Валидация 1D модели движения электромобиля на платформе REPEAT на примере Nissan Leaf ZE0

В данной работе представлены результаты по разработанной упрощенной одномерной (1D) модели продольной динамики электромобиля на платформе REPEAT. Изучены характеристики автомобиля Nissan Leaf ZE0. Разработана математическая модель движения автомобиля в REPEAT. Проведено сравнение результатов моделирования в REPEAT и экспериментальных данных Argonne. Разработанная математическая модель продольного движения Nissan Leaf 2012 на платформе REPEAT продемонстрировала отличную корреляцию между результатами расчета модели и экспериментальными данными по энергетическим показателям и разгону электромобиля , что доказывает пригодность REPEAT для моделирования в сфере автомобилестроения.

Постановка задачи

Модель разработана на основе опубликованных параметров автомобиля Nissan Leaf ZE0 (2012) [4], а также данных предоставленных в отчете лаборатории Argonne, в котором провели серию экспериментов по изучению динамических и энергетических характеристик Nissan Leaf 2012 [1].

Проведено сравнение результатов расчета разработанной математической модели на платформе REPEAT и экспериментальных данных Argonne при городском цикле движения UDDS на динамометрическом стенде с горячим стартом при температуре 𝟕𝟐 градусов по фаренгейту (𝟐𝟐.𝟐 градусов по Цельсию).

Проведено сравнение показателя тяговой динамики разгона 0-100 км/ч.

Характеристики Nissan Leaf ZE0

В таблице 1 приведены характеристики автомобиля Nissan Leaf. В таблице 2 представлены параметры электрической трансмиссии и батареи. В таблице 3 указаны принятые параметры. В таблице 4 отражены параметры Nissan Leaf в экспериментах Argonne. На рисунке 1 представлена структурная схема электромобиля.

Таблица 1 - Общие характеристики автомобиля

Таблица 2 - Параметры электрической трансмиссии и батареи

Таблица 3 - Принятые параметры

Таблица 4 - Параметры Nissan Leaf в экспериментах Argonne

Рисунок 1 - Структурная схема электромобиля

Примененные в модели разделы библиотеки

Для разработки модели были использованы следующие библиотеки:

Автоматика

• Водитель, формирующий уставку при движении по циклу UDDS;
• Система управления скоростью автомобиля;
• Алгоритм работы системы торможения

Электроника

• Электрическая трансмиссия;
• Батарея электромобиля;
• Доп. электрическая нагрузка

Системный дизайн

• Динамика движения транспорта

Математическая модель движения Nissan Leaf ZE0 в REPEAT

Общая схема

Разработанная схема движения автомобиля изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Общая схема

Водитель

Пользовательский блок "Водитель" (рис. 3) генерирует команды ускорения и замедления на основе ПИ-регулятора с настраиваемыми коэффициентами.

Внутренняя структура блока представлена на рисунке 4 и включает следующие компоненты:

• Фильтр первого порядка – имитирует поведение "сосредоточенного" или "расслабленного" водителя.
• Блок линейно-кусочной функции – формирует уставку скорости в соответствии с циклом движения UDDS.
• Ограничитель – обеспечивает выходной сигнал в диапазоне –1…1 для корректного управления.

Рисунок 3 - Пользовательский блок "Водитель"

Рисунок 4 - Пользовательский блок "Водитель"

Система управления

Одним из ключевых аспектов при моделировании динамики электромобиля является разработка эффективной системы управления, в частности – стратегии торможения. Особую сложность представляет учет рекуперации, поскольку в этом режиме происходит возврат энергии в батарею, что существенно влияет на общий энергобаланс транспортного средства.

Для создания реалистичной модели рекуперативного торможения были использованы экспериментальные данные из отчета Argonne "Advanced Powertrain Research Facility AVTA Nissan Leaf Testing and Analysis" (рисунок 5)[1]. В отчете экспериментов Argonne представлена характеристика мощности батареи от скорости при торможении (отрицательная ось мощности) и разгоне (положительная ось). Диаграммы торможения необходимы для вычисления команды торможения при работе электромашины в режиме рекуперации.

