基于Simulink的CVT電動汽車整車建模與仿真

李駿 聶昕 于祥珍

（1.東風柳州汽車有限公司；2.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室）

環(huán)境污染與資源短缺是汽車行業(yè)面臨的最大問題，新能源汽車可解決這一問題。無級變速器（CVT）可擁有無窮個擋位，這樣能夠極大地提高能源利用率，同時也能夠提高排放的清潔性，同時由于是自動控制，CVT不需要人為的換擋，操作簡單高效。綜合來說，電動汽車與金屬帶式無級變速器CVT都是具有很好的發(fā)展前景，將二者很好的結合將進一步發(fā)揮他們的優(yōu)勢，使汽車節(jié)能環(huán)保，降低污染。采用Simulink軟件能實現(xiàn)裝載CVT的純電動汽車的仿真，Simulink通過給予一個開放平臺，通過已有的模塊以及自定義模塊的組合，在滿足事實條件下，模擬出汽車的控制策略實現(xiàn)過程以及汽車的動力性表現(xiàn)等。

1 整車建模

1.1 整車建模依據(jù)

在ECE工況和勻速工況下，以汽車理論為基礎，仿真汽車模型，計算汽車動力性參數(shù)。基本過程是，在駕駛員模型中，主要依靠PID參數(shù)調(diào)節(jié)駕駛員模型，駕駛員模型輸出踏板開度后，在ECU模型中，經(jīng)過特定算法，得到目標轉矩發(fā)送給電機模型。在電機模型中，根據(jù)式（1）[1]得到轉矩、轉速及功率的關系。同時結合散熱控制模塊，電池信號輸出電機轉矩給CVT模型，CVT模型接到電機的轉矩后，同時收到轉速的信號，經(jīng)過ECU判斷信號后，進行速比調(diào)節(jié)，然后輸出轉矩給車身模型[2]，依據(jù)式（2）得到驅動力，根據(jù)式（3）計算得到汽車的加速度，經(jīng)過積分后得到汽車的車速，反饋給各個模塊后進行實時控制[3]。

式中：Pe——發(fā)動機功率，kW；

Ttq——發(fā)動機轉矩，N·m；

n——發(fā)動機轉速，r/min；

Ft——汽車驅動力，N；

Tt——作用于驅動輪上的轉矩，N·m；

r——驅動輪半徑，m；

ig——變速器的速比；

i0——主傳動比；

ηm——傳動效率；

G——汽車重力，N；

f——滾動阻力系數(shù)；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——迎風面積，m2；

v——車速，m/s；

i——坡度；

δ——旋轉質(zhì)量換算系數(shù)。

1.2 整車Simulink模型

整車模型[4]主要包括駕駛員模型、電機與電池模型、CVT模型、動力方程模型及ECU模型等。無級變速傳動系統(tǒng)控制示意圖，如圖1所示。

圖1 無級變速傳動系統(tǒng)控制示意圖

1.3 整車參數(shù)

整車模型中，電池組參數(shù)為30組，單體電壓為3.4 V，90 A·h。其余具體參數(shù)，如表1所示。

表1 裝載CVT電動汽車模型各項參數(shù)表

2 仿真結果分析

2.1 ECE工況下汽車加速能力仿真與分析

ECE工況下裝載CVT電動汽車速度仿真結果與實際對比，如圖2所示。對比城市循環(huán)速度曲線和仿真曲線可知，目標車速和實際車速的變化過程基本一致。

圖2 裝載CVT電動汽車速度仿真結果與實際對比圖

ECE工況下裝載CVT電動汽車轉速仿真，如圖3所示。與圖2對比分析，轉速變化符合行車規(guī)律，因此，電機模型比較成功。

圖3 裝載CVT電動汽車轉速仿真圖

汽車的速比變化，如圖4所示。速比變化與實際情況比較吻合，CVT的模塊驗證較為精確。

圖4 裝載CVT電動汽車速比仿真圖

汽車實際功率情況，如圖5所示。波形基本與實際車速波形吻合，功率的上升情況與速度的上升情況一致。由于實際車速在速度波峰時與目標車速基本接近，在接近區(qū)域時，功率有一定的穩(wěn)定狀態(tài)，符合功率的發(fā)出規(guī)律。

