电动汽车动力性及续驶里程仿真研究

电动汽车动力性及续驶里程仿真研究伍庆龙冷宏祥沈延上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804【摘要】根据整车的性能参数及指标，进行了电动汽车动力系统的参数匹配计算。利用ADVISOR建立了整车及动力各部件的仿真模型，在不同工况下进行整车性能仿真，主要分析了动力性能、续驶里程及能量消耗，通过台架测试与仿真结果对比，两者基本吻合。在样车设计开发阶段，利用该方法进行研究，具有一定的参考价值和指导意义。【ABSTRACT】SIMULATIONISANIMPORTANTTECHNOLOGYINTHEPROCESSOFEVDEVELOPMENTINORDERTOPREDICTEVPOWERPERFORMANCEANDDRIVINGRANGE，THEPARAMETRICDESIGNANDMATCHOFDRIVINGSYSTEMARESTUDIEDACCORDINGTOTHEOVERALLPARAMETERSOFEVADVISORISUSEDTOMODELTHEEVDRIVINGSYSTEM，ANDEVPERFORMANCEWHICHCONSISTOFDRIVEABILITY，RANGEANDENERGYCONSUMPTION，ARESIMULATEDINDIFFERENTDRIVINGCYCLESTHECONTRASTBETWEENTESTBEDANDSIMULATIONSHOWSTHATTHERESULTSAREBASICALLYCONSISTENTITHASREFERENCEVALUEANDGUIDINGMEANINGFORMAKINGSIMULATIONSTUDYINTHESAMPLEDESIGNANDDEVELOPMENTOFEV【关键词】电动汽车动力性续驶里程DOI103969JISSN10074554201208030引言由于电动汽车的特殊性，包括电机效率、蓄电池容量、能量回馈等性能参数是燃油汽车所没有的，因而导致它的动力性、续驶里程及能耗等性能指标的影响因素与燃油车是不同的。现在高性能的电动汽车是通过专门设计制造的，在开发制造初期，有必要使用仿真软件对其动力性及续驶里程进行仿真，以起到先期预测的作用。本文针对某款电动汽车建立了各部件系统的模型，在不同的行驶工况下进行仿真研究，并与在电动汽车试验台架下的实测结果进行对比分析。收稿日期20120531101电动汽车整车参数设计电动汽车主要的性能评价指标包括动力性及续驶里程，动力性主要有最高车速、加速时间以及爬坡性能。不同的行驶工况会导致续驶里程的差异，为了合理地评价电动汽车的续驶里程，一般是在制定统一的车辆驾驶模式即行驶工况下进行续驶里程的测试。表1为某款电动汽车的整车参数，表2为提出的整车性能指标要求。根据电动汽车整车参数以及要求达到的性能指标，从车辆动力学角度，可以进行电动汽车各部件系统的匹配计算，包括电机部件系统的功率和上海汽车201208扭矩等。表1电动汽车整车参数车身尺整备质量迎风面积车轮半径滚动阻空气阻力传动效率寸MMMKGAM力系数，系数CDR420OL780L09022O2900150409515O0表2电动汽车性能指标性能指标数值最高车速UMAXKMH1200100KMH加速时间TS18爬坡性能至3O续驶里程SKM三2OO百公里工况能耗WKWH122电动汽车仿真计算模型21驱动力与阻力模型牵引电机传递到车轮上的力F为FTTQIGIOLT1电动汽车在行驶过程中受到阻力包括滚动阻力、空气阻力F坡度阻力以及加速阻力F。行驶过程中，驱动力和行驶阻力保持平衡，运动方程为FTFFFIFIMU2嚼6DTTA2汽车行驶速度与电机工况转速N之间的关系3式中I。和I分别为主减速器和变速器的传动比；R为车轮半径，111；叼为机械效率，。M为电动汽车质量，KG；G为重力加速度，MS；U。为行驶速度，KMH；DU出为加速度，MS；I为爬坡度，；C。为风阻系数；A为迎风面积，IN；为汽车旋转质量换算系数。