基于Simulink的EV節(jié)能車“加速-滑行”的能耗仿真分析

李永耀,岑加俊,黃澤豪,戴靖,陳宇,王麗

廣州城市理工學(xué)院，廣東廣州 510800

0 引言

根據(jù)汽車環(huán)保馬拉松大賽競(jìng)賽規(guī)則[1-2]，電動(dòng)原型車的賽事由各車隊(duì)自行配備電池，賽方通過(guò)在電池輸出端安裝焦耳計(jì)來(lái)測(cè)定車輛在行駛過(guò)程中能量的損耗值，并且比賽單圈有最低平均時(shí)速25 km/h的要求，續(xù)航里程長(zhǎng)的車輛為節(jié)能競(jìng)技比賽的優(yōu)勝者。在備賽過(guò)程中，EV節(jié)能車結(jié)構(gòu)初步完成后，需要根據(jù)路況和車體運(yùn)行情況，不斷調(diào)整駕駛策略，讓車輛用更小的電量行駛更遠(yuǎn)的距離[3]，以實(shí)現(xiàn)較優(yōu)良的能耗性能，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大賽節(jié)能減排的宗旨和提高環(huán)保意識(shí)，同時(shí)也提高參賽者的實(shí)踐動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。

本文通過(guò)Simulink建立了駕駛策略模型，并結(jié)合行駛道路的坡度信息，以“加速-滑行”的駕駛策略進(jìn)行行駛能耗仿真分析。分析表明節(jié)能車在“加速-滑行”的特定行駛策略下，其平均時(shí)速滿足要求，續(xù)航能力較好，所探討的“加速-滑行”的駕駛策略行駛能耗仿真分析對(duì)于降低車輛試驗(yàn)的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本產(chǎn)生影響。

1 基于Simulink的EV節(jié)能車能耗仿真總體框架

EV節(jié)能車整車結(jié)構(gòu)由外殼、車架及電動(dòng)機(jī)三大部分組成[4-6]，搭建的EV節(jié)能車能耗仿真系統(tǒng)由駕駛策略模型、電機(jī)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型、車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型、道路模型和結(jié)果查看模型構(gòu)成并進(jìn)行有機(jī)關(guān)聯(lián)。因測(cè)試路段長(zhǎng)度為3.26 km，在仿真中僅對(duì)節(jié)能車進(jìn)行單圈能耗仿真[7-8]，因此當(dāng)車輛行程達(dá)到3.26 km，節(jié)能車能耗仿真停止運(yùn)行。Simulink仿真模型總體框架如圖1所示。

圖1 Simulink仿真模型總體框架

2 駕駛策略模型的建立

由于汽車環(huán)保馬拉松大賽賽場(chǎng)存在坡度和彎道，且有最低電量輸出和平均時(shí)速25 km/h的要求。因此，要實(shí)現(xiàn)以上基本目標(biāo)，車手在無(wú)緊急情況下不采取車輛制動(dòng)，這就要求車手必須具備豐富的賽事經(jīng)驗(yàn)。通常做法是：EV節(jié)能車通過(guò)先加速到某一時(shí)速，然后斷電讓車輛滑行，當(dāng)車輛滑行降到特定時(shí)速后，再進(jìn)行加速，以此“加速-滑行”往復(fù)進(jìn)行來(lái)完成整場(chǎng)比賽。

駕駛策略模型是在Simulink下通過(guò)Stateflow來(lái)制定的駕駛方式。如圖2建立的駕駛策略模型所示，通過(guò)輸入車速信息和彎道曲率信息來(lái)決定電門開度，即PWM占空比。

