賀伊琳，茹　強(qiáng)，趙　軒

（長安大學(xué)　汽車學(xué)院，陜西　西安　710064）

He Yilin，Ru Qiang，Zhao Xuan

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基于Matlab/GUI的增程式商用汽車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

賀伊琳，茹強(qiáng)，趙軒

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710064）

He Yilin，Ru Qiang，Zhao Xuan

摘要：隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)商用汽車也走進(jìn)了人們的生活，然而受電池技術(shù)的制約，純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程不能達(dá)到理想要求，這對(duì)承擔(dān)一定運(yùn)輸任務(wù)的商用汽車的發(fā)展產(chǎn)生了較大負(fù)面影響。針對(duì)國內(nèi)外電動(dòng)商用汽車技術(shù)現(xiàn)狀和需求之間的矛盾，增程式電動(dòng)商用汽車的開發(fā)與研究受到了高度重視。針對(duì)增程式電動(dòng)商用汽車，在Matlab/GUI軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)了一套動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性分析平臺(tái)，可方便地對(duì)其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，直觀地展現(xiàn)汽車的設(shè)計(jì)參數(shù)和使用條件對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高汽車性能。

關(guān)鍵詞：增程式電動(dòng)汽車；商用汽車；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性；Matlab/GUI

0　引　言1

汽車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性是評(píng)價(jià)其性能好壞的重要依據(jù)，因此動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算與仿真分析是汽車設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中的關(guān)鍵步驟。增程式電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)比純電動(dòng)汽車復(fù)雜，且商用車質(zhì)量與尺寸較大，進(jìn)行實(shí)車性能道路試驗(yàn)需耗費(fèi)更多的人力、物力和財(cái)力，同時(shí)考慮到道路和環(huán)境條件不能達(dá)到理想狀態(tài)，且駕駛員的主觀因素會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響[1]。因此，基于建立的汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型，在Matlab/GUI軟件環(huán)境下開發(fā)增程式商用汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與評(píng)估系統(tǒng)，為增程式商用汽車匹配設(shè)計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化提供了準(zhǔn)確、快速、有效的模擬分析平臺(tái)。

1　增程式商用汽車的系統(tǒng)構(gòu)建

增程式電動(dòng)商用汽車是電動(dòng)商用汽車的一種，其動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、輔助動(dòng)力系統(tǒng)（APU）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整車控制器等組成。其上安裝有增程器，具有車載供電功能，在動(dòng)力電池電量不足時(shí)啟動(dòng)工作，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，或給動(dòng)力電池充電，延長續(xù)駛里程，實(shí)現(xiàn)增程目標(biāo)，整車工作模式分為純電動(dòng)模式和增程模式。增程式商用汽車的動(dòng)力傳遞路徑如圖1所示，其中，黑色箭頭代表電能，白色箭頭代表機(jī)械能。

圖1　增程式商用汽車的動(dòng)力傳遞路徑

與傳統(tǒng)汽車相比，增程式電動(dòng)商用汽車的節(jié)油率可達(dá)50％以上。由于增程式商用車所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于發(fā)電，啟動(dòng)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以最佳轉(zhuǎn)速持續(xù)工作，輸出的功率和扭矩也基本恒定，因而其效率和排放也處于較好狀態(tài)。除此之外，由于配有動(dòng)力電池，增程式商用汽車可在一定范圍內(nèi)以純電動(dòng)模式行駛，有效回收車輛制動(dòng)時(shí)的能量，提高能量利用率。同時(shí)，電池組能提供足夠的電功率幫助電動(dòng)機(jī)驅(qū)使車輛啟動(dòng)、加速和爬坡，從而避免了類似常規(guī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)過載行駛情況的出現(xiàn)[2]。

