基于AVL-Cruise的純電動車性能仿真*

宮喚春

（河北東方學(xué)院；中汽工程研究院）

目前純電動汽車已經(jīng)成為國內(nèi)外各大整車企業(yè)及相關(guān)研究機構(gòu)的研究熱點[1]。在純電動汽車開發(fā)過程中，整車性能目標以及相應(yīng)的電動機、電池組、減速器等動力總成參數(shù)的選型對整個開發(fā)過程起著關(guān)鍵性的作用。因此，對整車性能的精確預(yù)測對于純電動汽車的開發(fā)就顯得特別重要。AVL-Cruise 軟件具有建模簡單、車型數(shù)據(jù)庫強大、能夠進行可視化分析等特點，所以廣泛用于整車性能仿真分析，能夠為純電動汽車的設(shè)計與開發(fā)提供技術(shù)保障[2]。文章在此軟件的基礎(chǔ)上建立仿真模型并進行計算分析，為整車性能仿真分析研究提供參考。

1 純電動汽車整車性能分析及建模

文章分析的純電動汽車整車性能通常是指其等速續(xù)駛里程、100 km 耗電量、整備質(zhì)量及動力性。以某純電動轎車為例，利用AVL-Cruise 軟件建模，計算相關(guān)性能指標。純電動轎車相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 某純電動轎車性能指標與總成參數(shù)

模型的準確性直接影響計算結(jié)果的精度，根據(jù)要分析計算的整車性能指標并結(jié)合表1，在建模過程中需要注意以下問題[3]：

1）整車參數(shù)：包括整車尺寸、質(zhì)量、空氣動力學(xué)參數(shù)、阻力模型（包括滑行曲線）；

2）電機參數(shù)：包括電機額定功率下的外特性曲線和效率特性曲線、峰值功率下的外特性曲線和效率特性曲線、不同電壓的效率曲線和外特性曲線等；

3）電池組參數(shù)：包括電池單體的電壓、容量、不同溫度下的充放電曲線、不同溫度下的內(nèi)阻特性曲線、電池的模組構(gòu)成參數(shù)、電池最大放電電流參數(shù)。

根據(jù)上述分析，利用AVL-Cruise 軟件建立的模型，如圖1所示。

圖1 AVL-Cruise 建立的整車模型界面

利用AVL-Cruise 軟件進行汽車性能仿真的最大特點是各子系統(tǒng)的模塊化設(shè)計以及子模塊的參數(shù)化輸入非常簡單，雙擊圖1模型中的各子模塊就會彈出相應(yīng)的子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，通過參數(shù)輸入界面設(shè)置相關(guān)參數(shù)。建模和參數(shù)設(shè)置完成后，利用檢查功能來確保模型數(shù)據(jù)和連接的正確性。仿真計算前要確定具體仿真任務(wù)，根據(jù)文章所要分析的性能指標，選擇AVL-Cruise 軟件中7種不同的計算方式，分別是循環(huán)測試、爬坡性能測試、等速行駛性能測試、全負荷加速測試、最大牽引力測試、巡航測試、制動/滑行/倒拖。依據(jù)仿真要求選擇合適的計算方式[4]。對于純電動汽車來說，由于整車控制策略的限制，不同的工況下，電機的工作特性是不一樣的，特別是電機峰值功率特性受電池放電脈沖等條件限制，只能短時間工作，所以在AVL-Cruise計算中，對不同工況下的性能計算會采用不同的電機特性。對于最高車速、續(xù)駛里程，使用電機額定功率曲線；對于起步加速、超車加速、爬坡等，使用電機峰值功率曲線計算[5]。

2 AVL-Cruise 計算結(jié)果分析

把實車采集的車速數(shù)據(jù)（做了一定的濾波處理，去除了頻繁的擾動）作為仿真的工況輸入，車速時間歷程，如圖2所示。實際道路試驗數(shù)據(jù)采樣周期為50 ms，因此仿真過程中，仿真步長設(shè)定為0.05 s。從圖2 可以看出，仿真車速能夠很好地跟隨實際車速的變化。

