基于Cruise和Matlab的增程式電動(dòng)車聯(lián)合仿真分析

尹 劍

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051）

針對(duì)客車行列，由于其瞬時(shí)功率要求比較大，當(dāng)今只能依靠電能來(lái)實(shí)現(xiàn)新能源的替換。然而，純電動(dòng)客車的驅(qū)動(dòng)電池的重量非常大，一味地追求電池總?cè)萘?，無(wú)疑會(huì)增大整車的整備質(zhì)量，這使得瞬時(shí)所需功率也就大大增加，導(dǎo)致增加了電池容量而續(xù)駛里程并不樂(lè)觀的現(xiàn)象。為了使純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程有明顯增加，以滿足大續(xù)駛里程的要求，增程式純電動(dòng)客車的出現(xiàn)也就理所當(dāng)然了。

1 增程式純電動(dòng)客車的控制原理

增程式純電動(dòng)是在純電動(dòng)的基礎(chǔ)之上，增加一個(gè)發(fā)電組合實(shí)現(xiàn)的。由于在車輛行駛過(guò)程中，開啟發(fā)電組合可以減小電池同等行駛條件下需要提供的電流，這就延長(zhǎng)了電池的放電時(shí)間，使整車?yán)m(xù)駛里程大大增加。其中發(fā)電組合的開啟時(shí)間依據(jù)于需要行駛的里程和電池的剩余SOC。其最佳的情況是：里程需要的電量=發(fā)電組合發(fā)電量+電池剩余電量[1]。

由于某車的發(fā)電組合的發(fā)電功率只有34 kW，所以單獨(dú)發(fā)電組合工作并不能驅(qū)動(dòng)整車行駛，這就要求發(fā)電組合的工作需與電池供電同步，即發(fā)電組合需要補(bǔ)電的電量必須在電池電量耗盡前補(bǔ)完，這樣才能保證整車達(dá)到規(guī)定的續(xù)駛里程[2]。要保證電池補(bǔ)電在電池電量耗盡前補(bǔ)完，則需要估算每公里電耗、平均車速以及已行駛公里數(shù)。其計(jì)算原理如圖1所示[3-4]。

通過(guò)以上模型，可以知道電池剩余電量可維持時(shí)間T1，以及達(dá)到目標(biāo)里程發(fā)電組合需要補(bǔ)電時(shí)間T2。由T1和T2的大小，可以通過(guò)儀表提示駕駛員開啟發(fā)電組合，以保證補(bǔ)電時(shí)間。

2 增程式純電動(dòng)客車的性能仿真

2.1 Cruise模型搭建

增程式純電動(dòng)客車的Cruise模型如圖2所示。其中發(fā)電機(jī)模塊表示的就是發(fā)電組合，它與整車其它模塊沒(méi)有硬性連接，只有電氣連接。由圖2中分割線以下的信號(hào)連接可知，發(fā)電機(jī)的開啟信號(hào)來(lái)源于Matlab API模塊的Generator Switch（圖2下方分割線以下深色部分）。

2.2 Cruise仿真參數(shù)設(shè)置

1）發(fā)電機(jī)組合模塊參數(shù)。發(fā)電機(jī)的配置參數(shù)主要有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、工作內(nèi)阻、工作電壓、轉(zhuǎn)速-電壓關(guān)系、萬(wàn)能曲線圖[5]。

2）電池模塊參數(shù)。電池模塊的配置參數(shù)主要有充電特性曲線和放電特性曲線，這兩個(gè)過(guò)程是相反過(guò)程，但是電池的SOC具有稍微的差別。

3）電動(dòng)機(jī)模塊參數(shù)。電動(dòng)機(jī)的配置參數(shù)主要有電動(dòng)機(jī)的扭矩-轉(zhuǎn)速特性曲線圖、電動(dòng)機(jī)的效率曲線圖[5]。

4）駕駛室模塊參數(shù)。駕駛室的配置參數(shù)主要有油門踏板開度與角度的關(guān)系特性（油門踏板反應(yīng)的扭矩在控制策略中計(jì)算）、制動(dòng)踏板開度與制動(dòng)力的關(guān)系特性。

