何浩

(浙江合眾新能源汽車有限公司，浙江嘉興 314006)

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純電動(dòng)汽車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性分析及仿真研究

何浩

(浙江合眾新能源汽車有限公司，浙江嘉興 314006)

摘要：利用MATLAB/Simulink軟件建立新能源汽車的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，仿真模型充分考慮整車參數(shù)以及動(dòng)力系統(tǒng)性能參數(shù)；對(duì)整車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，特別是電機(jī)和控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)效率對(duì)續(xù)駛里程的影響。通過(guò)整車性能測(cè)試，驗(yàn)證了仿真的有效性和正確性。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；系統(tǒng)仿真；性能測(cè)試

0引言

石油能源的危機(jī)、霧霾天氣的影響，使得新能源汽車越來(lái)越被普通大眾所接受。同時(shí)由于國(guó)家政策的支持，更加推動(dòng)了新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。國(guó)家和地方補(bǔ)貼的同時(shí)，也制定了一系列的新能源汽車的準(zhǔn)入條件，使新能源汽車朝著“重政策、輕補(bǔ)貼”的方向健康邁進(jìn)。2015年，國(guó)家發(fā)布了《電動(dòng)車校核條件與試驗(yàn)》，文件中對(duì)新能源汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及輕量化都提出了新的要求，具體要求見(jiàn)表1。作者將利用MATLAB/Simulink軟件，建立新能源汽車的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，仿真模型充分考慮整車參數(shù)以及動(dòng)力系統(tǒng)性能參數(shù)，對(duì)整車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，特別是電機(jī)和控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)效率對(duì)續(xù)駛里程的影響。

1仿真模型建立及運(yùn)算

1.1仿真軟件說(shuō)明

《電動(dòng)車校核條件與試驗(yàn)》政策的出臺(tái)，對(duì)新能源汽車生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何在設(shè)計(jì)之初，就能滿足國(guó)家提出的技術(shù)要求，這就需要大量的細(xì)致的系統(tǒng)仿真工作。MathWork公司的Simulink是一個(gè)用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行多域建模和模型設(shè)計(jì)的平臺(tái)，它提供了交互式圖形環(huán)境以及自定義模塊庫(kù)和求解器，支持系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、仿真、自動(dòng)代碼生成以及嵌入式系統(tǒng)的連續(xù)測(cè)試和驗(yàn)證。

作者采用MATLAB/Simulink對(duì)某電動(dòng)汽車進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真，在樣車試制出來(lái)后，對(duì)樣車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明：實(shí)測(cè)與仿真誤差在±0.5%范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了仿真的有效性。

1.2整車技術(shù)參數(shù)

某新能源汽車的參數(shù)如表2及表3所示。

1.3整車性能仿真

1.3.1動(dòng)力性仿真模型

首先，進(jìn)行動(dòng)力性仿真分析，汽車的動(dòng)力性主要由3個(gè)方面的指標(biāo)來(lái)評(píng)定：

(1)汽車的最高車速vmax;

(2)汽車的加速時(shí)間t;

(3)汽車的最大爬坡度imax。

1.3.1.1汽車最高車速

最高車速仿真可由汽車?yán)碚摾锏墓接?jì)算得出，因此仿真模型不再贅述，結(jié)合表2及表3整車參數(shù)直接計(jì)算，其最高車速為127.13 km/h。

式中：nmax為電機(jī)轉(zhuǎn)速；

r為車輪半徑；

ig為總傳動(dòng)比。

1.3.1.2加速時(shí)間仿真

根據(jù)汽車?yán)碚?，建立汽車的行駛阻力模型，滾動(dòng)阻力Ff和空氣阻力Fw是在任何行駛條件下均存在的，在坡道上行駛時(shí)，還要考慮整車的坡道阻力Fi，文中計(jì)算平地上整車的加速時(shí)間，因此不考慮坡度。

