基于ADVISOR的純電動(dòng)汽車參數(shù)匹配及仿真

郭敏銳，高迎春（黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000）

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基于ADVISOR的純電動(dòng)汽車參數(shù)匹配及仿真

郭敏銳，高迎春
（黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000）

摘 要：仿真技術(shù)是研究開發(fā)純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù).在深入研究分析汽車仿真軟ADVISOR的基礎(chǔ)上，利用ADVISOR對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行動(dòng)力性能的建模與仿真.以某純電動(dòng)汽車為例，主要在典型的道路工況CYC_UDDS進(jìn)行動(dòng)力性能的仿真，并且比較兩種不同變速器下整車動(dòng)力性能仿真結(jié)果，合理匹配蓄電池組、電機(jī)及其控制系統(tǒng)、變速器等參數(shù)，使純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能發(fā)揮最佳.

關(guān)鍵詞：ADVISOR；動(dòng)力性；仿真；純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車是僅使用蓄電池作為汽車動(dòng)力源的一種清潔環(huán)保型交通工具.它有良好的操作性，無噪聲以及振動(dòng)，較低的空氣阻力，較低的空氣阻力系數(shù)，較高功率密度和高效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及高比能量，高比功率的能量產(chǎn)生和存儲(chǔ)技術(shù),并擁有智能化的能量管理系統(tǒng).電動(dòng)汽車可以較好地解決城市環(huán)境污染問題，緩解石油短缺問題，大量節(jié)省能源.因此純電動(dòng)汽車將成為未來汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)［1］，研究開發(fā)純電動(dòng)汽車將非常重要.

目前國(guó)產(chǎn)的純電動(dòng)汽車的開發(fā)設(shè)計(jì)并不是將汽車的油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)替換成蓄電池和電動(dòng)機(jī)，它必須對(duì)能量存儲(chǔ)裝置、動(dòng)力裝置、變速器、主減速器等參數(shù)進(jìn)行合理的匹配［2］.各部分參數(shù)匹配的是否合理，決定了電動(dòng)汽車動(dòng)力性能的好壞.利用仿真軟件ADVISOR［3-5］（Advanced Vehicle Simulator,車輛高級(jí)仿真器，它是基于MATLAB和SIMULINK環(huán)境下開發(fā)的軟件對(duì)這些所選裝置進(jìn)行建模仿真，檢驗(yàn)參數(shù)匹配的是否合理，并且比較仿真結(jié)果，最后作出合理選擇.

1 ADVISOR的基本結(jié)構(gòu)

ADVISOR由輸入模塊、仿真模塊、輸出模塊、控制模塊四部分組成.輸入模塊定義建模仿真所需要的基礎(chǔ)變量，或者調(diào)用修改其它的輸入模塊程序，基礎(chǔ)變量包括整車參數(shù)和部分總成參數(shù)［6］.仿真模塊是模型程序及模型構(gòu)成，它包含由輸入模塊推導(dǎo)的仿真方程式.輸出模塊對(duì)模型輸出作出計(jì)算及后續(xù)處理，比如畫出符合要求的圖像和計(jì)算出某些車輛性能參數(shù).控制模塊作用在于控制仿真過程，不但控制輸入，且控制輸出模塊.ADVISOR的數(shù)據(jù)框圖如圖1.1所示.

圖1.1ADVISOR仿真數(shù)據(jù)流程圖

從以上ADVISOR仿真的過程可以看出，道路循環(huán)工況輸入到控制模塊，再根據(jù)車輛的性能要求定義初始變量，修改好相應(yīng)的仿真模型，再利用仿真模塊計(jì)算出車輛的實(shí)際車速、最大加速度、最大爬坡度等結(jié)果，然后再次仿真計(jì)算，以便進(jìn)行優(yōu)化處理，這樣不斷循環(huán)，直到完成整個(gè)仿真過程，最后通過輸出模塊仿真出動(dòng)力性參數(shù)圖像、經(jīng)濟(jì)性參數(shù)圖像、排放性參數(shù)圖像和數(shù)據(jù).

2 建立ADVISOR的輸入腳本

2.1 主要部件的選擇

目前電動(dòng)汽車上采用電池一般為可更換、可充電、可拆卸的蓄電池.比如免維護(hù)型鉛酸電池和動(dòng)力電池（磷酸鐵鋰離子電池）等.蓄電池選擇既要考慮比能量、比功率的影響因素，也要考慮使用壽命、容量、充電時(shí)間、使用成本等因素.該電動(dòng)汽車所用的蓄電池為鋰離子電池.

電動(dòng)機(jī)是純電動(dòng)汽車的重要組成部分，蓄電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，再轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能，經(jīng)過傳動(dòng)系轉(zhuǎn)換為車輪的動(dòng)能，或者在制動(dòng)工況、減速工況時(shí)，通過控制系統(tǒng)將車輪上的動(dòng)能反饋儲(chǔ)存在蓄電池中.目前應(yīng)用較廣泛的電動(dòng)機(jī)是交流異步電機(jī).由于交流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)突出，體積小、效率高、調(diào)速范圍寬、技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、可靠性好，有效的回饋制動(dòng)能量［7］.因此選擇交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī).

2.2 主要部件參數(shù)設(shè)計(jì)

本文以某純電動(dòng)汽車作為研究對(duì)象，應(yīng)用ADVISOR軟件主要對(duì)動(dòng)力性能進(jìn)行仿真.該純電動(dòng)汽車選用的是磷酸鐵鋰電池組，工作總電壓為277V，交流異步電機(jī)的峰值功率為83KW，其主要部件如表2.1所示.

