一种电动车基于工况的仿真预测方法与流程

1.本发明涉及电动车仿真试验技术领域，具体涉及一种电动车基于工况的仿真预测方法。


背景技术：

2.电动车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。纯电动汽车以电池代替燃油，以驱动电机代替内燃机，因此相较于传统燃油汽车，对环境影响更小。
3.为了确保电动车行驶的安全性、优化电动车性能，整车成批制造之前均需要对电动车内部结构、各个运行系统以及设备、零部件等进行试验，并根据试验数据调整设计，使其满足相关标准规定。其中，整车热害试验主要是对电动车在不同工况下，行驶过程中整车附近的电子元件、塑料件、隔音棉等部件的耐温性能进行测试，以保证该部分器件不会因为超过使用温度而缩短使用寿命，或者发生零部件烧坏、引发自燃等问题。
4.在产品项目开发前期，可以通过建立整车仿真模型，根据整车动力性目标计算初步确定驱动电机的性能参数，一般校核时着重于驱动电机型号能否满足整车性能目标，未考虑到驱动电机在整车环境中其自身的温升性能，从而也就无法判断该驱动电机在整车运行工况下产生的热量情况，以及对整车热害试验中温度贡献点，导致在后续整改中不便于项目计划有序推进，不利于整车性能的环境适应性及可靠性。
5.目前，有一种基于电动汽车实际行驶工况的永磁驱动电机温升分析方法，以在仿真模型中得到电动汽车实际行驶时，永磁驱动电机的温升随其实际工作工况变化的规律，该方法需要先获取实际电机的实际转矩和转速，将永磁驱动电机的实际工作工况作为仿真模型的输入后，再由仿真模型计算电动汽车行驶时永磁驱动电机的实际工作工况变化的规律，预测功能依旧不足。


技术实现要素：

6.本发明意在提供一种电动车基于工况的仿真预测方法，以通过对整车仿真测试中单独对驱动电机温升情况的分析，在实车试验前预测试验结果，从而降低测试成本。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电动车基于工况的仿真预测方法，包括以下步骤：
8.s1，根据电动车实际情况，确定驱动电机的参数，再根据驱动电机的参数确定驱动电机发热量q驱动电机；
9.s2，根据驱动电机发热量q驱动电机得到电机控制器的发热量q电控；
10.s3，根据q驱动电机和q电控确定得到冷却系统中散热器的散热量qmax；
11.s4，由散热量qmax计算得到电子水泵总成v、冷却液循环量vw、散热风量va以及散热器的散热面积s0；
12.s5，根据以上参数，搭建电动车整车仿真模型，电动车整车仿真模型包括冷却系
统、驱动电机电控系统；
13.s6，通过整车仿真模型，预测不同工况测试驱动电机在电动车行驶过程中温升情况，以及冷却系统的冷却性能，判断整车散热是否符合标准；若符合，则可进行下一步实车试验。
14.本方案的有益效果为：通过在先期设计环节中，根据电动车需求预确定一个驱动电机的型号，再根据型号设计冷却系统的冷却数值，搭建整车仿真模型，通过仿真模型模拟各种工况下冷却系统对驱动电机的冷却效果，预测当前型号下的驱动电机以及当前冷却系统的设计能否满足国家相关标准，即在实车进行热害试验之前对整车以及驱动电机的温升情况进行预测，降低测试成本。
15.1.仿真模型的测试方法具有成本低，效率高、灵活性强、实用性强、周期短，不受场地环境限制等优点，从而缩短了设计周期和设计成本，降低试制成本和试验成本，减小实车试验失败产生的损失，减少先期设计过程中资源的浪费。
16.2.在基于极限工况及国标工况下通过仿真模拟，通过数据处理分析及时反馈方案是否可行，在仿真模型测试中提前发现驱动电机选型问题以及冷却系统的问题，实现预测目的的同时，对整车性能优化及整车热害试验目标预测起到重要指导及参考意义。
17.3.在整车仿真测试中单独对驱动电机的温升情况进行分析，在实车试验前预测确定电动车温升情况，以便于进一步研究驱动电机与电动车温升情况之间的联系，从而加快电动车行业发展。
18.优选的，在s1中，驱动电机发热量q
驱动电机
＝(v*i/0.377r*torque/9550/eff1*(1-eff1))*i；式中：v为车速，i为减速比，r为轮胎半径，torque为扭矩，eff1为电机效率，i为换算因子。
19.优选的，在s2中，q电控＝(q驱动电机/eff2*(1-eff2))*j；式中：eff2同样为电机效率，j为常数，j＝3.6*103kj。
20.优选的，在s3中，q
