純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真技術(shù)研究與應(yīng)用

劉建春　齊巍

摘 要：純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)對(duì)整車性能有很大影響，本文基于MATLAB平臺(tái)搭建純電動(dòng)汽車性能仿真分析模型，根據(jù)整車基本參數(shù)和目標(biāo)性能要求，確定動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)方法，并通過對(duì)電機(jī)、電池及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化來確保整車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能達(dá)到最優(yōu)值，并根據(jù)模擬仿真結(jié)果對(duì)各參數(shù)影響進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;系統(tǒng)匹配;仿真建模

1 引言

電動(dòng)汽車系統(tǒng)仿真技術(shù)主要通過建立車輛及相關(guān)部件的系統(tǒng)模型從而對(duì)車輛的相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，使得在技術(shù)方案的選擇階段能夠?qū)Ρ姸嗪蜻x部件進(jìn)行替換研究，并通過對(duì)候選部件進(jìn)行模擬仿真從而找到最佳匹配方案;從而簡化了實(shí)車原型和大量樣車試驗(yàn)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期和成本，同時(shí)有助于為樣車的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供工程目標(biāo)。

采用計(jì)算機(jī)仿真的研究方法將大大提高電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的前瞻能力，在這種快捷而高效的拓?fù)溲芯克悸返囊龑?dǎo)下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程將得以改善，使得在較短時(shí)間內(nèi)把性能更優(yōu)的電動(dòng)汽車產(chǎn)品推向市場成為可能。在電動(dòng)汽車的開發(fā)前期，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)仿真的意義在于：

（1）為新車型的開發(fā)提供指導(dǎo)性意見;

（2）有針對(duì)性地提出設(shè)計(jì)目標(biāo)和需求;

（3）對(duì)新車型的主要性能進(jìn)行預(yù)測;

（4）研究和開發(fā)新的與實(shí)際需求最為匹配的控制策略;

（5）研究相關(guān)參數(shù)及其相互匹配情況。

新能源動(dòng)力系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心組成部分，其參數(shù)的選型匹配直接影響整車的性能表現(xiàn)（以動(dòng)力性、能耗經(jīng)濟(jì)性為代表）。

因此在電動(dòng)汽車研制的前期，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)乃至附件系統(tǒng)進(jìn)行全方位的數(shù)學(xué)建模與分析，搭建相應(yīng)的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并通過對(duì)不同部件及能量管理策略的反復(fù)仿真分析，從而為確定原型車參數(shù)配置提供參考。

2 仿真分析方法

整車性能匹配仿真主要方法是基于MATLAB編寫仿真程序，或在Advisor等仿真軟件中調(diào)用整車及各部件的仿真模型，然后配置實(shí)車的各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)，通過仿真軟件模擬計(jì)算各動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)配置組合下車輛的性能;并基于仿真結(jié)果對(duì)相關(guān)仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而尋求滿足性能目標(biāo)設(shè)計(jì)要求的參數(shù)匹配方案。

2.1 仿真輸入

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真輸入?yún)?shù)如表1所示。

2.2 性能評(píng)價(jià)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能一般用最高車速、加速時(shí)間、爬坡性能三個(gè)指標(biāo)來衡量，經(jīng)濟(jì)性能一般用循環(huán)工況能耗率或續(xù)駛里程來評(píng)估，見表2。

3 仿真分析模型及算法

3.1 動(dòng)力性能仿真分析

動(dòng)力性能仿真主要根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)-功率平衡理論進(jìn)行模擬分析計(jì)算。

純電動(dòng)汽車行駛驅(qū)動(dòng)力：

純電動(dòng)汽車行駛阻力：

其中：

Ttq—電機(jī)轉(zhuǎn)矩

igi—i檔傳動(dòng)比

i0—主傳動(dòng)比

ηt—傳動(dòng)效率

r—輪胎滾動(dòng)半徑

G—整備質(zhì)量

f—滾阻系數(shù)

α—坡度

CD—風(fēng)阻系數(shù)

A—迎風(fēng)面積

v—車速

根據(jù)汽車運(yùn)行過程中驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡的原理，分別對(duì)各極限行駛狀態(tài)進(jìn)行分析，以下分別以車輛運(yùn)行最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度三個(gè)指標(biāo)為例對(duì)仿真模型進(jìn)行介紹。