22电机输出功率模型将电动汽车运动方程式两边乘以行驶速度，上海汽车201208经单位换算整理可得电动汽车行驶时功率平衡方程式为P一F。C0COAUGU。SINA6MU。DU。一7I丽面而4式中P单位为KW，设计中通常根据最高车速来初步选择电机功率。电动汽车在水平上匀速行驶时，驱动力用于克服滚动阻力和空气阻力_2J，电机功率应大体上等于但不小于以设计最高车速行驶时各阻力功率之和，即PU去电机的瞬时功率P应满足车辆爬坡性能要求，为COAU23最高车速计算模型最高车速是指在无风条件下，在水平、良好的沥青或水泥路面上，汽车所能达到的最大行驶速度，最高车速越高，要求的电机功率也越大。电动汽车的最高车速计算公式为UCMAX0377_NMAXRMINN7FNFM式中I为最小传动比；N为电机转速，RMIN；FN为电机以最大限流工作时车辆驱动力；。为电机最高工作转速，RMIN。24加速时间计算模型评价汽车加速性的指标是加速时间，加速时间越短，汽车的加速性就越好，整车的动力性也就提高。电动汽车加速时间计算式为其中，TTO377NMGFCAU2115一一D。CAU2115十一M一D。一MGFCOAU22115RI。IG，773O0为耻【叼LI。IRUM。2式中U，为起始车速；为电机额定转速对应车速；Z为终止车速，单位均为KMH。为电机额定转速对应的扭矩之前的恒扭矩输出；为电机额定转速对应的扭矩之后的扭矩输出，即为恒功率对应的扭矩输出。25最大爬坡度计算模型爬坡能力是指汽车在良好路面上克服F后的余力全部用来即等速克服坡度阻力时能爬上的坡度J，所以DUDT0。爬坡能力与电机外特性关系密切，动力因数D为IGI。叼CDAU二R21159式中。为驱动电机最大扭矩。最大爬坡度的计算公式为TANARCSINOMAXF1D2AX1026续驶里程及能耗模型续驶里程计算分为匀速法和工况法两种，匀速法续驶里程计算方法是假设电动汽车以速度U。行驶时间T，则一次充电的续驶里程为S。式中为电池组储存的能量；J，7为电池放电效率。工况法续驶里程计算为SSN112式中S为每个状态的行驶距离，KM；K为车辆能够完成的状态总数。实车行驶时，电池组为电机控制器提供的电功率P为PU13将各个时刻测量的电功率积分，即得到纯电动汽车所消耗的能量为JUTITDT12143部件系统仿真模型建立本文采用ADVISOR电动汽车仿真软件，根据部件匹配计算模型，通过在MATLABSIMULINK环境中建立部件数据文件以及仿真模型，对电动汽车进行不同工况下的整车性能仿真。建立的仿真模型包括输入模块、仿真计算模块、输出模块、控制模块4个部分。输人模块定义工作空间的变量或者调用其它的输入模型文件，包括车辆模型和部件模型两部分。仿真计算模块由一些SIMULINK模型文件组成，这些文件包括许多根据输入计算输出的仿真计算方程式。输出模块包括一些画图程序和一些错误检查程序，以对模型输出作一些后续处理。控制模块用于控制仿真程序的运行，既生成输入，也对输出作一些处理。这些模块之间的仿真数据流如图1所示。图1仿真模型数据流框图从图1可以看出工况仿真的仿真过程，首先控制模块输入第一时刻的道路循环的请求行驶轨迹，根据车辆模型和部件模型，运用仿真计算模块算出汽车在第一时刻的实际车速等结果，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，最后由输出模块给出仿真图形和报表。31电池部件模型建立建立的磷酸铁锂电池模型的基础是电池的开路电压和内阻的特性函数。特性函数的确定取决于和内阻与电池荷电状态SOC变化关系的测试结果。电动汽车采用300V电压等级电池组，将事先在电池测试试验台架上测试好的特性曲线结果编辑到电池部件数据文件，建立的动力电池部件模型生成的单体电池开路电压同SOC的上海汽车201208关系见图2。图2单体电池开路电压同SOC关系在图2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。3条实线分别表示电池在0QC、22和45时的电池开路电压和SOC的关系。