基于AMESim的純電動汽車動力性能仿真

陳凱華　高欽和

摘 要：純電動汽車研發(fā)需要多領(lǐng)域建模仿真工具支持。文章分析了AMESim高級工程建模與仿真平臺在建立多物理領(lǐng)域系統(tǒng)級模型方面優(yōu)勢，在AMESim中以圖像化建模方式搭建了純電動汽車整車模型，主要包括電池組、動力系統(tǒng)、控制器及行駛工況等模型，并對該模型進(jìn)行動力性能仿真。仿真結(jié)果表明該純電動汽車模型具有較高的精確度和較短的建模周期，能夠?yàn)榧冸妱悠嚨难兄铺峁﹨⒖肌?/p>

關(guān)鍵詞：AMESim；純電動汽車；動力性能；仿真

引言

電動汽車是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它集成了多個(gè)子系統(tǒng)如車身、電力驅(qū)動、能源及能量管理等。電動汽車技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，包括電力電子學(xué)、機(jī)械動力學(xué)工程、控制理論和化學(xué)等，在開發(fā)電動汽車初期，采用計(jì)算機(jī)建模與仿真的方法可以有效降低研發(fā)成本與縮短研發(fā)周期[1]。

AMESim是一種高級工程建模與仿真平臺，它提供了一個(gè)完整的時(shí)域仿真建模環(huán)境和強(qiáng)大而完備的多物理領(lǐng)域圖形化模型元件庫，相對其他諸多汽車專用仿真軟件如ADVISOR等，AMESim具有更強(qiáng)大的擴(kuò)展性，且能夠自動選擇最優(yōu)算法進(jìn)行仿真計(jì)算，大大提高了建模仿真的效率[2]。

電動汽車以電能作為驅(qū)動能量，因其零排放，零污染的優(yōu)勢使其成為開發(fā)和研究綠色汽車的主流。用于發(fā)電的一切能源都可以作為電動汽車的使用能源，擺脫了對石油資源的依賴，從而緩解了日益嚴(yán)重的石油危機(jī)。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動汽車雖然節(jié)能環(huán)保，但車輛的動力性能不是很好。因此，研究電動汽車的動力性能十分必要[3]。

1 純電動汽車整車仿真模型

純電動汽車整車模型由電源、電機(jī)、控制單元、變速及減速單元、車輛、模擬駕駛等子系統(tǒng)模型組成，仿真模型如圖1所示。

主要子系統(tǒng)模型描述如下。

1.1 電源模型

當(dāng)電機(jī)的電功率Pelec大于損失功率Plost時(shí)，電機(jī)處于電動機(jī)模式；當(dāng)電機(jī)的機(jī)械功率Pmec大于損失功率Plost時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)模式。

1.3 控制單元模型

控制單元模型負(fù)責(zé)接收來自模擬駕駛模型的信息（加速、制動命令）以及電機(jī)模型的信息（速度）并進(jìn)行分析計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)電池能量消耗的最小化。當(dāng)模擬駕駛發(fā)出剎車的命令信息時(shí)，控制單元發(fā)出指令使電動機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)在制動的同時(shí)給電池充電。

同時(shí)該控制單元模型也接收來自車輛、電池的信息，文章采用的控制單元模型為不帶優(yōu)化的基本模型，用戶可根據(jù)需要對其改進(jìn)并創(chuàng)建一個(gè)新的控制單元。

1.4 模擬駕駛模型

模擬駕駛模型是在汽車整車仿真過程中模擬駕駛員操作的模型。在汽車行駛過程中，駕駛員的操作習(xí)慣是影響汽車行駛性能的一個(gè)重要因素。文章采用AMESim自帶的模擬駕駛模型，該模型接收車輛速度信息，發(fā)出加速/減速的命令信息。加速與減速控制各有三種預(yù)設(shè)，分別是：預(yù)設(shè)值加速度控制、線性加速度控制和積分增益加速度控制。