5）附屬耗能模塊參數(shù)。附屬耗能模塊主要包括風(fēng)扇、水泵、打氣泵以及轉(zhuǎn)向泵等小功率器件模塊。在仿真中，直接把這些模塊歸于一個(gè)耗能電阻，阻值是依據(jù)總的功率和工作電壓來(lái)計(jì)算得到的[6]。

6）控制策略。圖3是用MATLAB搭建的該增程車的控制策略。該策略中除了包含電動(dòng)機(jī)的扭矩控制外，還包括SOC的管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控平均車速、每公里電耗、剩余續(xù)駛里程以及發(fā)電機(jī)組需要補(bǔ)電量等參數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)完成目標(biāo)續(xù)駛里程后的電池剩余電量用完的理想狀態(tài)[7-8]。

2.3 性能仿真

1）整車主要參數(shù)。整車外形尺寸的長(zhǎng)×寬×高：12 000 mm×2 550 mm×3 300 mm；電池容量：500 A·h；電池電壓：600 V；發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)電功率：34 kW/h，平均車速40 kW/h；電池的輸出效率：85%；迎風(fēng)面積 A：6 m2；迎風(fēng)阻力系數(shù)：0.6；輪胎滾動(dòng)半徑r：0.465 m；汽車總質(zhì)量m：18 000 kg；傳動(dòng)系速比 ig：5.63；傳動(dòng)系效率 ηt：0.95；輔助系統(tǒng)功耗 Pt：2 kW/h；電機(jī)額定功率 Pe：100 kW；Tm電機(jī)最大扭矩：2 400 N·m；電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 nm：2 700 r/min；電機(jī)效率 η：0.88；滾動(dòng)阻力系數(shù) f：0.015[4，9]。

2）爬坡性能。仿真測(cè)試增程車的爬坡性能仿真得知，仿真車輛的爬坡度為16.28%左右（最大扭矩點(diǎn)2 400 N·m）。根據(jù)理論最大爬坡度理論公式Ttqigioηt/r=mgf cosαmax+mg sinαmax，可計(jì)算出該車的最大爬坡度為16.7%，仿真與理論計(jì)算比較吻合[10-11]。

3）加速性能。仿真采用的是滿載18 t全加速條件。仿真得知加速到50 km/h需要18 s左右，加速到80 km/h需要31 s左右。

4）續(xù)駛里程。仿真是假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油足夠，電量SOC初始為95%，放電到SOC為15%結(jié)束的條件下實(shí)現(xiàn)的。仿真得出續(xù)駛里程為399.96 km。

根據(jù)增程車?yán)m(xù)駛里程理論計(jì)算公式：

式中：E表示電車電能；v表示平均車速；p0表示平均每公里電耗；pg表示發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)電功率。由此算出S=397 km，與仿真結(jié)果基本相近，理論值偏小，是因?yàn)樵谌⌒旭倳r(shí)間時(shí)省略了所充電電能維持的時(shí)間[9-10]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了采用Cruise和Matlab對(duì)增程式電動(dòng)客車進(jìn)行聯(lián)合仿真。根據(jù)仿真結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果顯示，這種仿真的真實(shí)度很高，完全可以作為對(duì)增程式電動(dòng)客車的各種性能仿真預(yù)算，為汽車各部件的選配起到指導(dǎo)作用[12]。

[1]蔡興旺.汽車構(gòu)造與原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1.

[2]于群.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.5.

[3]張志涌.精通MATLAB R2011a[M].北京:北京航空航天大學(xué)，2011.

[4]宋陽(yáng)見.汽車電器構(gòu)造原理與維修[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.8.

[5]陳波.汽車構(gòu)造[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2011.6.

[6]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.6.

[7]王中群.Matlab建模與仿真應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.10.

[8]周品.Matlab數(shù)學(xué)建模與仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.4.

[9]王園.基于CRUISE的PHEV控制策略參數(shù)仿真[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（12）

[10]王銳.基于Cruise的整車動(dòng)力性能仿真分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2009，（2）

[11]王保華.基于CRUISE的汽車建模與仿真[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（2）

[12]徐中明，胡康博，張志飛，等.基于Adams和Matlab的汽車EPS控制聯(lián)合仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，（10）：7-12.