不同循環(huán)工況下電動汽車的動力性仿真分析

張 勇，劉 偉

(東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

近幾年汽車的迅速發(fā)展，在極大地方便人們?nèi)粘３鲂械耐瑫r，也帶來了能源危機及環(huán)境污染等一系列問題。電動汽車相對于混合動力汽車和燃料電池汽車，因其良好的性能和能源優(yōu)勢成為各國爭相研究的對象。目前由于電池壽命、價格等的影響，電動汽車的發(fā)展受到一定的限制。在相關(guān)技術(shù)并不完全成熟的情況下，更好地設(shè)計、匹配電動汽車的動力系統(tǒng)參數(shù)，對提高電動汽車的動力性能及經(jīng)濟性能意義重大。現(xiàn)在的汽車仿真主要采用前向仿真和后向仿真兩種方法，而大多數(shù)仿真軟件只采用其中的一種方法，使這兩種方法的優(yōu)勢不能互補。ADVISOR軟件采用后向仿真為主、前向仿真為輔的混合仿真方法，較好地集成了兩種方法的優(yōu)點，計算量小、運算速度快且保證了仿真的精度，因此本文選用ADVISOR軟件對電動汽車動力參數(shù)進行仿真[1]。ADVISOR軟件中常用的典型循環(huán)工況有美國城市驅(qū)動工況CYC_UDDS、日本驅(qū)動工況CYC_10-15及歐洲行駛工況CYC_ECE_EUDC 3種。目前已有的對電動汽車動力性仿真分析的文獻中，曾慶璽[2]、王旭彤[3]、周煒[4]等只對電動汽車的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配進行了CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況下的仿真分析；柏凱[5]、金鑫君[6]、郭敏銳[7]等只對電動汽車的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配進行了CYC_UDDS循環(huán)工況下的仿真分析；文亦驍[8]、包建超[9]也只針對國際上常用的3種工況中的兩種工況對電動汽車的動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的仿真進行了分析。上述文獻的分析都具有一定的局限性。本文針對某電動汽車，進行3種典型工況下的動力性能對比分析，結(jié)果更可靠、更準確。

1 電動汽車技術(shù)參數(shù)

本文的研究對象是一款主要供家庭使用的微型電動汽車，該車的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 整車技術(shù)參數(shù)

2 電動汽車性能參數(shù)計算

影響電動汽車行駛性能的參數(shù)很多，阻力影響是其主要的外部因素，動力系統(tǒng)的影響是其主要的內(nèi)部因素[10]。下面將從爬坡能力和加速性能兩個方面對電動汽車的動力系統(tǒng)進行分析計算。

2.1 行駛性能的參數(shù)計算

按照車輛力學原理，對電動汽車在行駛過程中受到的力建立平衡方程如下[8]：

Ft=∑F

(1)

式中：Ft為驅(qū)動力；∑F為行駛阻力之和。其中，驅(qū)動力的計算公式為：

(2)

車輛行駛阻力之和：

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj

(3)

式中：Tt為作用于驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩；r為車輪的滾動半徑；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fi為爬坡阻力；Fj為加速阻力。

2.2 電動汽車動力性的參數(shù)計算

1)最高車速(Vmax)計算。

在良好的水平路面處于最高車速行駛的汽車，只需考慮其空氣阻力和滾動阻力對車速的影響。最高車速計算式為：

(4)

式中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；G為汽車的重力。

2)爬坡能力計算。

爬坡時車速較低，忽略空氣阻力和加速阻力。爬坡阻力為：

Fi=Ft-(Ff+Fw)

(5)

3)加速性能計算。

車輛在良好的水平路面上行駛可忽略掉坡度阻力，則其加速阻力為：

Fj=Ft-(Ff+Fw)

(6)

2.3 電動汽車傳動比計算

1)最高速行駛狀態(tài)下的最小傳動比為：

(7)

式中：nmax為電機最大轉(zhuǎn)速。

2)爬坡狀態(tài)下最大傳動比為：

(8)

式中：ηt為整車動力傳動系效率；g為重力加速度；ff為摩擦阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；ur為車輛行駛速度；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；M為整車質(zhì)量。

2.4 電動汽車電機功率的計算

2.4.1電機功率的選擇

1)根據(jù)最高車速Vmax確定的最大功率為Pmax1。

(9)

2)根據(jù)爬坡性能確定的最大功率Pmax2。

(10)

式中：αmax=arctan(imax/100)；Vi為爬坡過程中的恒定車速。

3)由加速性能確定的最大功率Pmax3。

(11)

式中：Vt為加速過程末的車速；t為加速時間。

電動汽車的電機峰值功率Pmax取Pmax1,Pmax2,Pmax3中的最大值，即：

Pmax=max(Pmax1,Pmax2,Pmax3)

(12)

電機的額定功率(Pe)可通過其峰值功率計算獲得:

(13)

式中：λ為電機的過載系數(shù)，一般取2～3。

2.4.2電機轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)車輛設(shè)計指標確定電機轉(zhuǎn)速：

(14)

