基于ADVISOR的纯电动汽车动力性能仿真

轻型汽车技术201010总254技术纵横L3基于ADVISOR的纯电动汽车动力性能仿真伍庆龙刘忠途宗志坚中山大学工学院摘要研究和开发电动汽车时，建模和仿真技术是关键技术之一。在分析仿真软件ADVISOR的系统结构和仿真策略的基础上，介绍了使用ADVISOR软件进行电动汽车仿真的步骤和方法。以实验室研发的ECUV纯电动汽车为例，建立了纯电动汽车的各部件数据文件，对该纯电动汽车在典型的道路循环行驶工况下进行了动力性能仿真，仿真结果与纯电动汽车测功试验台架测试结果基本吻合。关键词ADVISOR电动汽车动力性能仿真引言电动汽车是一个复杂的系统，它集成了多个子系统如车身、电力驱动、能源及能量管理等。电动汽车技术涉及多门交叉学科，包括电力电子工程、机械汽车工程和化学工程等关健技术，在开发电动汽车初期，有必要使用仿真软件对其进行动力性能仿真。ADVISORFADVANCEDVEHICLESIMULATOR，高级车辆仿真器是由美国可再生能源实验室NRELNATIONALRENEWABLEENERGYLABORATORY在MATLAB和SIMULINK软件环境下开发的高级车辆仿真软件。该软件从1994年开始开发和使用，目前最新的正式版本ADVISOR2002。由于该软件通过大量的实践被证实具有较好的实用性，现在世界上许多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽车仿真方面的研究。本文将介绍它的应用方法，针对具体的纯电动汽车建立各部件的数据文件，并在行驶工况下进行动力性能的仿真研究，将仿真结果与实测结果进行对比分析。1ADVISOR的系统结构ADVISOR系统分为输人脚本、仿真模块、输出脚本、控制脚本四个部分。输入脚本文件定义工作空间的变量或者调用其它输入脚本文件，包括车辆定义文件和部分数据文件两部分。仿真模块由一些SIMULINK模型文件组成，这些文件包括许多根据输人计算输出的仿真计算方程式。输出脚本文件通过搜索工作空问对模型输出作一些后续处理，包括一些画图程序和一些错误检查程序。控制脚本文件用于控制仿真程序的运行，既生成输人，也对输出作一些处理，例如ADVISOR图形用户界面GUI和优化程序。ADVISOR文件系统的数据流程图1所示输入脚本文件输脚本文件图1ADVISOR仿真数据流程图从图1可以看出ADVISOR的仿真过程，首先控制脚本输入第一时刻的道路循环的请求行驶轨迹，根据车辆定义文件和部件数据文件，运用仿真模块计算出汽车在第一时刻的实际速度等结果，然后再进行第二时刻的仿真计算，如此反复，直到完成整个道路循环行驶工况的仿真，最后由输出脚本给出仿真图形和报表。2ADVISOR的仿真策略L4技术纵横轻型汽车技术201010总254ADVISOR采用了独特的将后向仿真和前向仿真相结合的混合仿真方法。图2为SIMULINK环境下纯电动汽车的仿真模型，该模型中箭头方向代表仿真数据传递方向，数据自左向右传递代表后向仿真路径，数据自右向左传递代表前向仿真路径。地结合起来，既使计算量较小，同时又保证了仿真结果的精度。3建立ADVISOR部件数据文件由上述的电动汽车整体仿真模型分析可知，ADVISOR首先进行后向仿真。由道路循环模块FDRIVECYCLE提供给汽车所应该满足的行驶轨迹，向整车模块VEHICLE请求所需的速度，整车模块利用汽车行驶方程式计算出满足这一速度请求所需的车轮转速和力，再向车轮和车轴模块WHEELANDAXLE发出请求，请求沿后向路径逐级向上级模块主减速器模块FINALDRIVE、变速器模块GEARBOX传递，直到电机模块MOTORCONTROLLER，计算出需要电机提供的实际功率，由此完成了后向仿真过程。在完成后向仿真后，ADVISOR便进行前向仿真。它首先从电机模块开始，将后向仿真计算出的电机功率及扭矩和转速传递给下一级模块，所得仿真数据再逐级向下传递直到车轮和车轴模块，从而计算出汽车的实际速度。相比而言，后向仿真不需要驾驶员模型，计算速度很快，但由于仿真过程中所用的各种特性参数都是在稳态时测定的，该方法不能用于实际行驶状态下汽车的动态仿真。前向仿真包括驾驶员模型，考虑了请求速度和当前速度，更接近于汽车的实际状况，计算结果较后向仿真更为准确，但这种仿真方法会增加计算量，使运行速度减慢，而且传动系统的功率计算还要依赖于汽车的实际状态。后向仿真和前向仿真各有优缺点，ADVISOR采用后向仿真为主，前向仿真为辅的混合仿真方法，将两种仿真方法较好ADVISOR设计了车辆、蓄电池系统，能源储存系统和电机系统等多个部件的仿真模块。每个仿真模块都有各自的部件数据文件。用户可以根据自己的需要，通过修改已有的总成模型建立自己相应的总成模块或者建立新的模型，来定义设计者需要的汽车模型。