汽車的行駛阻力模型見(jiàn)圖1，由汽車的行駛方程式可以得到汽車驅(qū)動(dòng)力為：

F=Ft-(Ff+Fw)= m·a

而速度和加速度的關(guān)系式為：

式中：a為汽車的加速度；

vspeed為汽車的速度；

t為加速時(shí)間。

由以上2組方程式，建立整車加速時(shí)間仿真模型見(jiàn)圖2，當(dāng)汽車的速度vspeed與其設(shè)定值一致時(shí)，停止仿真，觀察整車的加速時(shí)間。加速時(shí)間t仿真結(jié)果為4.4 s，如圖3所示。

1.3.1.3汽車的最大爬坡度仿真

一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)汽車之初，會(huì)針對(duì)市場(chǎng)定義整車的銷售區(qū)域，從而在整車目標(biāo)中定義整車的爬坡度，爬坡能力對(duì)應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?？梢栽贛ATLAB里利用m函數(shù)計(jì)算出滿足整車爬坡能力所需要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩。定義此款電動(dòng)車的爬坡度為30%，即16.7°。MATLAB程序如下：

podu=(0∶5∶30)/100;

[i0,j0] = size(podu);

VehSped=(0∶20∶60)′;

[i1,j1] = size(VehSped);

F = zeros(i1,j0);

for i=1∶j0

F(∶,i)=C_d*A*VehSped.^2 + G*sin(atan(podu(i)))+G*f*cos(atan(podu(i)));

Ttq = F*R/(ig*yita);

end

運(yùn)行仿真得出電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩需要大于160 N·m，見(jiàn)圖4。

1.3.2整車經(jīng)濟(jì)性仿真

整車的經(jīng)濟(jì)性包括以下3個(gè)方面：

(1)能量消耗率

(2)制動(dòng)能量回收

(3)續(xù)駛里程

整車的續(xù)駛里程與電池的能量、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、高壓電動(dòng)空調(diào)的開(kāi)啟等有著密切的聯(lián)系。為了更準(zhǔn)確地仿真不同工況下實(shí)際續(xù)駛里程，需要考慮到再生制動(dòng)對(duì)續(xù)駛里程的增加。具體的能量模型如圖5所示。

往期的研究中，沒(méi)有考慮到電機(jī)和電機(jī)控制器在不同轉(zhuǎn)速及不同扭矩下的效率，僅僅當(dāng)成一個(gè)固定的效率值輸入進(jìn)行仿真，實(shí)際結(jié)果顯示，此種仿真與實(shí)際誤差較大，不能有效反映出整車的實(shí)際情況。此仿真中，引入電機(jī)的實(shí)時(shí)效率，模型如圖6所示。

當(dāng)整車驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗電池能量，能量的流動(dòng)方向?yàn)椋簞?dòng)力電池→電機(jī)控制器→驅(qū)動(dòng)電機(jī)→傳動(dòng)系統(tǒng)→車輪。因此整車驅(qū)動(dòng)從電池消耗的能量Eposenergy為：

當(dāng)再生制動(dòng)時(shí)，能量的流動(dòng)方向?yàn)椋很囕啞鷤鲃?dòng)系統(tǒng)→電機(jī)系統(tǒng)→動(dòng)力電池，因此回饋的能量需要乘以各級(jí)效率，回饋到電池里的能量Enegenergy為：

Enegenergy=∫t0Pwheel×ητ×ηmotorsysdt

充分考慮到電機(jī)、控制器、傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，搭建的續(xù)駛里程的模型見(jiàn)圖7。

輸入不同的整車工況，便能仿真出不同工況下的續(xù)駛里程。ECE工況下，不帶再生制動(dòng)，仿真的續(xù)駛里程為159.1 km，如圖8及圖9所示。帶再生制動(dòng)仿真的續(xù)駛里程為190.4 km。制動(dòng)能量回收對(duì)續(xù)駛里程的貢獻(xiàn)率為：(190.4-159.1)/190.4=16.4%，符合國(guó)家相關(guān)政策規(guī)定。

2試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真的正確性，在此電動(dòng)車裝調(diào)后，對(duì)整車的動(dòng)

