17.8%。在CLTC-P 循环工况下的总续驶里程却能达到509 km，相比NEDC 工况续驶里程提高了约5.2%。这3 种循环工况中，最高车速与平均车速恰好是WLTC 工况高于 NEDC 工况，高于 CLTC-P 工况，由此可见，最高车速与平均车速是影响纯电动汽车续驶里程等经济性能的主要因素。此外，在进行纯电动汽车项目性能定义时，应考虑所采用的测试循环工况。如本研究中，若采用CLTC-P 工况，车型续驶里程可达到500 km 以上，而采用其他2 种工况，其续驶里程就不能达成该目标值。

4 结论

纯电动汽车续驶里程等经济性能受运行循环工况的影响明显，文章主要对比分析了NEDC 工况、WLTC工况、CLTC-P 工况等3 种国内常用循环工况的各项特征和参数，又以某型纯电动SUV 为研究对象，在MATLAB/Simulink 环境下搭建了适应国内常用循环工况的整车仿真模型，对研究车型进行了基于上述3 种循环工况的经济性能仿真分析。通过对比分析3 种工况下的续驶里程仿真结果，发现了循环工况中影响纯电动汽车经济性能的主要因素，并提出了纯电动汽车项目性能定义时应提前考虑循环工况的问题，为车型开发提供了理论依据和参考。