圖2 駕駛策略Simulink模型

圖3為駕駛策略Stateflow模型。該模型是狀態(tài)與動(dòng)作的執(zhí)行和轉(zhuǎn)換，分別有3種狀態(tài)：power_on，power_on1，power_off1；兩種動(dòng)作：K=60，K=0；兩個(gè)條件判斷參數(shù)：v和R?？紤]到電池放電倍率、電機(jī)輸出扭矩克服道路中最大的坡度阻力等因素，設(shè)置默認(rèn)狀態(tài)(power_on)下，此時(shí)執(zhí)行動(dòng)作是K=60，代表控制電機(jī)的電門旋鈕處于PWM為60%的位置；當(dāng)車速達(dá)到狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件(v≥28 km/h)時(shí)，狀態(tài)切換至“power_on1”，此時(shí)PWM仍是60%；當(dāng)車速v增加到34 km/h時(shí)或者車輛行駛在曲率半徑閾值位置時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)“power_off1”，即PWM為0%；當(dāng)車速低于20 km/h，重新回到狀態(tài)“power_on1”，PWM也回到60%；當(dāng)車速不大于22 km/h，回到默認(rèn)狀態(tài)“power_on”。按照此方式不斷循環(huán)。

圖3 駕駛策略Stateflow模型

3 道路模型的建立

仿真模型中，對(duì)EV節(jié)能賽車行駛在一段環(huán)形的道路進(jìn)行能耗分析。采集道路的經(jīng)度、緯度和海拔高度的一系列連續(xù)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)后，通過(guò)MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)公式(1)和公式(2)分別進(jìn)行坡度值和曲率半徑進(jìn)行求解。

(1)

(2)

式中：xk、yk、hk分別為該路段第k點(diǎn)在笛卡爾坐標(biāo)系的x軸、y軸、z軸坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)值;θ為道路與水平地面的夾角;r為道路的曲率半徑。

仿真所用的道路三維形狀如圖4所示，該道路的求解結(jié)果如圖5所示。因車輛在彎道處進(jìn)行加速，設(shè)定r=20 m為曲率半徑閾值。曲率半徑小于r時(shí)，該位置給予標(biāo)記R=0，代表此位置禁止啟動(dòng)電機(jī)，否則給予標(biāo)記R=1，表示允許電機(jī)啟動(dòng)。在Simulink仿真模型中，通過(guò)車輛行駛所在的位置來(lái)查詢道路信息，如圖6所示。采用一維查表模塊，通過(guò)車輛當(dāng)前位置查詢當(dāng)前坡度值。

圖4 仿真所用的道路三維形狀

圖5 仿真路段坡度、曲率半徑及海拔高度的變化曲線

圖6 仿真路段坡度信息模型

4 車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型的建立

以當(dāng)前最新的EV節(jié)能車為載體建立車輛縱向行駛方程為：

(3)

(4)

(5)

式中：η為傳動(dòng)效率;a為車輛縱向加速度;vk+1為k+1時(shí)刻車輛速度值;vk為k時(shí)刻車輛速度值;Sk+1為車輛k+1時(shí)刻的行程;Sk為車輛k時(shí)刻的行程。

EV節(jié)能車的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)見表1。

表1 EV節(jié)能車的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

在仿真過(guò)程中，以加速度a為切入對(duì)象，通過(guò)車輛當(dāng)前速度、車輛所處位置坡度值和車輛此刻電機(jī)輸出扭矩值動(dòng)態(tài)信號(hào)，對(duì)加速度a積分，可求出速度和路程。行駛阻力模型如圖7所示，車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型如圖8所示。

圖7 行駛阻力模型

圖8 車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型

5 電機(jī)模型的建立

本文的EV節(jié)能車電動(dòng)機(jī)模塊采用的是無(wú)刷直流電機(jī)，在Simulink仿真模型中，電機(jī)效率可以通過(guò)查表方式來(lái)確定，其效率可以表示為方程(6)，電機(jī)的輸出扭矩可以通過(guò)方程(7)來(lái)確定，電機(jī)輸出功率可以表示為方程(8)。電機(jī)模型如圖9所示。

圖9 電機(jī)模型

輸入信號(hào)是電門開度和車速，輸出信號(hào)有電機(jī)工作效率、電機(jī)輸出扭矩和電機(jī)輸出功率。

ηm=f(Tt,n)

(6)

(7)

(8)