max
＝(1.1～1.25)q
水
。
21.优选的，在s4中，电子水泵总成v＝qmax/(cw*ρ*v泵*
△
t1)；式中：cw为冷却液的比热，ρ为冷却液的密度，v泵为水泵流量，
△
t1为冷却液在电机和控制器水套的进出水口的温差。
22.优选的，在s4中，冷却液循环量vw＝qmax/(δta*γw*cw)；式中：
△
ta为冷却液在系统的温升，γw为冷却液的比重。
23.优选的，在s4中，以及散热风量va＝qmax/(
△
ta*γa*cpa)；式中：
△
ta为空气经过散热器的温升,γa为空气密度，cpa为空气的定压比热。
24.优选的，在s4中，散热面积s0＝qmax/(k*(twcp-tacp))；式中：k为散热系数，twcp为冷却液的极限温度，tacp为热平衡时空气温度。
25.优选的，在s5中，在行驶模式下，判断电机控制器大于50℃或驱动电机大于60℃，开启电子风扇。
26.优选的，当电机控制器表面温度小于50℃且驱动电机表面温度也小于50℃时，电子风扇关闭。
附图说明
27.图1为本发明实施例中整车的仿真模型图；
28.图2为本发明实施例中冷却系统的仿真模型图；
29.图3为本发明实施例中驱动电机电控系统的仿真模型图。
具体实施方式
30.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
31.实施例
32.驱动电机的温升对整车温升的影响较大，但现有汽车仿真模型测试中，未对其作单独的分析和测试，因而本实施例提供了一种电动车基于工况的仿真预测方法，首先根据电动车的型号和需求，预先确定一个驱动电机的型号，同时设计整车中冷却系统的具体结构，并按照已确定的型号和结构，在amesim仿真平台搭建出整车的仿真模型；然后根据测试的需求，设置整车仿真模型处于不同的工况下运行；在不同的工况下，测试驱动电机在整车系统中的温升情况，以判断冷却系统是否能应对该选型下驱动电机以及整车的温升。
33.通过数据处理分析及时反馈方案是否可行，在仿真模型测试中提前发现驱动电机选型问题以及冷却系统的问题，实现预测目的，对整车性能优化及整车热害试验目标预测有着重要指导及参考意义。
34.本仿真预测方法包括以下步骤：
35.s1，根据待测试电动车的实际情况，先确定驱动电机的型号、参数，然后再根据驱动电机的参数确定驱动电机发热量q
驱动电机
。
36.在整车中，驱动电机的温升情况与出厂时厂家所给出的驱动电机的温升参考不同，驱动电机在行驶模式下，需要克服机械损耗、涡流损耗、铜损等产生一定的热量，以及因行驶环境如高温天气而升温；这些热量，一部分通过外界的空气被带走，一部分通过车上回路中的冷却液进行热量交换、带走热量，同样型号的驱动电机装配在不同车型的电动车中，其伴随车辆行驶所产生的发热量也会不同，因此，现有对驱动电机单独的温升测试方法并不能适用于整车中驱动电机温升的测试中。
37.本实施例中，整车系统中驱动电机的发热量q
驱动电机
的计算公式如下：
38.q
驱动电机
＝(v*i/0.377r*torque/9550/eff1*(1-eff1))*i；
39.式中：v为车速(km/h)，i为减速比，r为轮胎半径(mm)，torque为扭矩(n.m)，i为换算因子；eff1为电机效率，电机效率通过取值查表法的获取，在确定驱动电机的型号后，其厂家会提供电机效率表。本实施例中驱动电机的效率值见下表1：
40.表1驱动电机效率值表
[0041][0042]
s2，根据驱动电机发热量q
驱动电机
得到电机控制器的发热量q
电控
。
[0043]
在电动车中，电机控制器的功能是根据档位、油门、刹车等指令，将动力电池所存储的电能转化为驱动电机所需的电能，来控制电动车辆的启动运行、进退速度、爬坡力度等行驶状态，电机控制器与驱动单机连接，是电动车的关键零部件之一。电机控制器产生的热量与控制对象紧密相关，为了对整车中驱动电机温升情况进行更加全面的考虑，因此本实施例将电机控制器的发热量一并计入驱动电机的计算中，电机控制器的发热量q
电控
计算公式如下：
[0044]q电控
＝(q
驱动电机
/eff2*(1-eff2))*j；
[0045]
式中：eff2同样为电机效率，通过取值查表法的获取，且本实施例中电机效率值表同上；j为常数，j＝3.6*103kj。
[0046]
驱动电机发热量q
驱动电机
以及电机控制器的发热量q
电控
的计算方式在前期设计以及仿真模型中的计算方式相同。