本文以实验室研发的ECUV纯电动汽车为对象，介绍应用ADVISOR软件对其进行动力性能仿真的步骤和方法。该纯电动汽车采用22KW的直流永磁同步电机作为驱动，配置为前轮驱动，采用280V的磷酸铁锂电池组，其整车参数如表1所示。表1ECUV纯电动汽车主要参数外形尺寸，汽车总传动效MMMM质量迎风面积车轮半径滚动阻力空气阻力率NAMRM系数F系数C。MMJRMKG350O1660L15O210305001503O92118O根据以上纯电动汽车的配置，在ADVISOR软件中建立纯电动汽车的各部件数据文件。以下主要介绍车辆部件、蓄电池部件和电机系统部件文件的格式及其变量的定义方法。31车辆部件数据文件根据纯电动汽车整车参数来定义车辆部件文件，主要部分如下VEH；定义汽车描述变量_DESCRIPTIONECUVVEHICLECHASSIS轻型汽车技术201010总254技术纵横15VEH_VERSION2002；定义汽车版本VEHPROPRIETARY0；定义该文件数据的属性VEH_VALIDATIONO；定义该文件数据的验证性DISPDATALOADEDVEHECUV一，VEH_DESCRIPTIONVEHGRAVITY98】；定义重力加速度，MS2VEHAIRDENSITY12定义空气密度，KGM3VEHICLEMASSWT1150；定义整车整备质量，KGBATTERYMASS260；定义电池质量，KGMOTORMASS100；定义电机质量，KGGEARBOXMASS50；定义变速器质量，KGVEHIDERMASSVEHICLEMASSBATTERYMASSMOTORMASSGEARBOXMASS；VEHCD03；定义风阻系数VEHICLEWIDTH166；定义车辆宽度，MVEHICLEHEIT138；定义车辆高度，MVEHFA23；定义迎风面积，M2VEH_FRONT_WT_FRAC05585；定义前轴轴载质量占整车质量百分比VEH_CG_HEIGHT055；定义重心高度，MVEH_WHEELBASE272；定义轴距，FM】VEH_CARGO_MASS150；定义最大装载质量，KCLEARVEH一1STRRCVEH一2NDRRC；清除变量P1PC“TIMPMTN经调用建立的蓄电池部件文件作出单体电池开路电压同SOC的关系如图3所示。STATEOFCHARGE，01图3单体电池开路电压同SOC关系在图3中，横坐标为电池的SOC，范围从01；纵坐标为电池电压，单位为V。三条实线分别表示电池在0、22和45时的电池开路电压VOC和SOC的关系。33电机部件数据文件图4纯电动汽车电机系统试验台架将定义好的语句以VEHECUVM形式保存，方便做动力性能仿真的时候进行调用。32蓄电池部件数据文件建立的磷酸铁锂电池模型的基础是电池的开路电压VOC和内阻的特性函数。特性函数的确定取决于VOC和内阻与电池荷电状态SOC变化关系的测试结果。将事先在电池测试台架上测试好的特性曲线结果编辑到蓄电池部件文件，核心MATLAB语言编程部分如下ESSSOCO510204080100100；定义电池SOC，ESSTMP02245】；不同电池温度，ESSVOC251629329830632234513568；220628329129631534343548；221628529430131934423555；实测电压数据，VESSMINVOHS22；定义电池最小放电电压，ESSMAXVOHS36；定义电池最大放电电压，FV建立电机部件数据文件主要考虑电机转速、扭矩及效率分布，在定义电机部件数据文件之前，将该纯电动汽车使用的永磁同步电机在专门的测试台架上进行电机系统工作区域内的效率测试，纯电动汽车电机系统试验台架的结构框图见图4。试验台架的被测电机及控制器表示实车上的电机驱动系统，通过测功电机对被测电机及电机控制器进行加载。测功电机和被测电机之间连接转矩仪，测试被测电机输出的转速N转矩T和机械功率PM。动力电池组提供给电机控制器所需的电压和电流。利用数字功率，测试动力电池组输出功率PL和控制器输出功率PC，并计算得到电机控制器效率C，同时利用PC和PM计算得到电机的效率11M，然后算出电机驱动系统效率。将测试的结果编写到电机部件数据文件，核心的MATLAB语言编程部一分如下ME_MAP_SPD【050010001500200025003000350040004500500012PI6O；定义电机转速范围，RADSMEMAPTRQ2602402202001801601401201008060402016技术纵横轻型汽车技术201010总25402040608016O120140160180200220240260；定义电机扭矩范围，NMMC_MAXTRQ2473247324532194180814941272111998980274；定义电机峰值扭矩曲线，NMMCMAX_CRMT254；定义电机控制器的最大电流，FAMORAINVOHS202；定义电机控制器的最小电压，V经调用建立的电机部件数据文件作出电机系统工作区域的效率曲线如图5所示。