基于Visual Studio和Matlab混合編程的整車動力匹配及性能分析
2019-10-21 10:43:14張行峰
汽車實用技術 2019年1期
張行峰
摘 要：文章介紹基于Visual Studio和Matlab混合編程的整車動力匹配及性能分析軟件模型，明確所需開發工具、技術方案、參數及其取值、計算公式，實例分析某純電動乘用車的參數匹配及其性能驗證，為純電動整車動力性匹配設計提供參考。關鍵詞：純電動車;動力匹配;性能分析;混合編程中圖分類號：U469.72 ?文獻標志碼：A ?文章編號：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
隨著新能源汽車國家大力推廣，很多補貼措施也相應出臺，越來越多的車企轉型生產新能源汽車，需要對其動力系統參數進行合理的設計和匹配，且對其實現性能進行計算分析，通過二次匹配再次分析驗證達到優化的目的，從而新能源汽車性能仿真的需求增加。現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各部件模型、參數進行整合，但必須按照Cruise已有的規則選項進行設置更改，計算方式不被用戶熟知、查看且無法修改，不便于開發多種車型的新能源汽車。其仿真計算時容易出現紅色錯誤信息提示，可操作性不強。
本文主要解決現有的汽車仿真軟件ADVISOR、AVL-Cruise?所存在的需要進行精確建模、操作繁瑣且計算方式被固化不易修改，以及運行計算過程中容易報錯，計算速度慢，穩定性差等問題，從而提供一種配置功能自定義方便，配置參數快捷，可操作性強，計算速度快和穩定性強的汽車整車性能仿真計算軟件及開發方法[1]。目的在于根據性能指標提供一種純電動車輛驅動電機參數匹配及通過一種基于Visual Studio和Matlab混合編程的軟件來仿真、計算其動力性能，從而合理匹配電機參數，從而提高電機效率，增加續駛里程，并有效節約電機開發成本。
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軟件為開發工具，開發出參數匹配計算分析平臺界面和動力性分析平臺界面，在界面m文件程序代碼中使用Matlab語言設計電機需求算法和車輛動力性能算法，再通過Visual Studio 2010編譯，生成可脫離MATLAB環境運行的軟件。參數匹配計算分析軟件根據輸入的整車參數可以計算分析確定電機參數，根據電機參數設計外特性數據后導入動力性分析軟件可以仿真計算出其動力性能[5-7]。
上述特征包括以下要點：參數匹配計算分析平臺和動力性分析平臺均適用于帶有1-6擋變速器的純電動車輛;參數匹配計算分析平臺基于動力與功率平衡理論，快速計算來實現驅動電機的參數匹配;電機參數匹配包括峰值轉速、峰值轉矩、額定功率、額定轉速、額定轉矩、峰值功率;動力性分析平臺根據汽車動力性數學模型，快速分析搭載驅動電機的純電動車輛的動力性能[2]。
所述純電動車輛動力系統的動力性包括最高車速、最大爬坡度 、原地起步加速至第一預定車速時間、原地起步加速至第二預定車速時間和第一預定車速超車加速至第二預定車速時間;所述軟件可以結合Excel軟件方便用戶提取仿真結果，也可以結合Access軟件用來儲存仿真參數;所述仿真優化為反復修改參數，及對應地反復調整Excel外特性數據，經過多次反復性能仿真計算分析，直至輸出的動力性能滿足且剛好滿足對應性能指標為止;軟件導入Excel數據，導入后Excel文件路徑和文件名會在Edit Text里面顯示出來。
2 具體技術方案
一種基于Visual?Studio和Matlab混合編程的整車動力匹配及性能驗證方法，包括如下步驟：
（1）確定整車參數及性能指標;
（2）將參數輸入電機選型軟件進行計算;
（3）根據匹配出的參數設計出電機外特性數據;
（4）動力性分析軟件導入外特性數據;
（5）動力性分析軟件進行仿真計算驗證;
（6）進行多次設計、仿真分析，對參數及外特性曲線進行改進和優化。
進一步地，步驟（1）中，所述電動汽車是基于傳統燃油車進行改裝的純電動汽車，在保留原車系統的基礎上，改用蓄電池、永磁同步電機驅動汽車行駛。
