趙小羽，袁天執(zhí)，胡慧婧

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

純電動(dòng)汽車因其零排放特性而備受關(guān)注，被認(rèn)為是全球能源危機(jī)的最終解決方案。然而，續(xù)駛里程不足這一技術(shù)問(wèn)題極大地阻礙了純電動(dòng)汽車的大規(guī)模應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，迫切需要開發(fā)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的電動(dòng)汽車整車仿真模型以便在整車設(shè)計(jì)開發(fā)階段進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)選型。截止目前為止，大部分的純電動(dòng)汽車整車仿真模型均將電機(jī)效率作為一個(gè)固定值作為輸入進(jìn)行仿真，嚴(yán)重影響了其結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文以某純電動(dòng)汽車作為研究對(duì)象，利用Matlab/Simulink建立整車仿真平臺(tái)，充分考慮整車性能參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，對(duì)其動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真。

1 仿真模型建立

本文采用Matlab/Simulink對(duì)某純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性。

某純電動(dòng)汽車的技術(shù)參數(shù)如表1所示[1]。電機(jī)標(biāo)稱性能曲線如圖1所示[2]。

表1 某純電動(dòng)汽車的技術(shù)參數(shù)

圖1 某純電動(dòng)汽車的電機(jī)標(biāo)稱性能曲線

2 整車動(dòng)力性仿真

整車動(dòng)力性包含3個(gè)指標(biāo)：汽車的最高車速Vmax，汽車的加速時(shí)間t，汽車的最大爬坡度Amax。

2.1 汽車最高車速

式中：nmax—電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速；r—車輪半徑；β—總傳動(dòng)比。

計(jì)算得到汽車的最高車速Vmax為147.76 km/h，與實(shí)測(cè)值150 km/h基本一致。

2.2 汽車加速時(shí)間

汽車的行駛阻力包括空氣阻力Fad、滾動(dòng)阻力Frl及坡道阻力Fhc。本文計(jì)算平地上的整車加速時(shí)間，故坡道阻力Fhc可忽略不計(jì)。因此，汽車的驅(qū)動(dòng)力即為電機(jī)提供的牽引力Fte與行駛阻力的差值：

式中：me—整車動(dòng)力學(xué)質(zhì)量，本文取me=1.05m。

速度與加速度的關(guān)系為：

式中：a—汽車的加速度；v—汽車的速度；t—所需的加速時(shí)間。

由上述公式可建立整車加速時(shí)間仿真模型如圖2所示。當(dāng)汽車的速度v達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止仿真并獲取整車加速時(shí)間如表2所示，與實(shí)測(cè)值基本一致。

在AP1化探綜合異常區(qū)中，通過(guò)10-18線地物化綜合剖面測(cè)量（圖2），發(fā)現(xiàn)一條較好的相對(duì)高阻、高極化并伴有相對(duì)高的磁測(cè)異常帶，長(zhǎng)度大于800m以上，寬度在200-300 m左右，走向北東30-40°，并且化探剖面顯示有強(qiáng)烈的Mo、Sn、Pb等元素異常。

圖2 整車加速時(shí)間仿真模型

表2 某整車加速性能

若需提高整車最高車速，可使用多檔變速器。以二檔變速器為例，當(dāng)車速小于90 km/h時(shí)，傳動(dòng)比為7.05；當(dāng)車速大于90 km/h時(shí)，傳動(dòng)比為5.21。 整車加速性能仿真結(jié)果如表3所示，加速時(shí)間增大，最高車速可提高至199.95 km/h。仿真結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

表3 某整車加速性能仿真結(jié)果

圖3 某純電動(dòng)汽車加速性能仿真結(jié)果

2.3 汽車的最大爬坡度

如上文所述，汽車的行駛阻力包括空氣阻力Fad、滾動(dòng)阻力Frl及坡道阻力Fhc。汽車的驅(qū)動(dòng)力為電機(jī)提供的牽引力Fte與行駛阻力的差值：

當(dāng)加速度a為0時(shí)，即可計(jì)算出不同坡度下所能達(dá)到的最高車速，如圖4所示。當(dāng)爬坡度為30%時(shí)，最高車速可達(dá)94.8km/h。計(jì)算車輛的最大爬坡度可采用以下公式[4]：

