基于Cruise的純電動(dòng)汽車建模及仿真研究

朱紅軍　李智豪

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；Cruise；聯(lián)合仿真；控制策略

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)新能源汽車的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出新要求，因此汽車更新迭代速度極快[1]。在新能源汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，縮短設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性與快速審計(jì)對(duì)搶占汽車市場(chǎng)先機(jī)具有重要意義[2]。

本文基于某款純電動(dòng)汽車車型，搭建仿真模型，通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果來(lái)評(píng)估整車所選電機(jī)及控制策略是否滿足設(shè)計(jì)需求。首先，利用Cruise 軟件完成純電動(dòng)汽車建模設(shè)計(jì)。其次，利用MATLAB/SIMULINK 軟件進(jìn)行控制策略設(shè)計(jì)?；趦蓚€(gè)軟件的聯(lián)合仿真功能，建立多工況下的模擬仿真任務(wù)。通過(guò)分析仿真試驗(yàn)結(jié)果，判斷所選電機(jī)及控制策略是否合理。最后，依托試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證電機(jī)選型和控制策略是否需要調(diào)整，避免在開(kāi)發(fā)過(guò)程中盲目進(jìn)行電機(jī)選型和控制策略設(shè)計(jì)，從而縮短開(kāi)發(fā)周期[3]。

1 純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)及參數(shù)

該純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要由電機(jī)、動(dòng)力電池、單擋變速箱、電耗元件、驅(qū)動(dòng)橋和車輪組成（圖1）。整車在行駛過(guò)程中的主要運(yùn)行模式包含行駛模式、能量回收模式和駐車模式[4]。

本文選擇一款電機(jī)，其峰值扭矩為240 N·m、峰值轉(zhuǎn)速為8 000 r/min、峰值功率為78 kW、電壓等級(jí)為400 V。電機(jī)效率map 圖如圖2 所示。表1為純電動(dòng)汽車整車基本參數(shù)。

2 車輛仿真模型的建立

2.1 Cruise 軟件中整車模型的搭建

基于純電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖1），在Cruise軟件中，通過(guò)拖拽驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、電耗元件、主減速器等模塊，構(gòu)建整車模型，并依據(jù)純電動(dòng)汽車原理，通過(guò)機(jī)械連桿或電氣接口進(jìn)行連接[5]。MATLAB 的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（dynamic linklibrary，DLL） 模塊是Cruise 軟件與MATLAB 軟件聯(lián)合仿真的仿真接口，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件的交互。整車Cruise 模型搭建如圖3 所示，隨后將表1 的參數(shù)輸入整車模型中。

2.2 SIMULINK 軟件中整車控制策略的建立

在純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，需建立合理的控制策略來(lái)保證整車的正常行駛。

如圖4 所示，在計(jì)算整車目標(biāo)扭矩時(shí)，采用計(jì)算方便和相對(duì)準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法。首先，采用油門踏板的開(kāi)度值作為控制信號(hào)，當(dāng)油門踏板踩下時(shí)，通過(guò)將Cruise 中的油門踏板的開(kāi)度信號(hào)與電機(jī)的外特性曲線相乘，計(jì)算得到整車的需求扭矩。其次，利用制動(dòng)踏板開(kāi)度信號(hào)計(jì)算整車所需要的制動(dòng)扭矩。

在純電動(dòng)汽車中，能量回收模式中的扭矩分配極為重要。本文設(shè)定當(dāng)整車車速大于等于5 km/h 且電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）值小于等于90% 時(shí)進(jìn)行能量回收。此時(shí)，電機(jī)會(huì)輸出負(fù)扭矩以進(jìn)行能量回收。若當(dāng)前電機(jī)輸出的負(fù)扭矩滿足制動(dòng)扭矩條件，則機(jī)械制動(dòng)扭矩輸出為0 N·m。若當(dāng)前電機(jī)輸出的負(fù)扭矩不能滿足制動(dòng)扭矩條件，則機(jī)械制動(dòng)扭矩輸出為需求制動(dòng)扭矩減去電機(jī)輸出負(fù)扭矩。圖5 是能量回收模式下扭矩分配。其中，AND代表邏輯判斷前兩個(gè)條件是否都符合；double 為信號(hào)轉(zhuǎn)換器；|u| 為輸入信號(hào)的絕對(duì)值；k 為乘的系數(shù)，此處為-1。