[0047]
s3，根据q
驱动电机
和q
电控
确定得到冷却系统中散热器的散热量q
max
。
[0048]
本实施例中，散热器的散热方式为通过循环冷却液流动带走热量，且冷却液为冷却水；散热器的散热量q
max
计算公式如下：
[0049]qmax
＝(1.1～1.25)q
水
；
[0050]q水
＝q
驱动电机
+q
电控
；
[0051]
式中：q
水
为散热器中水套的散热量(kj/h)；系数的范围在1.1～1.25之间，轻型电动车和轿车系数取下限，中型及以上的电动车取上限，本实施例中，系数取1.25。另外，为了便于下一步关于仿真模型建设的说明，q
水
的值定为25030.8kj/h；
[0052]
则本实施例中，计算得到散热器的散热量q
max
＝1.25*q
水
＝31288.5kj/h。
[0053]
s4，由散热量q
max
计算得到电子水泵总成v、冷却液循环量vw、散热风量va以及散热器的散热面积s0。
[0054]
根据驱动电机的参数，即可确定冷却系统中散热器所需要设定数值。
[0055]
首先，根据散热器的散热量q
max
计算得到电子水泵总成v，计算公式如下：
[0056]
v＝q
max
/(cw*ρ*v
泵
*
△
t1)；
[0057]
式中：cw为冷却液的比热，cw取值为4.187kj/kg
·
℃；ρ为冷却水的密度，取值为1000kg/m3；v
泵
为水泵流量，取值为0.06l/min；
△
t1为冷却液在电机和控制器水套的进出水口的温差，本实施例中取值为6℃。
[0058]
综上，计算的到电子水泵总成v＝20.76l/min。
[0059]
同时，由散热器所需要的散热量q
max
计算得到冷却水循环量vw，计算公式如下：
[0060]
vw＝q
max
/(
△
ta*γw*cw)；
[0061]
式中：
△
ta为冷却水在系统的温升，一般为6～12℃，本实施例中取值为10℃；γw为冷却水的比重，取值为1000kg/m3。
[0062]
综上，计算的到冷却水循环量vw＝12.45l/min。
[0063]
再根据散热器所需要的散热量q
max
计算得到散热风量va，计算公式如下：
[0064]
va＝q
max
/(
△
ta*γa*c
pa
)；
[0065]
式中：δta为空气经过散热器的温升，δta的范围在10～30℃之间，本实施例中取值为20℃,γa为空气密度，取值为1.128kg/m3；c
pa
为空气的定压比热，取值为1.047kj/kg
·
℃。
[0066]
综上，计算的到散热风量va＝1324.62m3/h。
[0067]
最后，根据散热风量va以及散热量q
max
计算得到散热器的散热面积s0，散热面积s0的计算公式如下：
[0068]
s0＝q
max
/k*
△
t
[0069]
△
t＝t
wcp-t
acp
[0070]
t
acp
＝t
a1
+1/2
△
ta[0071]
s0＝q
max
/(k*
△
t)
[0072]
＝q
max
/(k*(t
wcp-t
acp
))
[0073]
＝q
max
/(k*(t
wcp-(t
a1
+1/2
△
ta)))
[0074]
式中：k为散热系数(kj/(m2·h·
℃))；本实施例中k取值为468kj/(m2·h·
℃)；
△
t为液气平均温差(℃)，t
wcp
为冷却水极限温度，电动车冷却系统中回路进水口和出水口的温度要求较为苛刻，一般不高于65℃，因此本实施例中取值为65℃；t
acp
为热平衡时空气温度，通过公式计算得到；t
a1
为极限风温，t
a1
取42℃；
[0075]
综上，计算得到s0＝3.55m2[0076]
由此，得到冷却系统仿真模型中重要参数的设定结果，具体见表2：
[0077]
表2：冷却系统参数指标对比表
[0078][0079]
确定冷却系统中参数均符合要求后，确定计算得到的数据为下一步建模数据。
[0080]
s5，整车系统中冷却系统的相关参数以及驱动电机的型号均已确定，因此，接下来就根据以上参数，搭建电动车整车仿真模型，电动车整车仿真模型包括冷却系统、驱动电机电控系统。
[0081]
如图1所示，电动车整车仿真模型主要包括动力驱动系统模型和电气系统模型，以实现模拟分析整车的动力性和经济性，以及模拟整车的能量流分布，同时提供车辆运行工
况、功率和扭矩分配、电气部件电量需求、动力总成的转速等仿真的输入边界。
[0082]