式中：Wmax為最大載重質(zhì)量 （2041 kg）。

計(jì)算得到，對(duì)于干燥道路，最大爬坡度為23.3°；對(duì)于下雪道路，最大爬坡度為3.2°。

圖4 牽引力-坡度仿真曲線

3 整車經(jīng)濟(jì)性仿真

整車經(jīng)濟(jì)性包含3個(gè)指標(biāo)：能量消耗率，制動(dòng)能量回收，續(xù)駛里程。

整車經(jīng)濟(jì)性與電池容量及SOC、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、空調(diào)及PTC等負(fù)載的使用情況密不可分。因此，為了使不同工況下整車經(jīng)濟(jì)性的仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確，建立仿真模型時(shí)需將上述因素均考慮在內(nèi)。整車經(jīng)濟(jì)性仿真模型如圖5所示。

大部分研究中，通常將電機(jī)效率作為一個(gè)固定值作為輸入進(jìn)行仿真，未考慮其在不同轉(zhuǎn)速和扭矩下的變化值，導(dǎo)致仿真結(jié)果存在較大誤差。為了盡可能減小這一誤差，本文的仿真模型引入電機(jī)的實(shí)時(shí)效率，如圖6所示。

當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛時(shí)，能量的流動(dòng)方向?yàn)椋簞?dòng)力電池→電機(jī)控制器→驅(qū)動(dòng)電機(jī)→傳動(dòng)系統(tǒng)→車輪。整車行駛時(shí)動(dòng)力電池所消耗的能量Efuel為：

圖5 整車經(jīng)濟(jì)性仿真模型

圖6 電機(jī)效率曲線

式中：ηmotor—電機(jī)扭矩為正時(shí)的效率。

當(dāng)制動(dòng)能量回收時(shí)，能量的流動(dòng)方向?yàn)椋很囕啞鷤鲃?dòng)系統(tǒng)→電機(jī)→電機(jī)控制器→動(dòng)力電池。整車行駛時(shí)動(dòng)力電池所消耗的能量Eregeneration為：

式中：ηregen—電機(jī)扭矩為負(fù)時(shí)的效率。

本文選取FHDS （Federal Highway Driving Schedule）、FUDS （Federal Urban Driving Schedule）、EPA US06及EPA SC03四種典型工況作為輸入以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真，其速度-時(shí)間曲線如圖7所示。

圖7 典型工況速度-時(shí)間曲線

3.1 能量消耗率

四種典型工況下的能量消耗率如表4所示。EPA US06工況下由于車速較高，導(dǎo)致百公里能耗達(dá)到19.1 kWh。 FUDS及EPA SC03工況下由于車速較低，百公里能耗均低于12kWh。仿真結(jié)果高于實(shí)測(cè)結(jié)果是由于未將空調(diào)及PTC等負(fù)載的使用情況考慮進(jìn)去，以及制動(dòng)能量回收策略與實(shí)際情況的偏差所導(dǎo)致。

表4 典型工況能源消耗率仿真結(jié)果

3.2 制動(dòng)能量回收

在FUDS（城市）工況下，進(jìn)行制動(dòng)能量回收可降低32.5%的能耗，極大地提高了整車?yán)m(xù)駛里程。在FHDS（高速）工況下，進(jìn)行制動(dòng)能量回收可降低7.8%的能耗。

3.3 續(xù)駛里程

表5 制動(dòng)能量回收仿真結(jié)果

為進(jìn)行續(xù)駛里程仿真，需在模型中加入動(dòng)力電池模塊，如圖8所示。假定動(dòng)力電池SOC從1降至0時(shí)的不同工況下續(xù)駛里程仿真結(jié)果如表6所示。除US06工況以外，其余典型工況下的續(xù)駛里程均高于380km。

圖8 動(dòng)力電池仿真模型

表6 續(xù)駛里程仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)某純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了仿真模型的準(zhǔn)確性。該仿真模型可作為純電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真的工具，為動(dòng)力系統(tǒng)的選擇、性能預(yù)測(cè)及分析提供一種手段和方法。