3.1.1 最高車速仿真分析

電動(dòng)汽車最高車速主要取決于車輛牽引力和阻力之間，或電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比之間的平衡。仿真計(jì)算模型如圖1所示。

3.1.2 加速性能仿真分析

電動(dòng)汽車的加速性能由車輛從當(dāng)前低速加速到下一較高車速時(shí)所需的時(shí)間來評(píng)價(jià)。仿真計(jì)算模型如圖2所示。

3.1.3 爬坡性能仿真分析

電動(dòng)汽車的爬坡能力一般用滿載時(shí)汽車在一定速度下（國標(biāo)《GB/T 18385-2005電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》規(guī)定為：1min內(nèi)向上行駛至少10m）能克服的最大坡度來衡量。仿真計(jì)算模型如圖3所示。

3.2 經(jīng)濟(jì)性能仿真分析

電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性能一般用循環(huán)工況能耗率及續(xù)駛里程來評(píng)估。

影響能耗的主要決定因素包括整車重量、滿載質(zhì)量、行駛阻力、電器負(fù)載、電機(jī)系統(tǒng)工作效率、動(dòng)力傳動(dòng)效率、能量回收效率以及電池充放電效率等。續(xù)駛里程則與能耗、電池能量、蓄電池的放電深度、放電效率等因素相關(guān)。

3.2.1 勻速工況

勻速工況常采取40km/h（客車）、60km/h（乘用車）等典型工況對(duì)車輛能耗及續(xù)駛里程指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，仿真模型如圖4所示。

3.2.2 綜合工況

目前純電動(dòng)乘用車經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)普遍采用ECE工況或NEDC綜合工況進(jìn)行評(píng)價(jià)。仿真模型如圖5所示。

4 應(yīng)用場景及實(shí)例

4.1 應(yīng)用場景

影響初電動(dòng)汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能因素有很多。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速、峰值扭矩以及車輛本身的參數(shù)都是影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能的因素，動(dòng)力電池的放電性能、動(dòng)力傳動(dòng)效率、能量回收效率等則影響整車能耗及續(xù)駛里程。為進(jìn)一步提升整車性能并降低產(chǎn)品成本，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)因素，對(duì)整車及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，達(dá)到最佳的系統(tǒng)匹配方案。電動(dòng)汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能仿真分析主要應(yīng)用價(jià)值在于通過系統(tǒng)仿真的方法，對(duì)企業(yè)預(yù)研車型提供參數(shù)匹配方案及產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

（1）基于整車設(shè)計(jì)輸入仿真計(jì)算車輛動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能理論值，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)值進(jìn)行比對(duì)，分析整車及動(dòng)力系統(tǒng)匹配存在的問題，并提供優(yōu)化建議。

（2）對(duì)標(biāo)分析競爭車型技術(shù)水平，提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)及核心性能（包括動(dòng)力性、能耗經(jīng)濟(jì)性、充電性能等）提升建議。

4.2 應(yīng)用示例

本文針對(duì)某純電動(dòng)轎車進(jìn)行初步參數(shù)匹配，并借助仿真模型對(duì)參數(shù)匹配方案進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。初步匹配參數(shù)輸入如表3：

將以上參數(shù)導(dǎo)入MATLAB仿真程序，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化及仿真分析，最終輸出結(jié)果如表4所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，追溯整車及部件匹配參數(shù)，確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為9000rpm，峰值扭矩為280N*m，單級(jí)減速器減速比為7.92，其它參數(shù)與初始仿真輸入一致，最終車輛動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

5 總結(jié)

本文從純電動(dòng)汽車整車參數(shù)和目標(biāo)性能要求出發(fā)，通過建立整車及系統(tǒng)仿真模型，具體分析各動(dòng)力參數(shù)對(duì)整車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能的影響，并對(duì)輸入?yún)?shù)不斷調(diào)整優(yōu)化進(jìn)行反復(fù)模擬仿真分析，最終得到理想的參數(shù)匹配結(jié)果。

應(yīng)用系統(tǒng)仿真的方法，對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配及性能仿真分析，能夠提前對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬評(píng)估，簡化了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的反復(fù)驗(yàn)證過程并降低了研發(fā)成本和周期，對(duì)新車型的開發(fā)與性能提升具有重要的指導(dǎo)意義。

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