基于部件稳态特性数据的车辆油耗仿真精度分析

张雪钊

摘 要：车辆油耗仿真作为整车性能开发的基础，已经成为性能开发前期评估车辆性能的主要手段。为了提升车辆油耗仿真的精度，对影响油耗仿真精度的因素进行了分析。对发动机万有特性数据的数据密度、仿真步长和电机效率数据分别进行分析，通过对多组数据分别进行实际仿真并分析数据，得出了各个因素对油耗结果的实际影响效果，可以为油耗仿真精度分析作定量参考。

关键词：油耗仿真精度 数据密度 仿真步长 电机效率 电机功率损失

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

当前车辆油耗仿真是依靠动力系统部件在稳态时测试得到的性能参数，通过插值计算连续数据点的性能值，最终获得车辆的油耗计算结果[1，2]。因此性能参数的选取和仿真参数的设置是影响车辆油耗仿真精度的关键因素。然而现在缺少对这些因素影响油耗仿真结果的定量研究，也就不能判定油耗仿真的精度。本文通过对发动机万有特性数据的数据密度、仿真步长和电机效率数据分别进行分析，利用多组数据分别进行实际仿真并分析数据，得出了各个因素对油耗结果的实际影响效果，可以为油耗仿真精度分析作定量参考。

1 发动机万有特性参数

发动机万有特性参数是计算车辆油耗的基础，一般以固定的转速和扭矩点进行稳态测试。以某款车型发动机万有特性数据的测试为例，转速一般选取固定间隔的整数，如1000、1500和2000等，扭矩也同样选择5、10、15等值，对于转速和扭矩采样间隔的数据则需要插值计算，由于特性参数的非线性特点，这种插值计算就不可避免的产生误差[3]。为了增加计算精度，可以通过增加采样点密度的方式完成，但这样必然会造成测试工作量的大幅增加。因此需要寻找计算精度和采样工作量的最优结合点，即满足计算精度的前提下减少采样密度。

下面通过计算多组不同采样密度的发动机万有特性参数值下的油耗仿真数据，探究部件性能参数对油耗精度的影响规律。

在发动机万有特性原始数据转速采集点的基础上，依次减少转速数值，并利用仿真软件进行油耗仿真计算，仿真结果如表1下：

原始发动机转速以400rpm为间隔、1000～5200为区间进行采样，当转速间隔增大到800rpm时，油耗结果与原始数据的误差在±1%左右;当转速间隔增大到1200rpm时，油耗结果与原始数据的误差在±2%左右。由此可以得出结论，如果由于条件限制无法获取转速间隔较小的发动机万有特性数据时，较大间隔万有特性数据的仿真结果可以在一定的误差范围内近似表征准确结果。

2 仿真步长设置

仿真步长对油耗仿真有着较大影响，仿真步长小，仿真精度较高，但计算量大，仿真时间延长;仿真步长大，仿真精度较低，但计算量小，仿真时间缩短。因此有必要研究不同仿真步长对车辆油耗仿真精度的影响，以平衡仿真精度和仿真时间的矛盾。

采用同一个仿真模型，从小到大设置不同的仿真步长，观察油耗仿真结果的变化。从结果可以看出，当仿真步长在0.02s以下时，仿真结果相同，此时减小仿真步长并不会得到更精确的油耗结果;当仿真步长从0.02s逐渐增大时，油耗结果开始出现变化，油耗数值与精确值的误差越来越大。由此可以得出结论，为了获得较为精确的油耗仿真精度，仿真步长设置一般应小于0.02s，同时为了不过多的延长仿真时间，一般可以設置0.01s的仿真步长为宜，见下表2。

3 电机效率参数

表征电机经济性的指标一般有两种表达方式，电机效率和功率损失，两种表达方式均是以电机转速和扭矩为横纵坐标的二维矩阵数据。电机效率定义如下：

式中：

PowerElectric：电功率;

PowerLoss：功率损失;

PowerMechanical：机械功率;

n：电机转速;

Tq：电机扭矩;

U：电机母线电压;

I：电机母线电流。

即电机工作时消耗的电功率与自身损失功率之差与电功率之比，也就是电机输出的机械功率和消耗的电功率之比。

从公式上看，电机效率和功率损失可以相互转化，二者没有区别，但这是在电机正常以一定转速和扭矩运行时的情况。当电机处于有转速没有扭矩的空转状态时，此时计算的电机效率为0，用效率无法计算电机的能量消耗。但是由于反电动势的存在，电机是有一定的能量消耗的，此时电机能量消耗需要用功率损失的数据才可以计算。值得注意的是，车载电机出现空转的情况一般出现在混合动力汽车上，纯电动汽车车载电机一般只工作在驱动和制动回收的工况。如图所示的功率分流式混合动力汽车动力系统，在发动机单独驱动车辆的情况下MG2电机仍然需要随转，即电机处于空转状态[4]。

下面对比电机采用效率数据和功率损失数据进行油耗仿真的差异。电机效率和功率损失如图所示，可以看出在电机扭矩接近0的区域，电机效率无法计算数值，而电机功率损失可以给出正常的参数，这将给油耗仿真计算带来差异。

油耗仿真结果可以看出，使用电机功率损失数据进行仿真要比使用电机效率数据变差0.6%，两者的具体差异原因通过仿真数据对比分析。仿真数据显示，两次仿真电机的转速和扭矩完全相同，在电机以正常转速和较大扭矩运行时，电机的效率和功率损失也是重合的。但是当电机以较高转速运行，而扭矩在0Nm附近波动时，两者出现较大差异。差异表现在使用效率数据仍然会计算出一个较高的效率，电机功率损失小;而使用功率损失数据，直接查表获取功率损失数据，此时反算的效率数据明显降低。根据工程经验，功率损失数据更加符合实际测试结果，因此使用电机效率数据会使车辆油耗仿真结果产生误差。

4 结语

通过对影响车辆油耗仿真精度的因素进行分析，得出如下结论：

（1）发动机万有特性数据的转速采样点的密度影响油耗仿真精度。当转速间隔增大到800rpm时，油耗结果与原始数据的误差在±1%左右;当转速间隔增大到1200rpm时，油耗结果与原始数据的误差在±2%左右。如果由于条件限制无法获取转速间隔较小的发动机万有特性数据时，较大间隔万有特性数据的仿真结果可以在一定的误差范围内近似表征准确结果。（2）为了获得较为精确的油耗仿真精度，仿真步长设置一般应小于0.02s，同时为了不过多的延长仿真时间，一般可以设置0.01s的仿真步长为宜。（3）功率损失数据更加符合实际测试结果，使用电机效率数据会使车辆油耗仿真结果产生误差，油耗值一般略低于功率损失数据计算值。

影响车辆油耗仿真精度的因素还有很多，如电池的内阻和开路电压数据、变速箱的效率数据、车辆阻力数据等等，其详细影响可以进行更多研究，以便提升油耗仿真精度，增强油耗仿真能力。

项目：2021年衢州市科技攻关指导性项目：新能源汽车动力经济性虚拟仿真关键技术研究（2021061）。

参考文献：

[1]梁玮，满兴家，王伟.某前置前驱车油耗一致性的試验与仿真[J].汽车安全与节能学报，2019，010（003）：374-382.

[2]黄晓峰，彭远芳.汽车油耗参数测量方法的应用研究[J].计算机仿真，2011， 28（011）：339-342.

[3]可尚基，钱晓东.基于AVL CRUISE的客车经济性仿真分析及验证[J].客车技术与研究，2021，43（02）：32-34.