苣弓吕3卜_占芑主图5纯电动汽车电机系统效率图在图5中，横坐标为电机输出转速，纵坐标为电机输出转矩。曲线中的数值是电机系统效率，图中最外围的包络线为测试得到的电机工作峰值扭矩特性曲线。4整车动力性能仿真结果41行驶工况循环仿真在完成以上的工作后，就可以进行仿真计算。本文选择UDDSURBANDYNAMOMETERDRIVINGSCHEDULE作为道路循环行驶工况进行仿真，UDDS为美国环境保护署EPA制订的城市道路循环。UDDS城市道路的行驶里程是1199KM，耗时1369S，最高车速9125KMH，平均车速为3151KMH，最大加速度为148MS2，最大减速度为148RRDS2，空载时间25，期间总共有L7次停车。车速随时间变化如图6所示，实际车速可以很好地贴近循环行驶工况车速。电机转速的仿真结果见图7，可以观察到在道路循环停车时间，电机处于停止状态，这样可以降低能耗。图8为电机输出的驱动扭矩，电机驱动车轮工作时，转矩为正值，在汽车回馈制动时，转矩为负值，有效地回收了制动能量，这对电动汽车节省能量、增加行驶里程非常有意义。图9是电池的荷电状态SOC曲线图，车辆在频繁加减速的工作过程中，可以回收能量给蓄电池充电。在电动汽车的行驶过程中，电池鼍200伽E0T1“图6道路循环请求的汽车行驶速度TES图7电动汽车电机输出转速图8电动汽车电机输出驱动扭矩图9电动汽车蓄电池系统SOC值的荷电状态SOC在较长时间内下降比较平缓，工作在比较稳定的区域。42汽车动力性能仿真通过ADVISOR软件仿真和测功试验台架测试两种方法，得到了该纯电动汽车的动力性能结果见表2。测功试验台架测试时，其中被测电机驱动系统及供电电池组均为该纯电动汽车上的电机系统及电池，测试方法遵循GBT183852005。表2软件仿真与台架实测动力性能结果对比项目软件仿真台架实测最高车速L302KMH1275KMH0100KMM速时间187S20S最大爬坡度车速为20KMH238226最大加速度23RRDS222MS百公里能耗848KWH859KWH比较ADVISOR软件仿真和台架测试可知，两者的动力性能结果基本上相吻合。5结论在研究和开发电动汽车时，为下转第37页轻型汽车技术201010总254技术纵横3734出错与处理方法在使用过程中如出现文件不能被正确调用，或者调用之后相关的参数不正确，请与标准件库技术人员联系，以便进行更正。一般情况下，有可能会出现如下几类错误，临时应对的处理方法1调出的标准件的名称和大小不会自动调整此时请通过打开TOOLSOPTIONS，在弹出的CATIA设定窗口中，打开MECHANICALDESIGNPARTDESIGNDISPLAY窗口中的PARAMETERS和RELATIONS两个选项。然后展开调入的零件，在它的RELATIONS分支下，双击DESIGNTABLE，在弹出的窗口中选择需要的规格，按OK，关闭窗口，然后就可以将DESIGNTABLE分支从结构树上删除。2调入标准件的装配件在保存时提示文件名称中有不合法的字符此时可以通过双击调入的标准件分支，然后SAVEAS，给出一个正确的名称即可。3标准件在调入时出错此时可以通过在CATALOGBROWSER窗口中对应的零件上点鼠标右键一叩ENDOCUMENT打开此零件，修改它的DESIGNTABLE，然后将此零件拖拽或拷贝到装配件匕。结论通过对标准库建立方法的探讨，为解决机械设计中大量标准件的建立与使用提供了一条有效的途径，减少了设计过程中工程技术人员的设计工作量。对于提高工程设计质量，有效利用人力资源，提高设计人员的工作效率，缩短研制周期，有效降低设计成本，具有重要的应用价值。也为产品快速设计提供了实用有效的工具。同时三维标准件库的建立也是企业实现无纸化设计的技术基础。该标准件库是一个简单的模拟应用系统，采用参数化设计手段，占用存贮空问小，具有开放性的接口，扩充容易。内容是一简单的锁紧类标准件库，只要补充相关标准件，就可以满足不同需求。这对促进信息技术下的标准化工作和工程数据库实用性项目开发，同样有着积极的影响和指导作用。参考文献1赵立营，黄翔基于CATIA的三维标准件库的研究与实现UJ_机械制造与自动化，2003354562胡忠会基于CATIAV5的三维标准件库和非几何属性库的开发及应用1航空标准化与质量。2003613153机械设计手册编委会机械设计手册新版【M】北京机械工业出舨社，20044谢龙汉，单岩，周超明CATIA