式中：V為額定車速；i0為主減速器傳動比。將V代入式(14)可以求得電機的額定轉(zhuǎn)速ne；將最高車速Vmax代入式(14)可以求得電機的最高轉(zhuǎn)速nmax。

2.4.3電機轉(zhuǎn)矩的確定

電機的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足最大爬坡度的要求，即：

(15)

2.5 動力電池參數(shù)設(shè)計

1)依據(jù)最大功率設(shè)計電池組數(shù)目。

(16)

式中：Ps max為單個電池最大輸出功率；ηe為電機工作效率;ηec為電機控制器工作效率。

2)依據(jù)續(xù)駛里程設(shè)計電池組數(shù)目。

(17)

式中：L為續(xù)駛里程；W為汽車每千米耗能；Cs為單體電池容量；Vs為單體電池電壓。

由此可以確定電動汽車電池組數(shù)目：

n=max{n1,n2}

(18)

2.6 匹配結(jié)果

電動汽車傳動匹配結(jié)果見表2。

3 ADVISOR仿真與分析

ADVISOR是在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級車輛仿真軟件平臺，已成為世界汽車行業(yè)使用最普遍的電動汽車仿真平臺之一[11]。本文以目前國際上常用的美國城市驅(qū)動工況CYC_UDDS、日本驅(qū)動工況CYC_10-15和歐洲行駛工況CYC_ECE_EUDC 3種循環(huán)工況來對整車性能進行對比分析、評價。

表2 電動汽車傳動匹配結(jié)果

3.1 仿真模型建立

圖1的整車仿真模型顯示了前向仿真與后向仿真的具體路徑以及功率流方向，先進行后向仿真，再進行前向仿真，從而得出實際的車速。

圖1 電動汽車ADVISOR仿真模型

3.2 工況界面的設(shè)定

圖2為電動汽車在CYC_UDDS循環(huán)工況下車輛的行駛狀況，該工況下循環(huán)周期為1 369s，行駛距離為11.99km，最大車速為91.25km/h，平均車速為31.51km/h；圖3為電動汽車在CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況下車輛的行駛狀況，該工況下循環(huán)周期為1 225s，行駛距離為10.93km，最大車速為120km/h，平均車速為32.1km/h；圖4為電動汽車在CYC_10-15循環(huán)工況下的行駛狀況，該工況下循環(huán)周期為1 321s，行駛距離8.33km，最大車速為69.97km/h，平均車速為22.68km/h。

圖2 CYC_UDDS工況界面

圖3 CYC_ECE_EUDC工況界面

3.3 速度與能量的分析

圖5、圖6和圖7分別為電動汽車在CYC_UDDS、CYC_ECE_EUDC和CYC_10-15 3種循環(huán)工況下的速度和能量SOC圖。從圖可以看出，CYC_UDDS循環(huán)工況仿真的速度變化與CYC_ECE_EUDC及CYC_10-15循環(huán)工況仿真的速度變化情況相反，但仿真車速與該工況要求的車速都基本上無偏差；3個能量存儲系統(tǒng)的SOC值都從滿值降到幾乎為零，說明該電動車在這3種典型國際工況下都可以跑完工況標準中設(shè)置的循環(huán)。

圖4 CYC_10-15工況界面

圖5 CYC_UDDS工況速度和能量SOC

圖6 CYC_ECE_EUDC工況速度和能量SOC

圖7 CYC_10-15工況速度和能量SOC

圖8為該電動汽車在3種工況下的仿真結(jié)果，本文將數(shù)據(jù)填入表3進行仔細對比分析。

圖8 CYC_UDDS、CYC_ECE_EUDC和CYC_10-15工況仿真結(jié)果

由表3可知，在國際常用的3種典型工況下汽車的加速時間、爬坡度以及最高車速的仿真結(jié)果完全一致，CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況的續(xù)駛里程為109.3km，比CYC_UDDS循環(huán)工況的續(xù)駛里程107.9km以及CYC_10-15循環(huán)工況的續(xù)駛里程108.3km都更接近設(shè)計指標。將CYC_ECE_EUDC循環(huán)工況的仿真結(jié)果與設(shè)計指標進行詳細對比發(fā)現(xiàn)，該電動車從0到60km/h的加速性能略優(yōu)于設(shè)計指標，表明選用電機的低速扭矩特性優(yōu)良。汽車的最高車速稍高于設(shè)計指標，說明電機的功率略大或減速器等一些參數(shù)匹配并不完全合理；續(xù)駛里程中的最大值小于設(shè)計目標值，說明電池組的能量不足。但總的來看，電動車的仿真結(jié)果說明其參數(shù)基本滿足設(shè)計要求，匹配合理。

表3 ADVISOR仿真結(jié)果及設(shè)計指標對比

4 結(jié)束語

本文基于ADVISOR車輛仿真分析軟件，設(shè)置了電動汽車仿真模型，結(jié)合整車參數(shù)進行仿真，結(jié)果顯示CYC_ECE_EUDC工況更接近本文的設(shè)計要求，后續(xù)可針對CYC_ECE_EUDC工況對電動汽車進行更多方面的匹配分析。