3 建立ADVISOR主要部件的仿真模型

3.1 蓄電池組仿真模型

蓄電池組仿真模型總成包括電壓和內(nèi)阻子模塊、電流子模塊、功率限制子模塊、SOC（蓄電池荷電狀態(tài)）子模塊等.電壓和內(nèi)阻子模塊根據(jù)電池組的工作溫度，SOC，輸出功率來計(jì)算開路電壓和電阻.電流子模塊根據(jù)電功率定義求得電池組的電流.功率限制模塊主要用來防止電流的功率超出限制范圍.SOC子模塊是關(guān)于電池組溫度的函數(shù)，通過連續(xù)迭代確定SOC值.蓄電池子模塊用來計(jì)算蓄電池組的工作溫度.

表2.1 蓄電池組和電機(jī)的匹配參數(shù)

3.2 電機(jī)及其控制系統(tǒng)仿真模型

電機(jī)仿真模型包括轉(zhuǎn)速模塊、轉(zhuǎn)矩模塊、溫度控制模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模塊等.轉(zhuǎn)速限制模塊確保電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速不能過高，不能過低，保證電動(dòng)汽車快速啟動(dòng).轉(zhuǎn)矩限制模塊保證轉(zhuǎn)矩輸出在一定的范圍內(nèi)，不能高于電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩.轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊用來計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩.溫度控制模塊可以防止電機(jī)的溫度過高，影響電機(jī)的性能和效率.

4 整車動(dòng)力性能仿真結(jié)果

4.1 典型工況的仿真

上述步驟完成后，仿真即可開始.選擇使用UDDS（Urban Dynamometer Driving Sched-ule）作為道路循環(huán)行駛工況，也可選擇其它工況.工況即為模擬車輛實(shí)際行駛的工作情況.UDDS工況由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署EPA開發(fā)制定.其中單次行駛里程是11.99km，需用時(shí)間1369s，停車17次，設(shè)置最高車速91.25km/h，最大加速度為1.48m/s2，空載時(shí)間259s.車輛速度隨時(shí)間變化如圖4.1所示，從圖中可以看出實(shí)際車速在循環(huán)工況車速范圍內(nèi).圖4.2為交流異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，在車輛行駛過程中，轉(zhuǎn)矩為正值，電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)車輛.在車輛制動(dòng)或減速時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)，通過控制系統(tǒng)回收制動(dòng)能量.可有效延長(zhǎng)電動(dòng)汽車行駛里程，節(jié)能減排.電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果見圖4.3，從圖中可看出在停車時(shí)間，交流異步電機(jī)停轉(zhuǎn)，與內(nèi)燃機(jī)怠速工況相比，可大大減少尾氣排放.

圖4.1 道路循環(huán)行駛速度

圖4.2 電動(dòng)汽車電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

圖4.3 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

4.2 兩種變速器的仿真比較

利用ADVISOR仿真軟件對(duì)兩種變速器進(jìn)行動(dòng)力性能的仿真，一種是TX_1SPD變速器，另一種是TX_5SPD變速器.前者利用電機(jī)變速，后者是五檔手動(dòng)變速器.仔細(xì)比較兩種變速器動(dòng)力性能的仿真結(jié)果，并為最后合理選擇變速器提高理論研究基礎(chǔ).

表4.1 兩種變速器對(duì)整車動(dòng)力性能影響比較

從以上表4.1兩種變速器對(duì)整車動(dòng)力性能影響可以看出，匹配有TX_1SPD動(dòng)力性能顯然要優(yōu)于TX_5SPD變速器，前者最大行駛速度比后者多35.8%，前者最大爬坡度要比后者多10.2%，這說明選用TX_1SPD變速器與鋰離子電池組、電機(jī)匹配關(guān)系良好，能夠達(dá)到對(duì)整車動(dòng)力性能的標(biāo)準(zhǔn)要求.

5 結(jié)論

在設(shè)計(jì)開發(fā)電動(dòng)汽車時(shí)，建模仿真技術(shù)可有效減少科研經(jīng)費(fèi)，合理優(yōu)化選擇各個(gè)部件參數(shù)，縮短開發(fā)周期.通過合理匹配鋰離子蓄電池組，交流異步電機(jī)，TX_1SPD變速器等系統(tǒng)參數(shù)，并利用ADVISOR對(duì)其進(jìn)行仿真分析與比較，得知該純電動(dòng)汽車在最大行駛速度、加速時(shí)間、最大爬坡度等方面達(dá)到并且超過動(dòng)力性能標(biāo)準(zhǔn)，說明該電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配方案是合理可行的.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕麻友良,嚴(yán)運(yùn)兵.電動(dòng)汽車概論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

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〔3〕楊超.電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)建模與仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院,2007.

〔4〕張翔,趙韓,錢立軍,張炳力.電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR的應(yīng)用［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì),2004（07）：6-11.

〔5〕劉靈芝.基于ADVISOR的電動(dòng)汽車性能仿真研究［J］.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006（06）：37-42.

〔6〕張翔.電動(dòng)汽車建模與仿真的研究［J］.博士后研究工作報(bào)告,2004.21-25.

〔7〕Jecongmin Kim,Chiman Park,Sungho Hwang,Yoichi Hori,Hyunsoo Kim.Control Algorithm for an Independent Motor-Drive Vehicle.IEEE Trans,on Vehicular Technology.Vol 59,NO.7,September,2010.

中圖分類號(hào)：U462

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）05-0045-02

收稿日期：2016-01-09