王孝全 趙國霖 肖澤輝 王 釗

?

基于ADVISOR的DE純電動汽車仿真

王孝全 趙國霖 肖澤輝 王 釗

東南（福建）汽車工業(yè)有限公司研發(fā)中心

采用ADVISOR軟件對DE純電動汽車進(jìn)行整車建模、各子模塊建模、數(shù)據(jù)輸入、測試工況建立、仿真計算，并將計算結(jié)果與國家《純電動乘用車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》意見征求稿中的標(biāo)準(zhǔn)做對比, 評估現(xiàn)有DE純電動汽車的技術(shù)方案。

純電動汽車；ADVISOR；整車性能；建模；仿真

純電動汽車是指以車載電源為動力,用電機驅(qū)動車輪行駛,符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。電動汽車除了能解除當(dāng)前世界上石油儲量日益枯竭的憂患外，最大的優(yōu)點是電動汽車本身不存在有害氣體排放，不會污染大氣。雖然目前電力來源于發(fā)電廠，其排放的硫和微粒較高（尤其是火力發(fā)電），但由于發(fā)電廠是集中排放，清除有害物質(zhì)較容易，況且電力也可以從其他能源獲得，如核能、水力、風(fēng)力、太陽能等。因此電動汽車在保護(hù)環(huán)境方面依然具有積極意義。

現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家與主要汽車集團(tuán)都十分重視研究開發(fā)電動汽車，我國電動汽車雖然沒有歐美等國家起步早, 但從“八五”開始，電動汽車一直是國家計劃項目，并在2001 年設(shè)立了“電動汽車重大科技專項”。通過組織企業(yè)、高等院校和科研機構(gòu), 集中各方面力量進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。2008年10月公布的《純電動乘用車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的意見征求稿更是對電動汽車整體性能提出了更規(guī)范、更嚴(yán)格的要求。

因此，為開發(fā)出更經(jīng)濟(jì)、更實用、更高效能的純電動汽車產(chǎn)品，在開發(fā)DE純電動汽車時，采用先進(jìn)的仿真技術(shù)對其性能進(jìn)行仿真分析是非常必要的。目前，ADVISOR通過大量的實踐證明具有良好的實用性，因此世界上許多整車企業(yè)、研究機構(gòu)都采用其作為電動汽車、混合動力汽車的仿真計算工具。在DE純電動車的仿真中，我們也將采用ADVISOR軟件進(jìn)行分析。

1 ADVISOR軟件介紹

ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)高級車輛仿真器是美國國家可再生能源實驗室開發(fā)的一款著名的電動汽車仿真軟件。主要用于EV、HEV及FCEV的仿真研究工作，同時兼具對CV的仿真功能。其內(nèi)部程序由模塊化的Matlab／Simulink語言編寫而成，提供了多種可供選擇的電動汽車整車模型及靈活可修改的部件模型庫。可對選定車輛的整車燃油經(jīng)濟(jì)性、排放、加速時間、最大爬坡度等進(jìn)行仿真計算。人性化的操作界面大大簡化了用戶的操作難度。通過修改部件模型或控制策略，還可實現(xiàn)對特定車型的優(yōu)化計算。目前該軟件已成為電動汽車仿真研究首選的工具。

2 仿真模型建立

2.1 實際車輛整車基本構(gòu)架

仿真模型基于實際車輛的整車基本構(gòu)架，目前開發(fā)的DE純電動汽車的整車系統(tǒng)框架圖如圖1所示：

圖1 DE純電動車整車系統(tǒng)框架圖

2.2 整車系統(tǒng)仿真模型

依據(jù)圖1，建立ADVISOR中的整車仿真模型圖2所示：

圖2 整車仿真模型

其中包括駕駛工況、車輛、輪胎、主減速器、變速箱、電機、電池等子模塊，每個子模塊都包含一個Simulink仿真模塊，能夠通過修改其對應(yīng)的M文件中的相關(guān)參數(shù)完成數(shù)據(jù)的輸入。

圖2中箭頭表示數(shù)據(jù)流及傳動系能量流的流向，箭頭從左往右表示逆向仿真法，從右往左表示正向仿真。正向方法的部件模型之間的聯(lián)系更加接近車輛的實際情況，這種方法比逆向仿真方法的計算結(jié)果更準(zhǔn)確，但是，計算量大，速度也比采用逆向仿真方法的軟件慢。有些軟件采用正向仿真和逆向仿真結(jié)合的仿真策略，ADVISOR是以逆向仿真為主，正向仿真為輔的綜合仿真方法。這種仿真方法的計算量較小，模型比較簡單，同時也可以保證仿真結(jié)果的精度。

2.3 電池系統(tǒng)模型建立

電池系統(tǒng)模型是純電動車模型中的重要模塊，因此單獨列出討論。電池模塊主要接受來自傳動系統(tǒng)中的需求功率，并根據(jù)電池的當(dāng)前電壓，電流和SOC輸出系統(tǒng)可以提供的功率。在計算電池可輸出的功率時主要有5個子模塊：開路電壓和內(nèi)阻計算子模塊，功率限制子模塊，電流計算子模塊，SOC算法子模塊，溫度估算子模塊，能量計算模塊。

2.3.1開路電壓和內(nèi)阻計算子模塊

該模塊功能是根據(jù)電池的當(dāng)前SOC值和工作溫度以及需求功率確定電池的開路電壓和內(nèi)阻。輸入功率用來判斷電池的工作狀態(tài)，功率為正時電池放電，反之，功率為負(fù)時電池處于充電狀態(tài)。