32电机部件模型建立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，将该电动汽车使用的永磁同步电机在专门的测试试验台架上进行电机系统工作区域内的效率测试。将测试的结果编写到电机部件数据文件，经调用建立的电机部件模型做出电机系统工作区域的效率曲线见图3。图3电动汽车电机系统效率图在图3中，横坐标为电机的输出转速，纵坐标为电机的输出扭矩。曲线上面标出的数值是电机系统效率，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。上海汽车2012084动力性及续驶里程仿真在建立整车及动力系统各部件的仿真模型后，就可以进行工况仿真计算，本文共选择了匀速60KMH，70KRNH和NEDC3种不同的工况进行仿真。NEDC为欧洲循环工况，又称为ECEEUDC，在国标GBT183862005SJ里有规定。下面给出在NEDC行驶工况下的仿真结果进行说明。NEDC车速随时间变化如图4所示，由仿真结果可知，实际车速可以很好地跟随行驶工况车速。图5为电机输出的驱动扭矩，在工况加速期间，电机输出正扭矩，减速时为负扭矩，可吸收由制动产生的能量回馈。图6为电池组荷电状态SOC值变化曲线图，电池组的SOC随着工况行驶开始平稳下降，车辆在减速制动过程中，可以回收能量给蓄电池。充电1番菖辑图4NEDC行驶工况车速与时间关系图5电动汽车电机输出驱动扭矩图6电动汽车动力电池系统SOC值图7为该电动汽车在单一的NEDC行驶工况13下的电机工作点分布，最外围的是电机外特性包络线，曲线上标出的值表示不同转速和扭矩组合下电机工作的效率，中间分散的点为在NEDC工况下电机的工作点分布。可以看出，电机工作点分布在效率值比较高的区域，大部分是分布在15004000RMIN之内，在NEDC行驶工况中，此转速区域对应的车速是在40105KMH范围之内，表明此车速范围是该电动汽车经济性较好的区域。拿取转RMIN图7NEDC工况下电机工作点分布在单一的NEDC行驶工况下，整车的总能量消耗为137KWH，其中克服滚动阻力和迎风阻力做功的能量约072KWH，约占总体能量消耗的524。电动汽车在行驶的过程中大部分的能量是用来克服滚动阻力和迎风阻力做功。根据建立的部件数学模型，在MATLAB环境下，通过ADVISOR软件仿真得到该电动汽车的动力性能结果，将仿真得到的动力性能与在电动汽车试验台架测试的结果进行比较，结果见表3。在不同工况下的能量消耗和续驶里程仿真与实测结果比较见表4。表3动力性能仿真结果项目设计指标仿真结果台架实测最高车速KRNHL2O1293L2750L0OKMH加速时间SL8L76187最大爬坡度三3O3O6292从表3的动力性能仿真结果与台架实测比较可知，两者基本上相符合。整车性能设计指标要L4表4不同工况下续驶里程及能耗仿真结果里程仿真里程实测里程误差能耗仿真能耗实测能耗误差工况项目KMKMKWHKWHKWH60KMH2412234826598999400570KMH217121033131096L】32036NEDC1831801175L2O41227023求续驶里程LS200KM，工况能耗12KWH100KM，从表4可以看出，当电动汽车以车速70KMH匀速行驶时，续驶里程仿真结果为2171KM，百公里能耗为1096KWH，少于12KWH100KM。在NEDC行驶工况下的百公里能耗为1204KWH，在误差允许范围内基本上满足设计指标要求。5结语研发电动汽车时，为了降低科研经费、缩短开发的周期，电动汽车系统建模和仿真技术十分重要。本文从车辆动力学的角度，根据整车的参数及性能指标对动力系统进行匹配计算，利用ADVISOR软件建立了整车及动力系统各部件的仿真模型，在不同工况下进行了仿真，分析了动力性能、续驶里程以及能耗等指标。在使用ADVISOR工具进行仿真时，介绍了行驶工况仿真的策略以及如何建立电动汽车动力各部件仿真模型的方法，将建立的电动汽车动力各部件系统模型编写到ADVISOR软件中并进行调用仿真，把仿真的结果与台架实际测试结果