式中：ηm為電機(jī)輸出效率;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;E為電門開度;Pm為電機(jī)輸出功率;N為電機(jī)基速;Tt為電機(jī)實(shí)時(shí)輸出扭矩。

6 仿真結(jié)果

本文模擬了駕駛員在一段測(cè)試道路上以“加速-滑行”的駕駛方式下的能耗損失。但存在一定的理想條件，例如，車輛在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中能量的損耗假設(shè)為0，賽道的環(huán)境風(fēng)速假設(shè)為0，車手在操控電門轉(zhuǎn)把時(shí)能瞬間將轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)到一定的角度。為了提高仿真數(shù)據(jù)的精確度，在Simulink仿真求解器中選擇定步長(zhǎng)為0.01來(lái)進(jìn)行仿真運(yùn)算。兩個(gè)重要仿真指標(biāo)是：節(jié)能效應(yīng)為874.1 km/kWh，平均時(shí)速為27.13 km/h。即在該測(cè)試路段下按照上述制定的駕駛策略進(jìn)行駕駛，其節(jié)能指標(biāo)是一度電能行駛874.1 km，而其平均時(shí)速為27.1 km/h。

圖10為車速仿真結(jié)果，反映了車手在賽道各位置的車速大小，明顯呈現(xiàn)出“加速-滑行”的駕駛風(fēng)格，平均車速達(dá)到了27 km/h,符合賽事最低平均車速的要求。

圖10 車速仿真結(jié)果

根據(jù)圖11和圖12的車速曲線與相對(duì)海拔高度和電機(jī)輸出功率分布的關(guān)系，可知在整段道路上，不同的海拔高度和電機(jī)輸出功率的分配給車速帶來(lái)了影響，而制定更具有節(jié)能效應(yīng)的駕駛策略，往往需要根據(jù)道路的坡度、車速來(lái)調(diào)整電機(jī)在整段道路的功率分配。

圖11 車速曲線與相對(duì)海拔高度的關(guān)系

圖12 車速曲線與電機(jī)輸出功率分布的關(guān)系

圖13為駕駛員操控的電門開度值，圖14為電機(jī)工作效率仿真結(jié)果。由圖可見：電機(jī)工作期間的效率基本大于80%，車速具有較明顯的加速再減速的循環(huán)特征；電機(jī)工作時(shí)間占車輛行駛總時(shí)間較少，證明節(jié)能賽車具備低滾阻、低風(fēng)阻的優(yōu)點(diǎn)；受到起伏不平的道路坡度角影響，節(jié)能車會(huì)在某一段距離速度超過(guò)35 km/h，原因是在長(zhǎng)距離的下坡路段，節(jié)能車不斷滑行加速。

圖13 駕駛員操控的電門開度值

圖14 電機(jī)工作效率仿真結(jié)果

在如圖15所示的結(jié)果查看模型中，添加Display模塊可直接觀察數(shù)據(jù)。由圖可以看出，按照仿真設(shè)定的條件，節(jié)能車在該路段的平均行駛車速為26.74 km/h，每度電能行駛698.3 km;則在該路段按照本文設(shè)定的駕駛策略行駛，能達(dá)到最低時(shí)速25 km/h的條件，并且能在有限的電量下跑出更遠(yuǎn)的距離。

圖15 結(jié)果查看模型

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)目前在中國(guó)舉辦的殼牌汽車環(huán)保馬拉松大賽和中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽的電動(dòng)組別賽事規(guī)則，最小能耗、最遠(yuǎn)續(xù)航里程的車輛為節(jié)能競(jìng)技比賽的優(yōu)勝者。通過(guò)Simulink搭建EV節(jié)能車能耗仿真總體框架和車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型，建立了駕駛策略模型;結(jié)合行駛道路的坡度和轉(zhuǎn)彎半徑信息，以“加速-滑行”的駕駛策略進(jìn)行行駛能耗分析。通過(guò)仿真結(jié)果可初步檢驗(yàn)節(jié)能車在“加速-滑行”的特定行駛策略下，其平均時(shí)速達(dá)到賽事要求，續(xù)航能力較好。