基于Visual Studio和Matlab混合編程的整車動(dòng)力匹配及性能分析
2019-10-21 10:43:14張行峰
汽車實(shí)用技術(shù) 2019年1期
張行峰
摘 要：文章介紹基于Visual Studio和Matlab混合編程的整車動(dòng)力匹配及性能分析軟件模型，明確所需開發(fā)工具、技術(shù)方案、參數(shù)及其取值、計(jì)算公式，實(shí)例分析某純電動(dòng)乘用車的參數(shù)匹配及其性能驗(yàn)證，為純電動(dòng)整車動(dòng)力性匹配設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：純電動(dòng)車;動(dòng)力匹配;性能分析;混合編程中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）01-91-04
Vehicle Dynamics Matching and Performance Analysis Based on Mixed Programof Visual Studio and Matlab
Zhang Xingfeng
（?Nanjing Golden Dragon Bus Co.， Ltd， Jiangsu Nanjing 211215?）
Abstract：This paper introduces the vehicle dynamic matching and performance analysis software model based on Visual Studio and Matlab mixed program， clarifies the riquired development tools， technical solutions， parameters and their values， calculation formulas， and analyzes the parameter matching of a battery electrical vehicle. Its performance verification provides reference for the dynamic matching design of battery electrical vehicles.Keywords：?battery electrical vehicle; dynamic matching; performance analysis; Mixed ProgramCLC NO.： U469.72Document Code： AArticle ID：1671-7988（2019）01-91-04
前言
隨著新能源汽車國(guó)家大力推廣，很多補(bǔ)貼措施也相應(yīng)出臺(tái)，越來越多的車企轉(zhuǎn)型生產(chǎn)新能源汽車，需要對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配，且對(duì)其實(shí)現(xiàn)性能進(jìn)行計(jì)算分析，通過二次匹配再次分析驗(yàn)證達(dá)到優(yōu)化的目的，從而新能源汽車性能仿真的需求增加?，F(xiàn)有的車輛性能模擬仿真軟件AVL-Cruise雖能夠使用模塊化的建模手段對(duì)各部件模型、參數(shù)進(jìn)行整合，但必須按照Cruise已有的規(guī)則選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置更改，計(jì)算方式不被用戶熟知、查看且無法修改，不便于開發(fā)多種車型的新能源汽車。其仿真計(jì)算時(shí)容易出現(xiàn)紅色錯(cuò)誤信息提示，可操作性不強(qiáng)。
本文主要解決現(xiàn)有的汽車仿真軟件ADVISOR、AVL-Cruise?所存在的需要進(jìn)行精確建模、操作繁瑣且計(jì)算方式被固化不易修改，以及運(yùn)行計(jì)算過程中容易報(bào)錯(cuò)，計(jì)算速度慢，穩(wěn)定性差等問題，從而提供一種配置功能自定義方便，配置參數(shù)快捷，可操作性強(qiáng)，計(jì)算速度快和穩(wěn)定性強(qiáng)的汽車整車性能仿真計(jì)算軟件及開發(fā)方法[1]。目的在于根據(jù)性能指標(biāo)提供一種純電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配及通過一種基于Visual Studio和Matlab混合編程的軟件來仿真、計(jì)算其動(dòng)力性能，從而合理匹配電機(jī)參數(shù)，從而提高電機(jī)效率，增加續(xù)駛里程，并有效節(jié)約電機(jī)開發(fā)成本。
1 軟件模型主要特征
一種基于Visual Studio和Matlab混合編程的整車動(dòng)力匹配及性能分析方法，其特征在于：所述軟件是以Matlab/ GUI軟件為開發(fā)工具，開發(fā)出參數(shù)匹配計(jì)算分析平臺(tái)界面和動(dòng)力性分析平臺(tái)界面，在界面m文件程序代碼中使用Matlab語(yǔ)言設(shè)計(jì)電機(jī)需求算法和車輛動(dòng)力性能算法，再通過Visual Studio 2010編譯，生成可脫離MATLAB環(huán)境運(yùn)行的軟件。參數(shù)匹配計(jì)算分析軟件根據(jù)輸入的整車參數(shù)可以計(jì)算分析確定電機(jī)參數(shù)，根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)外特性數(shù)據(jù)后導(dǎo)入動(dòng)力性分析軟件可以仿真計(jì)算出其動(dòng)力性能[5-7]。
上述特征包括以下要點(diǎn)：參數(shù)匹配計(jì)算分析平臺(tái)和動(dòng)力性分析平臺(tái)均適用于帶有1-6擋變速器的純電動(dòng)車輛;參數(shù)匹配計(jì)算分析平臺(tái)基于動(dòng)力與功率平衡理論，快速計(jì)算來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配;電機(jī)參數(shù)匹配包括峰值轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、峰值功率;動(dòng)力性分析平臺(tái)根據(jù)汽車動(dòng)力性數(shù)學(xué)模型，快速分析搭載驅(qū)動(dòng)電機(jī)的純電動(dòng)車輛的動(dòng)力性能[2]。