1.5 車輛模型

車輛模型是一個(gè)有恒定負(fù)載，采用前后輪軸建模的模型。用戶可以選擇兩個(gè)車輛配置：

（1）路：主要考慮滾動摩擦，道路坡度和空氣動力阻力；（2）壓路機(jī)試驗(yàn)臺：用戶定義的滾筒試驗(yàn)臺摩擦系數(shù)。

此外，用戶可以選擇兩個(gè)縱向滑動的配置：（1）沒有滑動：輪胎和地面之間的滑動；（2）有滑動：用戶定義的輪胎縱向滑移參數(shù)。

當(dāng)選擇“道路”選項(xiàng)時(shí)可進(jìn)行風(fēng)速的設(shè)置與道路坡度的設(shè)置。

用戶必須設(shè)置以下參數(shù)：（1）車輛初始條件：初始線性速度（米/秒）和位移[m]的車輛；（2）車輛配置：道路或滾筒試驗(yàn)臺；（3）縱向滑動配置：沒有/有滑動；（4）汽車質(zhì)量總量（噸）和前后車軸之間的質(zhì)量分布（%）；（5）制動系統(tǒng)特點(diǎn)：最大制動力矩在前后輪軸（Nm）等。

2 仿真與分析

2.1 NEDC工況仿真

純電動汽車的能耗仿真計(jì)算使用的道路循環(huán)工況為新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)NEDC工況。整個(gè)循環(huán)由4個(gè)城區(qū)循環(huán)和一個(gè)城郊循環(huán)組成，總里程11km。純電動汽車的主要參數(shù)如表1所示[4]。

將表1給出的車型參數(shù)帶入模型中，并選擇NEDC工況作為模型輸入進(jìn)行仿真。

2.2 仿真結(jié)果圖與分析

如圖2所示為一個(gè)NEDC工況循環(huán)中模型參數(shù)變化曲線。

由圖2（a）所示的速度-時(shí)間曲線可看出，模型運(yùn)行結(jié)果與工況數(shù)據(jù)基本吻合，跟隨特性較好。圖2（b）和圖2（c）所示的電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)速度曲線可看出，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩曲線與控制單元輸出的計(jì)算轉(zhuǎn)矩曲線基本吻合，跟隨特性也比較好；同時(shí)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度曲線與圖2（a）中車輛速度曲線是成比例的。由圖2（d）所示的司機(jī)制動命令信號曲線與控制單元制動命令信號曲線可看出，當(dāng)司機(jī)產(chǎn)生制動命令時(shí)，控制單元接收該命令信號，并使用該命令信號曲線的一部份對電動馬達(dá)進(jìn)行控制，使其對電池組進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)了一部分有效制動。

3 結(jié)束語

文章基于AMESim建立了一個(gè)純電動汽車整車模型，并使用NEDC工況進(jìn)行了動力性能仿真，仿真結(jié)果較為理想，達(dá)到預(yù)期目的。采用AMESim平臺搭建的模型具有建模周期短、模型出錯率低等優(yōu)點(diǎn)，但不足之處在于AMESim元件模型的修改重用很困難，僅能從有限的子模型中選擇使用，改進(jìn)的方法即是采用陳述式建模語言Modelica進(jìn)行二次開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]伍慶龍，劉忠途，宗志堅(jiān).基于ADVISOR的純電動汽車動力性能仿真[J].輕型汽車技術(shù)，2010（10）：13-16.

[2]周愛國，王聞莉，陸亮，等.基于AMESim中Modelica模塊的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真[J].機(jī)床與液壓，2011（6）：91-94.

[3]王興，秦東晨，裴東杰.電動汽車動力性能仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（12）：114-116.

[4]陳業(yè)函，熊會元，宗志堅(jiān)，等.基于Dymola的ECUV純電動汽車能量流仿真[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011（12）：4241-4245.