增程式電動(dòng)商用汽車與普通混合動(dòng)力商用汽車相比，具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性，與純電動(dòng)汽車相比，提高了續(xù)駛里程，因此，這對(duì)于有運(yùn)輸任務(wù)的電動(dòng)商用汽車而言，可靠性和商業(yè)化程度有了很大的提高，且增程式電動(dòng)車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的直接耦合，結(jié)構(gòu)較簡單，僅由增程器、電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器組成，易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模塊化和生產(chǎn)系列化。

2　增程式商用汽車的性能指標(biāo)模型

2.1動(dòng)力性模型

增程式商用汽車動(dòng)力性分析主要包括最高車速、最大爬坡度和加速時(shí)間。

最高速度是指在良好的水平路面上汽車能達(dá)到的最高行駛車速。電機(jī)是增程式電動(dòng)商用汽車運(yùn)行時(shí)的直接動(dòng)力源，因而電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)與實(shí)際所能達(dá)到的最高車速直接相關(guān)[3-4]。

由電機(jī)最高轉(zhuǎn)速確定的最高車速vmax1為

由電機(jī)最大功率確定的最高車速vmax2為

式（1）中，nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r為輪胎半徑，ig為變速器傳動(dòng)比，i0為主減速器傳動(dòng)比；式（2）中，Pmax為電機(jī)最大功率，m為汽車質(zhì)量，η為傳動(dòng)效率，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，Cd為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積。

綜上，設(shè)計(jì)車型的實(shí)際最高車速vmax為

增程式商用汽車的加速時(shí)間也是表征動(dòng)力性的指標(biāo)參數(shù)，根據(jù)汽車?yán)碚?，汽車在良好平整公路上的行駛方程?/p>

式中，u為車速，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

由式（3）可得汽車的加速時(shí)間

汽車的爬坡能力也是評(píng)價(jià)動(dòng)力性的重要指標(biāo)之一，用最大爬坡度表示。計(jì)算最大爬坡度時(shí)，忽略加速阻力，其行駛方程式為

換算可得最大爬坡度為

2.2經(jīng)濟(jì)性模型

電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可用續(xù)駛里程表示。對(duì)于增程式商用汽車，包括純電動(dòng)模式續(xù)駛里程和增程式模式續(xù)駛里程2部分。

純電動(dòng)續(xù)駛里程取決于動(dòng)力電池的容量，在理想條件下，純電動(dòng)續(xù)駛里程可通過式（8）計(jì)算得出其中，W為電池總放電量，u為車速，η為電機(jī)和控制器的效率，P為需求功率

整理得

其中，DOD為蓄電池放電深度，u為平均車速，ηt為傳動(dòng)系效率，ηmc為電機(jī)工作點(diǎn)效率。

增程模式續(xù)駛里程取決于增程器連續(xù)工作的程度，此時(shí)即為油箱容積。增程模式下的續(xù)駛里程可以表示為

3　增程式商用汽車的仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1動(dòng)力性分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

動(dòng)力性分析平臺(tái)主要完成對(duì)車輛最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度的仿真，點(diǎn)擊動(dòng)力性分析主界面右下角“動(dòng)力性計(jì)算指標(biāo)”按鈕，右側(cè)計(jì)算結(jié)果區(qū)則顯示出相應(yīng)指標(biāo)值。除此之外，為了完善分析過程，為用戶提供更多參考依據(jù)，還設(shè)有表征汽車動(dòng)力性的曲線，包括驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖、爬坡度圖和加速度曲線圖，能夠更加直觀地表明汽車行駛時(shí)的受力情況、各擋位爬坡能力與加速能力。由于所繪制圖形種類很多，為了操作方便，將若干繪圖按鈕制成一個(gè)popupmenu控件，放在界面左下方，在此進(jìn)行繪制曲線名稱和擋位的選擇[5-6]。

根據(jù)前述動(dòng)力性計(jì)算模型，需要在計(jì)算前對(duì)整車質(zhì)量、迎風(fēng)面積、滾動(dòng)阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)等整車參數(shù)、電機(jī)參數(shù)和傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為了簡化主頁面，在主界面菜單欄中設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的鏈接按鍵，點(diǎn)擊則可進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面。圖2為某增程式商用車的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，輸入和計(jì)算出的參數(shù)通過global類型變量進(jìn)行傳遞。