所述純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性包括最高車速、最大爬坡度 、原地起步加速至第一預(yù)定車速時(shí)間、原地起步加速至第二預(yù)定車速時(shí)間和第一預(yù)定車速超車加速至第二預(yù)定車速時(shí)間;所述軟件可以結(jié)合Excel軟件方便用戶提取仿真結(jié)果，也可以結(jié)合Access軟件用來儲(chǔ)存仿真參數(shù);所述仿真優(yōu)化為反復(fù)修改參數(shù)，及對(duì)應(yīng)地反復(fù)調(diào)整Excel外特性數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次反復(fù)性能仿真計(jì)算分析，直至輸出的動(dòng)力性能滿足且剛好滿足對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)為止;軟件導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)，導(dǎo)入后Excel文件路徑和文件名會(huì)在Edit Text里面顯示出來。
2 具體技術(shù)方案
一種基于Visual?Studio和Matlab混合編程的整車動(dòng)力匹配及性能驗(yàn)證方法，包括如下步驟：
（1）確定整車參數(shù)及性能指標(biāo);
（2）將參數(shù)輸入電機(jī)選型軟件進(jìn)行計(jì)算;
（3）根據(jù)匹配出的參數(shù)設(shè)計(jì)出電機(jī)外特性數(shù)據(jù);
（4）動(dòng)力性分析軟件導(dǎo)入外特性數(shù)據(jù);
（5）動(dòng)力性分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證;
（6）進(jìn)行多次設(shè)計(jì)、仿真分析，對(duì)參數(shù)及外特性曲線進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。
進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述電動(dòng)汽車是基于傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行改裝的純電動(dòng)汽車，在保留原車系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改用蓄電池、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。
進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述整車參數(shù)有半載質(zhì)量、滿載質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、滾動(dòng)半徑、滾動(dòng)阻力系數(shù)、動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)效率、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)、重力加速度。性能指標(biāo)有最高車速、最大爬坡度、最大爬坡車速、0-50km/h加速時(shí)間、0-100km/h加速時(shí)間。
進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述電動(dòng)汽車是基于傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行改裝的純電動(dòng)汽車，在保留原車系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改用蓄電池、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。
進(jìn)一步地，步驟（2）中，參數(shù)匹配計(jì)算分析平臺(tái)計(jì)算結(jié)果包括兩部分：一部分根據(jù)電動(dòng)車輛的動(dòng)力性指標(biāo)初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)，包括峰值功率和額定功率、最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速以及峰值扭矩和額定扭矩[3]。另外一部分提供了車速與轉(zhuǎn)速、車速與功率、車速與扭矩等相關(guān)曲線的繪制。
進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述設(shè)計(jì)外特性數(shù)據(jù)是根據(jù)匹配
出的參數(shù)設(shè)計(jì)出電機(jī)外特性數(shù)據(jù)：在Excel表格中第一列列出轉(zhuǎn)速，[0，ceiling（nmax）]，ceiling（nmax）為向上取整，第一列下拉轉(zhuǎn)速以100/10/1或其他的數(shù)遞增均可。第二列列出轉(zhuǎn)矩，[ceiling（Tmax），Tn]，ceiling（Tmax）為向上取整，可以留一些余量。第二列下拉轉(zhuǎn)矩直到額定轉(zhuǎn)速即基數(shù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩保持恒定值，第三列列出功率，同一行功率為同一行的轉(zhuǎn)速乘以轉(zhuǎn)矩
除以9550得到數(shù)值。第三列下拉功率過基數(shù)點(diǎn)后保持恒定值。
進(jìn)一步地，步驟（4）中，動(dòng)力性分析軟件導(dǎo)入Excel外特性數(shù)據(jù)：導(dǎo)入后Excel文件路徑和文件名會(huì)在Edit Text里面顯示出來，可以很清楚得看出導(dǎo)入的事哪個(gè)盤及哪個(gè)文件，有效地避免了導(dǎo)入錯(cuò)誤文件。
進(jìn)一步地，步驟（5）中，動(dòng)力性分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證：電動(dòng)車輛動(dòng)力性的評(píng)定指標(biāo)有：最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。