進一步地，步驟（1）中，所述整車參數有半載質量、滿載質量、迎風面積、風阻系數、滾動半徑、滾動阻力系數、動力系統傳動效率、旋轉質量換算系數、重力加速度。性能指標有最高車速、最大爬坡度、最大爬坡車速、0-50km/h加速時間、0-100km/h加速時間。
進一步地，步驟（2）中，所述電動汽車是基于傳統燃油車進行改裝的純電動汽車，在保留原車系統的基礎上，改用蓄電池、永磁同步電機驅動汽車行駛。
進一步地，步驟（2）中，參數匹配計算分析平臺計算結果包括兩部分：一部分根據電動車輛的動力性指標初步確定驅動電機的性能參數，包括峰值功率和額定功率、最高轉速和額定轉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速、車速與功率、車速與扭矩等相關曲線的繪制。
進一步地，步驟（3）中，所述設計外特性數據是根據匹配
出的參數設計出電機外特性數據：在Excel表格中第一列列出轉速，[0，ceiling（nmax）]，ceiling（nmax）為向上取整，第一列下拉轉速以100/10/1或其他的數遞增均可。第二列列出轉矩，[ceiling（Tmax），Tn]，ceiling（Tmax）為向上取整，可以留一些余量。第二列下拉轉矩直到額定轉速即基數對應的轉矩保持恒定值，第三列列出功率，同一行功率為同一行的轉速乘以轉矩
除以9550得到數值。第三列下拉功率過基數點后保持恒定值。
進一步地，步驟（4）中，動力性分析軟件導入Excel外特性數據：導入后Excel文件路徑和文件名會在Edit Text里面顯示出來，可以很清楚得看出導入的事哪個盤及哪個文件，有效地避免了導入錯誤文件。
進一步地，步驟（5）中，動力性分析軟件進行仿真計算驗證：電動車輛動力性的評定指標有：最高車速、加速時間和最大爬坡度。
進一步地，步驟（5）中，分析結果包括兩部分：一部分根據驅動電機臺架試驗轉速轉矩數據計算出最高車速、最大爬坡度、加速時間。另外一部分提供了電機外特性、驅動力-行駛阻力圖、加速時間圖、爬坡度圖、功率平衡圖等相關曲線的繪制，可以客觀、直接的評價旭驅動電機的動力性能。
進一步地，步驟（6）中，進行多次設計、仿真分析，對參數及外特性曲線進行改進和優化：反復修改參數，及對應地反復調整Excel外特性數據，經過多次反復性能仿真計算分析，直至輸出的動力性能滿足且剛好滿足對應性能指標為止[8-9]。
3 軟件的具體實例應用
現以設計純電動乘用車，最高車速的性能指標不低于140km/h、最大爬坡度的性能指標為不低于30%，原地起步加速至50km/h的加速時間的性能指標為小于4.6s及原地起步加速至100km/h的加速時間的性能指標為小于10s為具體設計實施例說明本發明的參數匹配及性能驗證分析方法[4]。
3.1 首先進行純電動乘用車動力系統的驅動電機的選型參數的初步匹配
3.1.1 驅動電機的額定功率計算
根據最高車速計算確定驅動電機的額定功率。
3.1.2 驅動電機的峰值功率計算
驅動電機的峰值功率必須滿足最大爬坡度時的功率Pmax，i、根據0-50km/h加速時間要求而定的功率Pmax，t1、0-100km/h加速時間要求而定的功率Pmax，t2、最高車速時的功率Pmax，v，即峰值功率：
其中，
3.1.3 驅動電機的過載系數計算
考慮到驅動電機的額定功率和峰值功率要留有一定的余量，根據可供選擇的驅動電機，選擇驅動電機的額定功率45kW，峰值功率為135kW。
電機過載系數。
針對存在減速機構的車型。
3.1.4 驅動電機峰的值轉速計算
當汽車以最高車速運行時，驅動電機的峰值轉速nmax對應著汽車行駛的最高車速。
峰值轉速要留有一點余量，因此確定驅動電機的峰值轉速為10000rpm。
3.1.5 驅動電機的峰值轉矩計算
峰值轉矩Tmax的選擇需要滿足汽車起動轉矩，結合傳動系傳動比和最大爬坡度αmax來確定。
3.1.6 驅動電機的額定轉速計算
電機擴大恒功率區系數。
根據額定轉速5000rpm，因此確定峰值轉矩為257.85N·m。
3.1.7 驅動電機的額定轉矩計算
3.2 根據匹配出的參數設計出電機外特性數據
Excel表格中第一列列出轉速，[0，10000]，第一列下拉轉速以5遞增。第二列列出轉矩，[257.85，Tn]。
第二列下拉轉矩直到額定轉速即基數對應的轉矩保持恒定值。
第三列列出功率，
同一行功率
