王孝全 趙國(guó)霖 肖澤輝 王 釗

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基于ADVISOR的DE純電動(dòng)汽車(chē)仿真

王孝全 趙國(guó)霖 肖澤輝 王 釗

東南（福建）汽車(chē)工業(yè)有限公司研發(fā)中心

采用ADVISOR軟件對(duì)DE純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行整車(chē)建模、各子模塊建模、數(shù)據(jù)輸入、測(cè)試工況建立、仿真計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與國(guó)家《純電動(dòng)乘用車(chē)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》意見(jiàn)征求稿中的標(biāo)準(zhǔn)做對(duì)比, 評(píng)估現(xiàn)有DE純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)方案。

純電動(dòng)汽車(chē)；ADVISOR；整車(chē)性能；建模；仿真

純電動(dòng)汽車(chē)是指以車(chē)載電源為動(dòng)力,用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛,符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車(chē)輛。電動(dòng)汽車(chē)除了能解除當(dāng)前世界上石油儲(chǔ)量日益枯竭的憂患外，最大的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)汽車(chē)本身不存在有害氣體排放，不會(huì)污染大氣。雖然目前電力來(lái)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(yáng)能等。因此電動(dòng)汽車(chē)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(guó)家與主要汽車(chē)集團(tuán)都十分重視研究開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)雖然沒(méi)有歐美等國(guó)家起步早, 但從“八五”開(kāi)始，電動(dòng)汽車(chē)一直是國(guó)家計(jì)劃項(xiàng)目，并在2001 年設(shè)立了“電動(dòng)汽車(chē)重大科技專(zhuān)項(xiàng)”。通過(guò)組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)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(dòng)乘用車(chē)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的意見(jiàn)征求稿更是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)整體性能提出了更規(guī)范、更嚴(yán)格的要求。

因此，為開(kāi)發(fā)出更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用、更高效能的純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品，在開(kāi)發(fā)DE純電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，采用先進(jìn)的仿真技術(shù)對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析是非常必要的。目前，ADVISOR通過(guò)大量的實(shí)踐證明具有良好的實(shí)用性，因此世界上許多整車(chē)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)都采用其作為電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)的仿真計(jì)算工具。在DE純電動(dòng)車(chē)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(jí)車(chē)輛仿真器是美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一款著名的電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件。主要用于EV、HEV及FCEV的仿真研究工作，同時(shí)兼具對(duì)CV的仿真功能。其內(nèi)部程序由模塊化的Matlab／Simulink語(yǔ)言編寫(xiě)而成，提供了多種可供選擇的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型及靈活可修改的部件模型庫(kù)。可對(duì)選定車(chē)輛的整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、排放、加速時(shí)間、最大爬坡度等進(jìn)行仿真計(jì)算。人性化的操作界面大大簡(jiǎn)化了用戶的操作難度。通過(guò)修改部件模型或控制策略，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定車(chē)型的優(yōu)化計(jì)算。目前該軟件已成為電動(dòng)汽車(chē)仿真研究首選的工具。

2 仿真模型建立

2.1 實(shí)際車(chē)輛整車(chē)基本構(gòu)架

仿真模型基于實(shí)際車(chē)輛的整車(chē)基本構(gòu)架，目前開(kāi)發(fā)的DE純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)系統(tǒng)框架圖如圖1所示：

圖1 DE純電動(dòng)車(chē)整車(chē)系統(tǒng)框架圖

2.2 整車(chē)系統(tǒng)仿真模型

依據(jù)圖1，建立ADVISOR中的整車(chē)仿真模型圖2所示：

圖2 整車(chē)仿真模型

其中包括駕駛工況、車(chē)輛、輪胎、主減速器、變速箱、電機(jī)、電池等子模塊，每個(gè)子模塊都包含一個(gè)Simulink仿真模塊，能夠通過(guò)修改其對(duì)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(dòng)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(chē)輛的實(shí)際情況，這種方法比逆向仿真方法的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，但是，計(jì)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(jì)算量較小，模型比較簡(jiǎn)單，同時(shí)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(dòng)車(chē)模型中的重要模塊，因此單獨(dú)列出討論。電池模塊主要接受來(lái)自傳動(dòng)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(jì)算電池可輸出的功率時(shí)主要有5個(gè)子模塊：開(kāi)路電壓和內(nèi)阻計(jì)算子模塊，功率限制子模塊，電流計(jì)算子模塊，SOC算法子模塊，溫度估算子模塊，能量計(jì)算模塊。