2.3 純電動(dòng)汽車工作原理及模式切換

純電動(dòng)汽車主要有3 種運(yùn)行模式：行駛模式、能量回收模式和駐車模式，通過(guò)需求扭矩是否大于0 來(lái)確定是否進(jìn)入行駛狀態(tài)。在SIMULINK 中利用Stateflow 模塊進(jìn)行整車行車過(guò)程中的模式切換，行駛狀態(tài)中包含行駛模式以及能量回收模式，通過(guò)油門開(kāi)度和制動(dòng)踏板開(kāi)度進(jìn)行切換。圖6 是純電動(dòng)汽車運(yùn)行模式切換模塊。

3 車輛仿真分析

根據(jù)上述建立的整車模型以及能量控制模型，在Cruise 軟件中通過(guò)設(shè)定多個(gè)循環(huán)工況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證電機(jī)與控制策略在不同工況下是否符合需求。本文采用乘用車典型測(cè)試工況：世界輕型車測(cè)試循環(huán)（world light vehicle test cycle，WLTC） 工況和新歐洲行駛測(cè)試循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）工況，將電池SOC 值為70% 作為初始值進(jìn)行模擬分析。

3.1 車速跟隨情況分析

利用Cruise 軟件模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)際車速與期望車速對(duì)比分析。在WLTC 工況下，平均車速誤差為0.28 km/h， 最大誤差為6.05 km/h， 最小誤差為0 km/h。在NEDC 工況下， 平均車速誤差低于0.04 km/h，最大誤差為2.65 km/h，最小誤差為0 km/h。仿真結(jié)果顯示，實(shí)際車速與期望車速幾乎相同，這證明所選電機(jī)能夠滿足整車行駛需求。

3.2 電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速分析

如圖7 和圖8 所示， 在WLTC 工況下， 行駛過(guò)程中最大輸出扭矩為159.51 N·m，最大負(fù)扭矩為-53.10 N·m， 最大轉(zhuǎn)速為7 014 r/min。在NEDC 工況下，行駛過(guò)程中最大輸出扭矩為208.60 N·m，最大負(fù)扭矩為-46.24 N·m，最大轉(zhuǎn)速為6 417 r/min。由整車基本參數(shù)可得，電機(jī)的峰值扭矩為240.00 N·m，峰值轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，因此在兩種工況下，電機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速在行駛過(guò)程中均處于合理范圍內(nèi)。

結(jié)合車速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的結(jié)果可知，整車在行駛過(guò)程中電機(jī)處于合理的運(yùn)行區(qū)間，因此所選電機(jī)符合整車行駛需求。

3.3 電池SOC 值變化分析

由仿真結(jié)果可得，本文整車模型在WLTC 工況與NEDC 工況下電耗分別為14.60 kW·h/100 km、12.78 kW·h/100 km，整車電耗處于乘用車百公里電耗的合理范圍內(nèi)。如圖9 所示，電池SOC 在行車過(guò)程中有上升變化，反映了車輛在行駛過(guò)程中，行駛模式與能量回收模式能夠正常切換，且所設(shè)計(jì)的控制策略能夠按照設(shè)定條件正常運(yùn)行。

由上述分析結(jié)果可知， 通過(guò)Cruise 軟件和MATLAB/SIMULINK 軟件的聯(lián)合仿真結(jié)果可以驗(yàn)證所設(shè)定的控制策略合理以及電機(jī)的選型能夠滿足整車需求。

4 結(jié)論

在純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用Cruise 軟件搭建整車仿真模型，在SIMULINK 軟件中建立與之匹配的能量管理策略。通過(guò)兩個(gè)軟件的聯(lián)合仿真，對(duì)所選電機(jī)及控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，所選電機(jī)能夠滿足整車動(dòng)力需求，控制策略在WLTC 工況與NEDC 工況下均能正常進(jìn)行實(shí)施。綜上，利用該模型在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行電機(jī)選型與控制策略驗(yàn)證，可以為整車的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)，有效縮短了整車開(kāi)發(fā)周期。