力性、經(jīng)濟(jì)性等參數(shù)進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。

動(dòng)力性試驗(yàn)測(cè)試參照GB/T18385-2005《電動(dòng)汽車 動(dòng)力性能 試驗(yàn)方法》執(zhí)行，經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)測(cè)試參照GB/T 18386-2005《電動(dòng)汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗(yàn)方法》執(zhí)行。

2.1整車動(dòng)力性測(cè)試

首先進(jìn)行整車動(dòng)力性測(cè)試，測(cè)試步驟如下：

(1)電動(dòng)汽車為A級(jí)車，整車整備質(zhì)量1 060 kg,允許裝載質(zhì)量為180 kg，參數(shù)與仿真數(shù)據(jù)保持一致；

(2)試驗(yàn)道路為干燥的直線道路，路面堅(jiān)硬、平整、干凈且有良好的附著系數(shù)；

(3)道路足夠長(zhǎng)，且沒(méi)有任何坡度；

(4)將試驗(yàn)車輛置于起始位置，啟動(dòng)車輛；

(5)將加速踏板踩到底，一直加速到車速不再增加為止，讀取此時(shí)的最高車速，并記錄加速時(shí)間。

測(cè)試后靜置整車，整車狀態(tài)恢復(fù)至第一次運(yùn)行時(shí)的初始狀態(tài)，相反方向再做一次最高車速的加速測(cè)試，記錄加速時(shí)間。

測(cè)試過(guò)程中，整車速度不從儀表讀取，為了防止超速，整車儀表顯示與實(shí)際速度會(huì)有+3%的誤差，因此需要通過(guò)監(jiān)控軟件同步監(jiān)控整車車速，這樣計(jì)算出來(lái)的加速時(shí)間比較準(zhǔn)確。整車測(cè)試兩次記錄的時(shí)間如表4所示。

2.2整車經(jīng)濟(jì)性測(cè)試

經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)在輪轂試驗(yàn)室進(jìn)行，車輛按照GB/T 18385-2005規(guī)定的充電程序?yàn)閯?dòng)力蓄電池充電，使蓄電池達(dá)到全充滿狀態(tài)，輪轂測(cè)功機(jī)設(shè)定NEDC、ECE等所需工況，然后立即開(kāi)始測(cè)試。

首先整車控制器屏蔽再生制動(dòng)功能，啟動(dòng)車輛運(yùn)行至電池不能釋放剩余電量時(shí)，記錄續(xù)駛里程。然后，重新使蓄電池達(dá)到充滿電量狀態(tài)，整車帶再生制動(dòng)功能，啟動(dòng)車輛運(yùn)行至電池不能釋放剩余電量時(shí)，記錄續(xù)駛里程。兩次續(xù)駛里程如表5所示。

3結(jié)論

文中根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與仿真值的比較可以看出在整車設(shè)計(jì)之初進(jìn)行系統(tǒng)仿真的必要性，仿真可以有效地指導(dǎo)動(dòng)力系統(tǒng)的選擇以及整車目標(biāo)的制定，仿真為電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)和分析提供了一種方法和手段。

參考文獻(xiàn):

【1】余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Dynamic and Economy Analysis and Simulation for Energy Vehicles

HE Hao

(Zhejiang Hozon New Energy Automotive Co.,Ltd., Jiaxing Zhejiang 314006,China)

Keywords:New energy vehicle; System simulation; Performance test

Abstract:By using MATLAB/Simulink software, the system simulation platform of new energy vehicles was set up.In the vehicle simulation model,the whole vehicle parameters and performance parameters of the powertrain system were given full consideration.The dynamicand economy of the vehicle were simulated,especially the influence of motor and controller system real-time efficiency to the travel distance.Through the vehicle performance test, the validity and the correctness of the simulation were verified.

收稿日期：2015-12-22

作者簡(jiǎn)介：何浩(1983—)，男，本科，工程師，主要從事汽車試驗(yàn)開(kāi)發(fā)及研究工作。E-mail:hehao01_hz@163.com。

中圖分類號(hào):U461.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)03-018-05