2.3.2功率限制子模塊

另外，考慮到實際情況和電池安全，對電池充放電功率限制如下：

2.3.3電流計算模塊

該模塊根據(jù)總線功率需求、電池的電壓和內(nèi)阻以及功率限定模塊中得到的功率限值，公式為：

2.3.4 SOC算法子模塊

電池的電量狀態(tài)是指電池的剩余容量與額定容量的比值，用百分比來表示(0≤≤1) ，該模塊主要用來估算電池的剩余容量。

2.3.5電池?zé)崮Ｐ妥幽K

該模塊用來模擬電池的熱特性，預(yù)測電池的工作溫度，為其它子模塊提供溫度參數(shù)。主要計算公式如下：

根據(jù)上述5個子系統(tǒng)公式分別建立子系統(tǒng)模塊后，組件電池仿真模型如圖3所示：

圖3 電池仿真模型

2.4 電機系統(tǒng)模型建立

電機控制器模型考慮了電機損失的影響、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)矩輸出能力以及熱量輸出模塊。電動機模塊中，程序根據(jù)轉(zhuǎn)子所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過電動機轉(zhuǎn)速預(yù)估程序，考慮了慣性作用和轉(zhuǎn)矩限制等影響因素，在參考電動機輸出功率Map圖的基礎(chǔ)上計算得到電動機所需的輸入功率。仿真模型如圖4。

圖4 電機仿真模型

2.5 車輛模型建立

該車輛模型在汽車模塊中的計算是表示在輪胎處力的平衡，其動力學(xué)方程與傳動汽油、柴油車輛無異，這里就不一一列舉，根據(jù)這些動力學(xué)方程建模如圖5。

圖5 車輛仿真模型

3 整車參數(shù)輸入及測試工況建立

3.1 整車參數(shù)輸入

在圖6的參數(shù)輸入界面，通過修改各模塊M文件中的參數(shù)，完成性能仿真計算所需的參數(shù)輸入。

其中DE純電動汽車的主要整車參數(shù)見表1（其他參數(shù)涉及保密資料暫不對外公布）：

圖6 參數(shù)輸入

表1 DE純電動車主要參數(shù)

3.2 仿真測試工況建立

依據(jù)《純電動乘用車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的意見征求稿及國標(biāo)《GB/T 18385-2005 電動汽車動力性能實驗方法》、國標(biāo)《GB/T 18386-2005 電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》，在圖7所示界面設(shè)定仿真測試工況。

圖7 參數(shù)輸入

主要仿真內(nèi)容為：

①動力性：最高車速、30 min最高車速、0~50 km/h加速時間、50~80 km/h加速時間、4%坡度最大爬坡車速、12%坡度最大爬坡車速、最大爬坡度。

②經(jīng)濟(jì)性：等速60 km/h續(xù)駛里程、NEDC循環(huán)工況下續(xù)駛里程。

4 仿真計算結(jié)果

依據(jù)上述模型及參數(shù)，對DE傳電動汽車進(jìn)行仿真計算，所得仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真計算結(jié)果

因為續(xù)駛里程是電動汽車的標(biāo)志性數(shù)值，所以特別列出計算續(xù)駛里程過程中，SOC值的變化。

4.1 NEDC循環(huán)公況下續(xù)駛里程

圖8 NEDC循環(huán)續(xù)駛里程

由上圖8可知，DE純電動車在NEDC循環(huán)工況下能行駛10. 6個循環(huán)，續(xù)駛總里程為116.2km。

4.2 60公里定速行駛下的續(xù)駛里程

圖9 60km/h定速續(xù)駛里程

由圖9計算得：DE純電動車在60km/h定速行駛工況下，續(xù)駛里程為167.8km。

5 結(jié)語

對比上述計算結(jié)果與國標(biāo)限定值可知，現(xiàn)有DE純電動車技術(shù)方案可以滿足國家《純電動乘用車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》意見征求稿中的動力性能及續(xù)駛里程的技術(shù)要求。該技術(shù)方案在理論上滿足產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)，可以投入進(jìn)行后續(xù)開發(fā)工作。

采用ADVISOR軟件對純電動汽車進(jìn)行建模、仿真計算可以提前模擬出車輛的各項動力性、能量耗量等性能，并可與開發(fā)目標(biāo)值作比對，在項目開發(fā)前期很好地評估整車技術(shù)方案可行性，降低了投資費用，減少了開發(fā)周期。ADVISOR軟件在純電動車項目開發(fā)階段可以發(fā)揮相當(dāng)積極的作用。

[1] 陳全世,朱家璉,田光宇.先進(jìn)電動汽車技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[2] 崔勝民,王劍峰,王大方.新能源汽車技術(shù)[M].北京大學(xué)出版社,2009.

[3] 張翔,趙韓,錢立軍,等.電動汽車仿真軟件ADVISOR[J].汽車研究與開發(fā), 2003(04).

[4] ADVISOR Documentation[M].National Renewable Energy Laboratory,2002

Simulation of the Power Performance of Pure Electric Vehicle DE Based on ADVISOR

Wang Xiaoquan, Zhao Guolin, Xiao Zehui, Wang Zhao

(Research and Development Centre, Southeast (Fujian) Automobile Industry Co., Ltd, Minhou 350019, China )

，Models of battery，electromotor drive system and whole vehicle were constructed by using the simulation software ADVISOR．With inputted data, the test conditions were established. Simulation calculation was conducted. The simulation result of the vehicle power performance was compared with the national technical standards for the electric car. It is indicated that the design of the power system is practical and feasible,

electric vehicle; ADVISOR; power performance; modeling; simulation.