Рисунок 5 - Характеристика мощности батареи

Важным параметром является граничная скорость, при которой активируется режим рекуперации (Mechanical brake speed threshold). В данном случае она составляет примерно 8 км/ч. При движении ниже этого значения торможение будет фрикционным.

Блок управления "Электропривод" имеет следующие параметры:

• Диапазон управляющего сигнала: -1 до 1
• При сигнале ±1 на выходе формируется максимальный момент: ±T_EMmax

Для определения максимального момента в режиме генератора (T_maxreg) используется линейная характеристика Max regen line.

Методика расчета:

1. Выбираем опорную точку на характеристике: {20, -20}
2. Вычисляем момент, приведенный на ротор электромашины
3. Полученное значение является T_maxreg

Максимальный момент, формируемый электромашиной при рекуперации будет равен:

Далее, зная значения T_maxreg и T_EMmax, можно определить значение команды управления при рекуперации:

Согласно данным Argonne [1] и статьи [3] среднее КПД при заряде n_chg при хороших условиях равно около 0.85. В модели данное КПД можно учесть множителем:

Только рекуперативного торможения недостаточно для строгого следования циклу движения UDDS, поэтому параллельно производится фрикционное торможение. Максимальная сила торможения, действующая на автомобиль, положена равной F_max=m⋅g.

Максимальный момент торможения, приведенный на главную передачу, необходим для вычисления команды торможения, подаваемый на фрикционные диски.

После формирования требуемого момента торможения T_brk в первую очередь производится рекуперации для заряда батареи, если тормозной силы недостаточно для выполнения уставки, включается фрикционный тормоз F_brkfric, команда управления cmd_fric которого передается в блок "Шасси и трансмиссия".

Рисунок 6 - Система управления

Силовая часть

Силовая часть изображена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Силовая часть

Динамика автомобиля

Рисунок 8 - Динамика автомобиля

На рисунке 9 изображены сигналы, с которых снимаются характеристики.

Рисунок 9 - Датчики

Валидация

Разгон 0-100 км/ч

Расчет проводился при массе автомобиля равном 1700 кг. Результаты моделирования указаны в таблице 5. Результаты разгона изображены на рисунке 10.

Рисунок 10 - График скорости автомобиля

Таблица 5 - Сравнительная таблица результатов расчета модели и экспериментальных данных

Энергетические показатели при движении по циклу UDDS (Hot start)

На рисунке 11,12 изображены результаты эксперимента лаборатории Argonne и результаты моделирования на REPEAT. Результаты сравнения отображены в таблице 6.

Рисунок 11 - Результаты эксперимента лаборатории Argonne

Таблица 6 - Сравнительная таблица результатов расчета модели и экспериментальных данных

На рисунке 12 изображен график скорости модели Nissan Leaf и цикла движения UDDS (км/ч).

Рисунок 12 - График скорости модели Nissan Leaf и цикла движения UDDS

На рисунке 13 изображены графики мощности построенные на REPEAT и Simulink.

Рисунок 13 - Графики мощности

Заключение

Разработанная математическая модель продольного движения Nissan Leaf 2012 на платформе REPEAT продемонстрировала отличную корреляцию между результатами расчета модели и экспериментальными данными по энергетическим показателям и разгону электромобиля , что доказывает пригодность REPEAT для моделирования в сфере автомобилестроения.

Библиографический список

1. D3 2012 Nissan Leaf | Argonne National Laboratory
2. Hayes , John & Davis , Kevin . (2014). Simplified electric vehicle powertrain model for range and energy consumption based on EPA coast down parameters and test validation by Argonne National Lab data on the Nissan Leaf . 1 6. 10.1109/ITEC.2014.6861831.
3. https://researchrepository.wvu.edu/cgi/viewcontent.cgi?articl e=3448&context=faculty_publications.
4. https://www.carinf.com/en/9e60422878.html параметры Nissan Leaf ZE0)
5. Energy Management Scheme for an EV Smart Charger V2G/G2V Application with an EV Power Allocation Technique and Voltage Regulation
6. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2015/01/f19/fact201 3nissanleaf.pdf