圖2　傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖3為對(duì)該車型進(jìn)行動(dòng)力性分析的結(jié)果，由圖3可知，該車最高車速為100.8km/h，0到100 km/h加速時(shí)間為14.7s，在15km/h的速度下的最大爬坡度為31.6％。

圖3　動(dòng)力性分析主界面

為觀察各個(gè)擋位曲線的特點(diǎn)和所有曲線中的位置走向，繪制該車型所有擋位的驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖，如圖4所示。

圖4　所有擋位下驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖

3.2經(jīng)濟(jì)性分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)性分析平臺(tái)主要完成對(duì)純電動(dòng)續(xù)駛里程和增程式續(xù)駛里程的仿真。純電動(dòng)續(xù)駛里程的大小標(biāo)志著該汽車的環(huán)保程度，同時(shí)又與國家補(bǔ)貼程度密切相關(guān)；增程式續(xù)駛里程則直接影響商用車承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)的能力。

在經(jīng)濟(jì)性分析的主界面中，由用戶指定某一平均車速，即可計(jì)算出相應(yīng)續(xù)駛里程。為了直觀地展現(xiàn)續(xù)駛里程隨車速變化的情況，經(jīng)濟(jì)性分析平臺(tái)能夠繪制續(xù)駛里程與平均行駛速度的關(guān)系曲線。除此之外，為了提高分析的準(zhǔn)確性與全面性，還可實(shí)現(xiàn)電池的容量特性圖、電機(jī)電流與車速的關(guān)系圖。某車型的經(jīng)濟(jì)性分析主界面及純電動(dòng)續(xù)駛里程與速度關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5　經(jīng)濟(jì)性分析主界面

圖6　純電動(dòng)續(xù)駛里程與車速關(guān)系

由圖5可知，該增程式商用汽車以50 km/h的平均速度行駛，純電動(dòng)續(xù)駛里程為131.4km，增程式續(xù)駛里程為236.0km。通過菜單欄中的參數(shù)設(shè)置鏈接進(jìn)行仿真參數(shù)的設(shè)置，考慮到動(dòng)力電池電量與放電電流有關(guān)，同時(shí)放電電流隨車速、滾動(dòng)阻力系數(shù)、傳動(dòng)比、電機(jī)特性等一系列因素變化，因此要對(duì)整車、動(dòng)力電池、變速器、主減速器以及電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在增程模式下，增程器將影響增程續(xù)駛里程，還需設(shè)定增程器中發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)以及油箱容積、燃油密度。由圖6可以看出在純電動(dòng)模式下不同車速所對(duì)應(yīng)的續(xù)駛里程，繼而得出經(jīng)濟(jì)車速為58km/h，最長續(xù)駛里程為118km。

4　結(jié)束語

1）以Matlab/GUI為平臺(tái)設(shè)計(jì)了增程式商用汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性分析軟件，用戶界面包含窗口、圖標(biāo)和菜單等圖形和文本對(duì)象，將抽象的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算轉(zhuǎn)化成圖形，增加了數(shù)據(jù)處理的可視化程度。

2）軟件運(yùn)算速度快、精度高，輸出曲線光滑，能夠?yàn)樵龀淌缴逃密嚨脑O(shè)計(jì)與測(cè)試提供快捷有效的理論分析與仿真方法，是設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重要參考依據(jù)。

3）可根據(jù)需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展與移植，從而建立可控、可知、可修改的增程式商用車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真平臺(tái)，適用于不同車型的分析，為用戶提供良好的人機(jī)交互工具和方法。

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收稿日期：2015?09?21

文章編號(hào)：1002-4581（2016）01-0010-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51507013）；中央高?；穑?10822151025）。

中圖分類號(hào)：U469.72：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.003