2.3.1開(kāi)路電壓和內(nèi)阻計(jì)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(kāi)路電壓和內(nèi)阻。輸入功率用來(lái)判斷電池的工作狀態(tài)，功率為正時(shí)電池放電，反之，功率為負(fù)時(shí)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(shí)際情況和電池安全，對(duì)電池充放電功率限制如下：

2.3.3電流計(jì)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(lái)表示(0≤≤1) ，該模塊主要用來(lái)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(lái)模擬電池的熱特性，預(yù)測(cè)電池的工作溫度，為其它子模塊提供溫度參數(shù)。主要計(jì)算公式如下：

根據(jù)上述5個(gè)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(jī)系統(tǒng)模型建立

電機(jī)控制器模型考慮了電機(jī)損失的影響、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)矩輸出能力以及熱量輸出模塊。電動(dòng)機(jī)模塊中，程序根據(jù)轉(zhuǎn)子所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)輸出功率Map圖的基礎(chǔ)上計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)所需的輸入功率。仿真模型如圖4。

圖4 電機(jī)仿真模型

2.5 車(chē)輛模型建立

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

圖5 車(chē)輛仿真模型

3 整車(chē)參數(shù)輸入及測(cè)試工況建立

3.1 整車(chē)參數(shù)輸入

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

其中DE純電動(dòng)汽車(chē)的主要整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表1（其他參數(shù)涉及保密資料暫不對(duì)外公布）：

圖6 參數(shù)輸入

表1 DE純電動(dòng)車(chē)主要參數(shù)

3.2 仿真測(cè)試工況建立

依據(jù)《純電動(dòng)乘用車(chē)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的意見(jiàn)征求稿及國(guó)標(biāo)《GB/T 18385-2005 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)方法》、國(guó)標(biāo)《GB/T 18386-2005 電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，在圖7所示界面設(shè)定仿真測(cè)試工況。

圖7 參數(shù)輸入

主要仿真內(nèi)容為：

①動(dòng)力性：最高車(chē)速、30 min最高車(chē)速、0~50 km/h加速時(shí)間、50~80 km/h加速時(shí)間、4%坡度最大爬坡車(chē)速、12%坡度最大爬坡車(chē)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(jì)算結(jié)果

依據(jù)上述模型及參數(shù)，對(duì)DE傳電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行仿真計(jì)算，所得仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果

因?yàn)槔m(xù)駛里程是電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)志性數(shù)值，所以特別列出計(jì)算續(xù)駛里程過(guò)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(dòng)車(chē)在NEDC循環(huán)工況下能行駛10. 6個(gè)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(jì)算得：DE純電動(dòng)車(chē)在60km/h定速行駛工況下，續(xù)駛里程為167.8km。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果與國(guó)標(biāo)限定值可知，現(xiàn)有DE純電動(dòng)車(chē)技術(shù)方案可以滿足國(guó)家《純電動(dòng)乘用車(chē)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》意見(jiàn)征求稿中的動(dòng)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(kāi)發(fā)目標(biāo)，可以投入進(jìn)行后續(xù)開(kāi)發(fā)工作。

采用ADVISOR軟件對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行建模、仿真計(jì)算可以提前模擬出車(chē)輛的各項(xiàng)動(dòng)力性、能量耗量等性能，并可與開(kāi)發(fā)目標(biāo)值作比對(duì)，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期很好地評(píng)估整車(chē)技術(shù)方案可行性，降低了投資費(fèi)用，減少了開(kāi)發(fā)周期。ADVISOR軟件在純電動(dòng)車(chē)項(xiàng)目開(kāi)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(dòng)汽車(chē)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(chē)技術(shù)[M].北京大學(xué)出版社,2009.

[3] 張翔,趙韓,錢(qián)立軍,等.電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件ADVISOR[J].汽車(chē)研究與開(kāi)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.