進(jìn)一步地，步驟（5）中，分析結(jié)果包括兩部分：一部分根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)計(jì)算出最高車速、最大爬坡度、加速時(shí)間。另外一部分提供了電機(jī)外特性、驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力圖、加速時(shí)間圖、爬坡度圖、功率平衡圖等相關(guān)曲線的繪制，可以客觀、直接的評(píng)價(jià)旭驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力性能。
進(jìn)一步地，步驟（6）中，進(jìn)行多次設(shè)計(jì)、仿真分析，對(duì)參數(shù)及外特性曲線進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化：反復(fù)修改參數(shù)，及對(duì)應(yīng)地反復(fù)調(diào)整Excel外特性數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次反復(fù)性能仿真計(jì)算分析，直至輸出的動(dòng)力性能滿足且剛好滿足對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)為止[8-9]。
3 軟件的具體實(shí)例應(yīng)用
現(xiàn)以設(shè)計(jì)純電動(dòng)乘用車，最高車速的性能指標(biāo)不低于140km/h、最大爬坡度的性能指標(biāo)為不低于30%，原地起步加速至50km/h的加速時(shí)間的性能指標(biāo)為小于4.6s及原地起步加速至100km/h的加速時(shí)間的性能指標(biāo)為小于10s為具體設(shè)計(jì)實(shí)施例說明本發(fā)明的參數(shù)匹配及性能驗(yàn)證分析方法[4]。
3.1 首先進(jìn)行純電動(dòng)乘用車動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型參數(shù)的初步匹配
3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率計(jì)算
根據(jù)最高車速計(jì)算確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。
3.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率計(jì)算
驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率必須滿足最大爬坡度時(shí)的功率Pmax，i、根據(jù)0-50km/h加速時(shí)間要求而定的功率Pmax，t1、0-100km/h加速時(shí)間要求而定的功率Pmax，t2、最高車速時(shí)的功率Pmax，v，即峰值功率：
其中，
3.1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過載系數(shù)計(jì)算
考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率和峰值功率要留有一定的余量，根據(jù)可供選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率45kW，峰值功率為135kW。
電機(jī)過載系數(shù)。
針對(duì)存在減速機(jī)構(gòu)的車型。
3.1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰的值轉(zhuǎn)速計(jì)算
當(dāng)汽車以最高車速運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速nmax對(duì)應(yīng)著汽車行駛的最高車速。
峰值轉(zhuǎn)速要留有一點(diǎn)余量，因此確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速為10000rpm。
3.1.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩計(jì)算
峰值轉(zhuǎn)矩Tmax的選擇需要滿足汽車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，結(jié)合傳動(dòng)系傳動(dòng)比和最大爬坡度αmax來確定。
3.1.6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速計(jì)算
電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)。
根據(jù)額定轉(zhuǎn)速5000rpm，因此確定峰值轉(zhuǎn)矩為257.85N·m。
3.1.7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算
3.2 根據(jù)匹配出的參數(shù)設(shè)計(jì)出電機(jī)外特性數(shù)據(jù)
Excel表格中第一列列出轉(zhuǎn)速，[0，10000]，第一列下拉轉(zhuǎn)速以5遞增。第二列列出轉(zhuǎn)矩，[257.85，Tn]。
第二列下拉轉(zhuǎn)矩直到額定轉(zhuǎn)速即基數(shù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩保持恒定值。
第三列列出功率，
同一行功率
為同一行的轉(zhuǎn)速乘以轉(zhuǎn)矩除以9550得到數(shù)值。第三列下拉功率過基數(shù)點(diǎn)后保持恒定值。
3.3 動(dòng)力性分析軟件導(dǎo)入外特性數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證
軟件導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證。電動(dòng)車輛動(dòng)力性的評(píng)定指標(biāo)有：最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。
3.3.1 最高車速計(jì)算
最高車速指在無風(fēng)條件下，汽車在水平、良好路面行駛所能達(dá)到的最高穩(wěn)定車速。
汽車的行駛方程式：
，式中：Ft、Ff、Fw、Fi、Fj分別為驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力。根據(jù)汽車行駛方程，在水平、良好路面上，坡度阻力Fi=0，若要穩(wěn)定行駛，則加速阻力Fj=0。若驅(qū)動(dòng)力Ft曲線與Ff +Fw曲線存在交點(diǎn)，則驅(qū)動(dòng)力Ft曲線與Ff +Fw曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的車速即為最高車速。此時(shí)最高車速：
