純電動汽車動力性經(jīng)濟性分析及仿真研究

何浩

(浙江合眾新能源汽車有限公司，浙江嘉興 314006)

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純電動汽車動力性經(jīng)濟性分析及仿真研究

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，仿真模型充分考慮整車參數(shù)以及動力系統(tǒng)性能參數(shù)；對整車的動力性及經(jīng)濟性進行仿真，特別是電機和控制器系統(tǒng)實時效率對續(xù)駛里程的影響。通過整車性能測試，驗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；性能測試

0引言

石油能源的危機、霧霾天氣的影響，使得新能源汽車越來越被普通大眾所接受。同時由于國家政策的支持，更加推動了新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。國家和地方補貼的同時，也制定了一系列的新能源汽車的準入條件，使新能源汽車朝著“重政策、輕補貼”的方向健康邁進。2015年，國家發(fā)布了《電動車校核條件與試驗》，文件中對新能源汽車的動力性、經(jīng)濟性以及輕量化都提出了新的要求，具體要求見表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，仿真模型充分考慮整車參數(shù)以及動力系統(tǒng)性能參數(shù)，對整車的動力性及經(jīng)濟性進行仿真，特別是電機和控制器系統(tǒng)實時效率對續(xù)駛里程的影響。

1仿真模型建立及運算

1.1仿真軟件說明

《電動車校核條件與試驗》政策的出臺，對新能源汽車生產(chǎn)廠商來說是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，如何在設(shè)計之初，就能滿足國家提出的技術(shù)要求，這就需要大量的細致的系統(tǒng)仿真工作。MathWork公司的Simulink是一個用于對動態(tài)系統(tǒng)進行多域建模和模型設(shè)計的平臺，它提供了交互式圖形環(huán)境以及自定義模塊庫和求解器，支持系統(tǒng)級設(shè)計、仿真、自動代碼生成以及嵌入式系統(tǒng)的連續(xù)測試和驗證。

作者采用MATLAB/Simulink對某電動汽車進行動力性、經(jīng)濟性仿真，在樣車試制出來后，對樣車的動力性、經(jīng)濟性進行實際測試。結(jié)果表明：實測與仿真誤差在±0.5%范圍內(nèi)，從而驗證了仿真的有效性。

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動力性仿真模型

首先，進行動力性仿真分析，汽車的動力性主要由3個方面的指標來評定：

(1)汽車的最高車速vmax;

(2)汽車的加速時間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理論里的公式計算得出，因此仿真模型不再贅述，結(jié)合表2及表3整車參數(shù)直接計算，其最高車速為127.13 km/h。

式中：nmax為電機轉(zhuǎn)速；

r為車輪半徑；

ig為總傳動比。

1.3.1.2加速時間仿真

根據(jù)汽車理論，建立汽車的行駛阻力模型，滾動阻力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，還要考慮整車的坡道阻力Fi，文中計算平地上整車的加速時間，因此不考慮坡度。

汽車的行駛阻力模型見圖1，由汽車的行駛方程式可以得到汽車驅(qū)動力為：

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為加速時間。

由以上2組方程式，建立整車加速時間仿真模型見圖2，當汽車的速度vspeed與其設(shè)定值一致時，停止仿真，觀察整車的加速時間。加速時間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

一般來說，在設(shè)計汽車之初，會針對市場定義整車的銷售區(qū)域，從而在整車目標中定義整車的爬坡度，爬坡能力對應電機的驅(qū)動力?？梢栽贛ATLAB里利用m函數(shù)計算出滿足整車爬坡能力所需要的驅(qū)動電機的扭矩。定義此款電動車的爬坡度為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