动力驱动系统模型包括驱动电机电控系统、驾驶员、车辆、传动机构以及电气部件包括动力电池、三合一控制器转换器、电子水泵电机、电子风扇、vcu(整车控制器)等。电气系统模型包括冷却系统以及动力电池的电压和内阻随soc(电池荷电状态)、温度及电流的变化关系、三合一控制器转换器效率，低压蓄电池的开路电压和内阻，电子水泵、电子风扇及其它电气负载工作时的电压、电流和效率等。
[0083]
如图2所示，冷却系统中的冷却回路冷却机理为通过对水泵的控制，进行冷却水的对流冷却，通过冷却水的流体运动，将高温一侧热量换热到低温一侧；这个过程，冷却液流量越大，换热效果越好。驱动电机以及电机控制器持续发热，换热后的冷却水温升，水温过高时，需要启动电子风扇对水温进行降温，保证电机回路经过热平衡后驱动电机温升不会出现过高或过快，避免出现整车限功情况。
[0084]
另外，如图3所示，驱动电机电控系统模型中包括驱动电机模型和电机控制器模型，可根据上述计算公式，测试得到不同工况下驱动电机的温升数据，分析判断驱动电机的温升数据对整车系统的温升贡献以及冷却系统的冷却情况。
[0085]
完成冷却系统的仿真模型的选择后，进入参数输入环节，如输入恒定的压力损失系数、等效流体截面积、散热面积与冷却液流量的关系数据，设定电机水套、电机控制器水套、散热器等部件的压力损失与冷却水流量的关系数据；另外，散热器还需要定义换热特性数据，如输入换热系数，换热器的换热量与努赛尔数、雷诺数、普朗特数之间的关联公式，或者输入各换热器的换热量随冷却液流量&空气侧流速的试验数据。
[0086]
冷却系统、驱动电机电控系统与电气系统模型和整车动力驱动系统模型相关联，vcu与整车动力驱动系统模型相关联，为电动车动力性能模拟提供ev模式切换、轮端需求功率和扭矩、换挡控制策略、制动能量回收策略等，冷却系统、驱动电机电控系统与各子系统相应的控制执行器相关联，为电子风扇、电子水泵等电控部件提供控制信号。
[0087]
并且，如图1所示，为了降低在测试过程中参数输入出错的概率，将各系统以及部件仿真模型中的相同参数设为全局变量，并设置由自定义字符代替此全局变量，仿真时赋予该字符相对应的数值。各系统之间进行关联时需要传输大量参数信息，为了避免仿真模型混乱繁杂，更加简洁和美观，采用了大量无需线条连接的信号发送和接收元件，将一些关联性较强的元件合并成一个新的复合元件，仅产生新图标，整体功能不变。
[0088]
具体实施过程如下：在行驶模式下，vcu在行驶模式下，vcu判断电机控制器大于50℃或驱动电机大于60℃，即开启电子风扇，当电机控制器表面温度小于50℃且驱动电机表面温度也小于50℃时，电子风扇关闭。
[0089]
电子水泵进入条件：电机控制器大于50℃或驱动电机大于65℃，水泵开启，电机控制器小于40且驱动电机小于55℃时，则水泵关闭。
[0090]
s6，最后，通过整车仿真模型，预测不同工况测试驱动电机在电动车行驶过程中实际温升情况，以及冷却系统的冷却性能，判断整车散热是否符合标准；若符合，则可进行下一步实车试验。
[0091]
仿真模型的测试方法具有成本低，效率高、灵活性强、实用性强、周期短，不受场地环境限制等优点，从而缩短了设计周期和设计成本，降低试制成本和试验成本，减少先期设计过程中资源的浪费。因此本方案采取了一种电动车基于工况的仿真预测方法，以在不同
的工况下，测试驱动电机在整车系统中的温升情况，从而判断冷却系统是否能应对该选型下驱动电机以及整车的温升。若测试结果满足相关标准规定，则表明在先期驱动电机的选型、以及冷却系统的设计基本满足电动车制造相关要求，即可进行下一步实车试验；若测试结果表明冷却系统的散热功能难以对驱动电机以及整车的温升进行有效的降温，则表明先期驱动电机的选型在后期实车热害试验中会出现错误，驱动电机温升无法得到有效散热，此时需要对冷却系统进行重新设计或者更改驱动电机的型号，也就代表整车热害试验失败。
[0092]
本发明根据项目先期选型的驱动电机及其性能参数，在基于极限工况及国标工况下通过仿真模拟，通过数据处理分析及时反馈方案是否可行，在仿真模型测试中提前发现驱动电机选型问题以及冷却系统的问题，实现预测目的的同时，对整车性能优化及整车热害试验目标预测起到重要指导及参考意义。
[0093]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：包括以下步骤：s1，根据电动车实际情况，确定驱动电机的参数，再根据驱动电机的参数确定驱动电机发热量q