圖2 純電動汽車道路試驗車速與AVL-Cruise 仿真車速對比

仿真的加速踏板開度變化幅度和變化趨勢基本與實際加速踏板開度相當(dāng)，如圖3所示。對于混合動力汽車系統(tǒng)，由相似的加速踏板開度可以得到基本相同的速度時間歷程，即由相似的輸入得到基本一致的輸出，證明了仿真模型基本上可以表現(xiàn)出與實車相同的特性，模型本身是正確有效的。

圖3 純電動汽車仿真與實際加速踏板開度對比

電機轉(zhuǎn)矩時間歷程，如圖4所示。和加速踏板開度一樣，仿真曲線變化幅度和變化趨勢都基本與實際曲線特性相當(dāng)。

圖4 純電動汽車電機轉(zhuǎn)矩曲線對比

電池荷電狀態(tài)（SOC）的時間歷程，如圖5所示。仿真和試驗結(jié)果的對比情況，如表2所示，SOC變化量基本相等，說明仿真模型電池輸入輸出的能量與實車相等。同時，仿真曲線與實際曲線基本重合，說明在整個車輛運行過程中，仿真模型與實車瞬時狀態(tài)量一致，而不僅是初始狀態(tài)和最終狀態(tài)的簡單吻合，由此得到的仿真模型，可信度更高。

圖5 純電動汽車電池SOC變化曲線對比

表2 純電動汽車電池SOC仿真與試驗結(jié)果對比 %

完成模型搭建后即可進行模型的運算。利用AVL-Cruise 對純電動汽車進行整車性能指標計算分析，計算結(jié)果如下：100 km 加速時間為13.76 s，最高車速為115 km/h，最大爬坡度為23.84%，續(xù)駛里程為147.761 km，電能消耗量為0.114 kW·h/km。

該結(jié)果與文章確定的整車性能指標比較一致，模型精確度較高。

采用動力性換擋規(guī)律，使整車在新歐洲行駛循環(huán)工況[6]（NEDC）下進行仿真，仿真結(jié)果的時間歷程，如圖6和圖7所示。

圖6 純電動汽車實際車速、目標車速、加速度仿真曲線圖

圖7 純電動汽車當(dāng)前擋位、目標擋位、實際車速仿真變化曲線

仿真結(jié)果表明，實際車速能夠很好地跟隨目標車速變化，當(dāng)前擋位也能很好地跟隨目標擋位的變化。由于動力性換擋規(guī)律的換擋車速較高，換擋存在延遲，能夠較大程度地發(fā)揮汽車的牽引特性，因此循環(huán)行駛工況中，整車運行擋位較低。

在完成動力總成參數(shù)選型后，利用一輛原型車改裝了一輛純電動樣車，電池與文章采用的電池組類型完全相同，允許SOC放電區(qū)間為35%～75%，完成初步控制策略的標定后，進行多輪續(xù)駛里程的測試。同時進行多輪AVL-Cruise 仿真計算，驗證模型計算數(shù)值與實車測試數(shù)值的誤差，并再次驗證該模型的精確度。驗證結(jié)果，如表3所示。

表3 純電動汽車實車測試與模型仿真對比分析

從表3 可以看出，AVL-Cruise 計算結(jié)果與實車測試結(jié)果之間的誤差小于4%，說明所建立的模型精度較高，能夠預(yù)測相關(guān)性能指標并為實車性能的分析提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

以某款電動汽車為研究對象，利用AVL-Cruise 軟件構(gòu)建仿真分析模型，通過軟件仿真與實車測試相結(jié)合的方法進行整車仿真性能分析，結(jié)果顯示，所構(gòu)建的仿真模型的動力性、經(jīng)濟性以及荷電狀態(tài)（SOC）等性能參數(shù)與實車測試結(jié)果比較吻合，誤差比較小，說明該方法是可行的。今后需進一步完善整車仿真模型中的參數(shù)設(shè)計，為實車應(yīng)用創(chuàng)造條件。