若驅(qū)動(dòng)力Ft曲線與Ff +Fw曲線不存在交點(diǎn)，即驅(qū)動(dòng)力Ft曲線始終在Ff +Fw曲線的上方，此時(shí)最高車速：
其中nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，i0為主減速器傳動(dòng)比，r為車輪半徑。
3.3.2 加速時(shí)間計(jì)算
加速時(shí)間表示汽車的加速能力，根據(jù)加速時(shí)間圖，能推出某車由某一車速全力加速至另一車速所花的時(shí)間。可以以原地起步0-某個(gè)末車速的加速時(shí)間來評(píng)價(jià)汽車的動(dòng)力性。也可以以超車加速時(shí)間則從某個(gè)初速度加速到某個(gè)末車速的加速時(shí)間來評(píng)價(jià)汽車的動(dòng)力性。
未提出爬坡時(shí)加速，故爬坡阻力Fi=0。
3.3.3 最大爬坡度計(jì)算
車輛的爬坡性能，指在良好不打滑的路面上，車輛克服滾動(dòng)阻力、坡度阻力后，剩余的功率能夠爬上的最大坡度。
汽車的上坡能力是用滿載時(shí)汽車在良好路面的最大爬坡度imax來表示。根據(jù)imax=tan（αmax）即可換算出最大爬坡度。
動(dòng)力性分析軟件第一次仿真計(jì)算的結(jié)果為：最高車速147.5579km/h，最大爬坡度為33.7522%，0-50km/h加速時(shí)間為4.82315s，0-100km/h加速時(shí)間為10.3533s，顯然加速性能未達(dá)到對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)0-50km/h加速時(shí)間為4.6s，0-100km/h加速時(shí)間為10s的要求。需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在此可根據(jù)仿真計(jì)算值與對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)的差距進(jìn)行重新選擇[10-11]：
3.4 優(yōu)化及驗(yàn)證
將峰值功率從135kW調(diào)整為139.5kW（45kW的3.1倍）即140kW，峰值轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)從257.85N·m調(diào)整為267.4N·m。其余參數(shù)不變。
根據(jù)調(diào)整后的參數(shù)在Excel數(shù)據(jù)中進(jìn)行對(duì)應(yīng)更新，軟件導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證。優(yōu)化后第二次仿真計(jì)算結(jié)果為：0-50km/h加速時(shí)間為4.64367s，0-100km/h加速時(shí)間為9.95817s，顯然仍未達(dá)到對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)0-50km/h加速時(shí)間為4.6s的要求，需要再一次對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配計(jì)算分析平臺(tái)
將峰值功率從140kW調(diào)整為144kW（45kW的3.2倍），峰值轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)從267.4N·m調(diào)整為275.04N·m。其余參數(shù)不變。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力性分析平臺(tái)
根據(jù)調(diào)整后的參數(shù)在Excel數(shù)據(jù)中進(jìn)行對(duì)應(yīng)更新，軟件導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證。優(yōu)化后第三次仿真計(jì)算結(jié)果為：0-50km/h加速時(shí)間為4.50942s，0-100km/h加速時(shí)間為9.66318s，滿足對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)0-50km/h加速時(shí)間為4.6s，0-100km/h加速時(shí)間為10s設(shè)計(jì)目標(biāo)要求[12]。
如此，經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)整和仿真計(jì)算驗(yàn)證，直至使得各性能參數(shù)滿足對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)要求為止，至此完成匹配。使得本發(fā)明的匹配方法在保證匹配精度、降低開發(fā) 成本和縮短開發(fā)周期上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
性能分析方法的一種實(shí)施方式的流程圖
4 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了基于Visual Studio和Matlab混合編程的整車動(dòng)力匹配及性能分析軟件模型，制定了技術(shù)方案，并詳細(xì)給出了計(jì)算所需的參數(shù)及其取值和計(jì)算公式。經(jīng)驗(yàn)證表明，該軟件運(yùn)行速度快，可隨時(shí)根據(jù)動(dòng)力性設(shè)計(jì)需求變更相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算，結(jié)果準(zhǔn)確。因其可在未打開MATLAB和Visual Studio2010軟件情況下的電腦上運(yùn)行，可操作性強(qiáng)，節(jié)省了大量時(shí)間和電腦占用空間，可實(shí)現(xiàn)在純電動(dòng)車動(dòng)力性設(shè)計(jì)發(fā)面推廣應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，可對(duì)該軟件模型進(jìn)一步研究與優(yōu)化。
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