驱动电机
；s2，根据驱动电机发热量q
驱动电机
得到电机控制器的发热量q
电控
；s3，根据q
驱动电机
和q
电控
确定得到冷却系统中散热器的散热量q
max
；s4，由散热量q
max
计算得到电子水泵总成v、冷却液循环量vw、散热风量va以及散热器的散热面积s0；s5，根据以上参数，搭建电动车整车仿真模型，电动车整车仿真模型包括冷却系统、驱动电机电控系统；s6，通过整车仿真模型，预测不同工况测试驱动电机在电动车行驶过程中温升情况，以及冷却系统的冷却性能，判断整车散热是否符合标准；若符合，则可进行下一步实车试验。2.根据权利要求1所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：在s1中，驱动电机发热量q
驱动电机
＝(v*i/0.377r*torque/9550/eff1*(1-eff1))*i；式中：v为车速，i为减速比，r为轮胎半径，torque为扭矩，eff1为电机效率，i为换算因子。3.根据权利要求2所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：在s2中，q
电控
＝(q
驱动电机
/eff2*(1-eff2))*j；式中：eff2同样为电机效率，j为常数，j＝3.6*103kj。4.根据权利要求3所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：在s3中，q
max
＝(1.1～1.25)q
水
。5.根据权利要求4所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：在s4中，电子水泵总成v＝q
max
/(cw*ρ*v
泵
*
△
t1)；式中：cw为冷却液的比热，ρ为冷却液的密度，v
泵
为水泵流量，
△
t1为冷却液在电机和控制器水套的进出水口的温差。6.根据权利要求4所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：在s4中，冷却液循环量vw＝q
max
/(δta*γw*cw)；式中：
△
ta为冷却液在系统的温升，γw为冷却液的比重。7.根据权利要求4所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：在s4中，以及散热风量va＝q
max
/(
△
t
a
*γa*c
pa
)；式中：
△
t
a
为空气经过散热器的温升,γa为空气密度，c
pa
为空气的定压比热。8.根据权利要求7所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：在s4中，散热面积s0＝q
max
/(k*(t
wcp-t
acp
))；式中：k为散热系数，t
wcp
为冷却液的极限温度，t
acp
为热平衡时空气温度。9.根据权利要求5-8任意一项所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：在s5中，在行驶模式下，判断电机控制器大于50℃或驱动电机大于60℃，开启电子风扇。10.根据权利要求9所述的一种电动车基于工况的仿真预测方法，其特征在于：当电机控制器表面温度小于50℃且驱动电机表面温度也小于50℃时，电子风扇关闭。

技术总结
本发明涉及电动车仿真试验技术领域，公开了一种电动车基于工况的仿真预测方法，包括：S1，确定驱动电机发热量Q驱动电机；S2，根据驱动电机发热量Q驱动电机得到电机控制器的发热量Q电控；S3，确定冷却系统中散热器的散热量Qmax；S4，计算得到电子水泵总成V、冷却液循环量Vw、散热风量Va以及散热器的散热面积S0；S5，搭建电动车整车仿真模型，电动车整车仿真模型包括冷却系统、驱动电机电控系统；S6，预测不同工况测试驱动电机在电动车行驶过程中温升情况、冷却系统的冷却性能，判断整车散热是否符合标准；若符合，则可进行下一步实车试验。以通过对整车仿真测试中单独对驱动电机温升情况的分析，在实车试验前预测试验结果，降低测试成本。成本。


技术研发人员：韩鸣 邓家飞 彭曦
受保护的技术使用者：重庆长安跨越商用车有限公司
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/10/7