為同一行的轉速乘以轉矩除以9550得到數值。第三列下拉功率過基數點后保持恒定值。
3.3 動力性分析軟件導入外特性數據，進行仿真計算驗證
軟件導入Excel數據，進行仿真計算驗證。電動車輛動力性的評定指標有：最高車速、加速時間和最大爬坡度。
3.3.1 最高車速計算
最高車速指在無風條件下，汽車在水平、良好路面行駛所能達到的最高穩定車速。
汽車的行駛方程式：
，式中：Ft、Ff、Fw、Fi、Fj分別為驅動力、滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力。根據汽車行駛方程，在水平、良好路面上，坡度阻力Fi=0，若要穩定行駛，則加速阻力Fj=0。若驅動力Ft曲線與Ff +Fw曲線存在交點，則驅動力Ft曲線與Ff +Fw曲線的交點所對應的車速即為最高車速。此時最高車速：
若驅動力Ft曲線與Ff +Fw曲線不存在交點，即驅動力Ft曲線始終在Ff +Fw曲線的上方，此時最高車速：
其中nmax為電機最高轉速，i0為主減速器傳動比，r為車輪半徑。
3.3.2 加速時間計算
加速時間表示汽車的加速能力，根據加速時間圖，能推出某車由某一車速全力加速至另一車速所花的時間。可以以原地起步0-某個末車速的加速時間來評價汽車的動力性。也可以以超車加速時間則從某個初速度加速到某個末車速的加速時間來評價汽車的動力性。
未提出爬坡時加速，故爬坡阻力Fi=0。
3.3.3 最大爬坡度計算
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汽車在良好路面的最大爬坡度imax來表示。根據imax=tan（αmax）即可換算出最大爬坡度。
動力性分析軟件第一次仿真計算的結果為：最高車速147.5579km/h，最大爬坡度為33.7522%，0-50km/h加速時間為4.82315s，0-100km/h加速時間為10.3533s，顯然加速性能未達到對應性能指標0-50km/h加速時間為4.6s，0-100km/h加速時間為10s的要求。需要對相關參數進行調整，在此可根據仿真計算值與對應性能指標的差距進行重新選擇[10-11]：
3.4 優化及驗證
將峰值功率從135kW調整為139.5kW（45kW的3.1倍）即140kW，峰值轉矩對應從257.85N·m調整為267.4N·m。其余參數不變。
根據調整后的參數在Excel數據中進行對應更新，軟件導入Excel數據，再次進行仿真計算驗證。優化后第二次仿真計算結果為：0-50km/h加速時間為4.64367s，0-100km/h加速時間為9.95817s，顯然仍未達到對應性能指標0-50km/h加速時間為4.6s的要求，需要再一次對相關參數進行調整。
驅動電機參數匹配計算分析平臺
將峰值功率從140kW調整為144kW（45kW的3.2倍），峰值轉矩對應從267.4N·m調整為275.04N·m。其余參數不變。
驅動電機動力性分析平臺
根據調整后的參數在Excel數據中進行對應更新，軟件導入Excel數據，再次進行仿真計算驗證。優化后第三次仿真計算結果為：0-50km/h加速時間為4.50942s，0-100km/h加速時間為9.66318s，滿足對應性能指標0-50km/h加速時間為4.6s，0-100km/h加速時間為10s設計目標要求[12]。
如此，經過多次反復調整和仿真計算驗證，直至使得各性能參數滿足對應性能指標要求為止，至此完成匹配。使得本發明的匹配方法在保證匹配精度、降低開發 成本和縮短開發周期上具有明顯的優勢。
性能分析方法的一種實施方式的流程圖
4 結束語
本文介紹了基于Visual Studio和Matlab混合編程的整車動力匹配及性能分析軟件模型，制定了技術方案，并詳細給出了計算所需的參數及其取值和計算公式。經驗證表明，該軟件運行速度快，可隨時根據動力性設計需求變更相關參數進行匹配計算，結果準確。因其可在未打開MATLAB和Visual Studio2010軟件情況下的電腦上運行，可操作性強，節省了大量時間和電腦占用空間，可實現在純電動車動力性設計發面推廣應用。隨著技術的發展，可對該軟件模型進一步研究與優化。
參考文獻
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