運行仿真得出電動汽車驅(qū)動電機的峰值扭矩需要大于160 N·m，見圖4。

1.3.2整車經(jīng)濟性仿真

整車的經(jīng)濟性包括以下3個方面：

(1)能量消耗率

(2)制動能量回收

(3)續(xù)駛里程

整車的續(xù)駛里程與電池的能量、驅(qū)動系統(tǒng)的效率、高壓電動空調(diào)的開啟等有著密切的聯(lián)系。為了更準確地仿真不同工況下實際續(xù)駛里程，需要考慮到再生制動對續(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，沒有考慮到電機和電機控制器在不同轉(zhuǎn)速及不同扭矩下的效率，僅僅當成一個固定的效率值輸入進行仿真，實際結(jié)果顯示，此種仿真與實際誤差較大，不能有效反映出整車的實際情況。此仿真中，引入電機的實時效率，模型如圖6所示。

當整車驅(qū)動時，驅(qū)動系統(tǒng)消耗電池能量，能量的流動方向為：動力電池→電機控制器→驅(qū)動電機→傳動系統(tǒng)→車輪。因此整車驅(qū)動從電池消耗的能量Eposenergy為：

當再生制動時，能量的流動方向為：車輪→傳動系統(tǒng)→電機系統(tǒng)→動力電池，因此回饋的能量需要乘以各級效率，回饋到電池里的能量Enegenergy為：

Enegenergy=∫t0Pwheel×ητ×ηmotorsysdt

充分考慮到電機、控制器、傳動系統(tǒng)的效率，搭建的續(xù)駛里程的模型見圖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，仿真的續(xù)駛里程為159.1 km，如圖8及圖9所示。帶再生制動仿真的續(xù)駛里程為190.4 km。制動能量回收對續(xù)駛里程的貢獻率為：(190.4-159.1)/190.4=16.4%，符合國家相關(guān)政策規(guī)定。

2試驗驗證

為了驗證仿真的正確性，在此電動車裝調(diào)后，對整車的動

力性、經(jīng)濟性等參數(shù)進行實車驗證。

動力性試驗測試參照GB/T18385-2005《電動汽車 動力性能 試驗方法》執(zhí)行，經(jīng)濟性試驗測試參照GB/T 18386-2005《電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗方法》執(zhí)行。

2.1整車動力性測試

首先進行整車動力性測試，測試步驟如下：

(1)電動汽車為A級車，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)試驗道路為干燥的直線道路，路面堅硬、平整、干凈且有良好的附著系數(shù)；

(3)道路足夠長，且沒有任何坡度；

(4)將試驗車輛置于起始位置，啟動車輛；

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

測試后靜置整車，整車狀態(tài)恢復至第一次運行時的初始狀態(tài)，相反方向再做一次最高車速的加速測試，記錄加速時間。

測試過程中，整車速度不從儀表讀取，為了防止超速，整車儀表顯示與實際速度會有+3%的誤差，因此需要通過監(jiān)控軟件同步監(jiān)控整車車速，這樣計算出來的加速時間比較準確。整車測試兩次記錄的時間如表4所示。

2.2整車經(jīng)濟性測試

經(jīng)濟性試驗在輪轂試驗室進行，車輛按照GB/T 18385-2005規(guī)定的充電程序為動力蓄電池充電，使蓄電池達到全充滿狀態(tài)，輪轂測功機設(shè)定NEDC、ECE等所需工況，然后立即開始測試。

首先整車控制器屏蔽再生制動功能，啟動車輛運行至電池不能釋放剩余電量時，記錄續(xù)駛里程。然后，重新使蓄電池達到充滿電量狀態(tài)，整車帶再生制動功能，啟動車輛運行至電池不能釋放剩余電量時，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)試驗實測值與仿真值的比較可以看出在整車設(shè)計之初進行系統(tǒng)仿真的必要性，仿真可以有效地指導動力系統(tǒng)的選擇以及整車目標的制定，仿真為電動汽車的設(shè)計、性能預測和分析提供了一種方法和手段。

參考文獻:

【1】余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(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

作者簡介：何浩(1983—)，男，本科，工程師，主要從事汽車試驗開發(fā)及研究工作。E-mail:hehao01_hz@163.com。

中圖分類號:U461.8

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)03-018-05