圖5 裝載CVT電動汽車實時功率圖

汽車的加速踏板與制動踏板的開度情況，如圖6所示。在汽車的加速與減速區(qū)間，踏板開度比較理想。

圖6 裝載CVT電動汽車加速踏板與制動踏板開度圖

總的來說，以ECE工況為輸入信號時，汽車的仿真結果比較接近真實情況，汽車的加速能力與制動能力均表現(xiàn)良好，各個參數(shù)指標都很正常。仿真結果說明裝載該款電機時，以同參數(shù)為基礎的車型可以適應ECE城市工況需求[5]。

2.2 50 km/h勻速工況下加速時間與續(xù)駛里程仿真與分析

50 km/h勻速行駛是純電動汽車比較常見的城市行駛工況，在50 km/h的勻速狀態(tài)下可以比較真實的反應汽車的續(xù)駛里程。在仿真模型中，輸入車速信號50 km/h，輸入仿真時間5 000 s。仿真結果，裝載CVT電動汽車目標車速與實際車速仿真比較，如圖7所示。裝載CVT電動汽車電池剩余電量比值，如圖8所示。

圖7 裝載CVT電動汽車目標車速與實際車速仿真比較

圖8 裝載CVT電動汽車電池剩余電量比值圖

根據(jù)圖7，仿真時間在4 500～5 000 s時，汽車停止。結合圖8可以看出，在電量剩余30%的時候，電量下降速度開始變緩；結合圖2說明ECU的控制模塊已經(jīng)將最大功率限制在了2.5 kW，ECU控制模塊和電池模塊均仿真正常。

裝載CVT電動汽車續(xù)駛里程放大圖，如圖9所示。根據(jù)動力方程模塊，在4 703 s時，停止仿真，此時汽車的行駛里程為6.034 8×104m，即續(xù)駛里程大致為60.34 km，與一般純電動汽車的續(xù)駛里程接近，驗證了電池控制是基本正確的，進一步驗證了模型的準確性。

圖9 裝載CVT電動汽車續(xù)駛里程放大圖

計算電動汽車的最高車速與加速能力，其仿真的基本思路是，輸入一個較大的目標車速信號，這樣汽車就會以最大的油門踏板開度即最大的加速度進行仿真，具體輸入信號可設為200 km/h的信號，仿真結果，如圖10所示。汽車在額定功率為11 kW和最高轉速為6 000 r/min下的最大行駛車速為78 km/h。從圖10可以看出，汽車的0～50 km/h加速時間為8.99 s，加速度基本能夠滿足平常的出行需求。

圖10 裝載CVT電動汽車車速放大圖

3 結論

以Simulink軟件為基礎，通過建立整車的系統(tǒng)動力學模型，進行ECE工況和勻速工況下的整車性能仿真。仿真結果比較真實，符合純電動汽車的基本數(shù)據(jù)，CVT控制比較合理。得出裝載CVT的純電動汽車0～50 km/h的加速時間為8.99 s，加速度基本能夠滿足平常的出行需求。在電機額定功率為11 kW，最高轉速為6 000 r/min的條件下，得到汽車的最大車速為78 km/h，完全能夠勝任所有的城市工況。當汽車以50 km/h從原地起步并保持勻速行駛狀態(tài)時，汽車的續(xù)駛里程為60.34 km，基本符合正常電動汽車的續(xù)駛里程大小，比一般的純電動汽車續(xù)駛里程略長，可以保證在一般的城市工況行駛。

通過仿真和分析可以看出，裝載CVT的純電動汽車，不論在動力性還是經(jīng)濟性上都有良好的表現(xiàn)，未來的汽車發(fā)展方向必然還是純電力驅動方向。而仿真的結果也充分說明了CVT能夠很好地運用到電動汽車上，由此不難想象，在未來的汽車領域，搭載CVT的電動汽車將會有一定的競爭力。