基于Cruise純電動轎車動力學仿真研究

基于Cruise純電動轎車動力學仿真研究作者：武漢理工大學楊超張華摘要：與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，電動汽車具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，使其成為未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。在與浙江眾泰合作開發(fā)的“眾泰2008”純電動轎車的前期開發(fā)過程中，對其動力系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件進行了建模和動力學仿真，對動力性能和工作過程的仿真結(jié)果進行了分析，為下一步實車的開發(fā)提供了參考。

主題詞：純電動轎車，動力系統(tǒng)，研究

隨著能源和環(huán)境對人類生活和社會發(fā)展的影響越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲也日益高漲，各種電動汽車也應運而生。純電動汽車無內(nèi)燃機汽車工作時產(chǎn)生的廢氣，是目前最環(huán)保的車型。在研究和開發(fā)電動汽車的部件和選擇最佳結(jié)構(gòu)時，為縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，縮小研究范圍，找到技術(shù)的突破口，特別是在技術(shù)方案的選擇階段，在系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的選擇上，可依靠高效的計算機對系統(tǒng)和關(guān)鍵部件進行建模，通過使用待選的系統(tǒng)和關(guān)鍵部件進行模擬仿真，從而找到最佳方案。

一、仿真系統(tǒng)和仿真軟件

在仿真系統(tǒng)的選擇中，要遵循以下目標，一是精確，能夠使不同結(jié)構(gòu)的動力傳動系統(tǒng)間的比較具有意義；二是快速，快速進行汽車分析和空間研究設計，例如對多維變量參數(shù)的研究和優(yōu)化等；三是靈活，對不同控制策略和結(jié)構(gòu)組成的汽車進行評價；四是實用，針對各種車型建模，例如，包括傳統(tǒng)汽車、電動汽車、串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車等。

Cruise是研究汽車動力性、燃油經(jīng)濟性、排放性能及制動性能的高級模擬分析軟件。它可用于汽車開發(fā)過程中的動力和傳動系統(tǒng)的匹配、汽車性能預測和整車仿真計算；可以進行發(fā)動機、變速器、輪胎的選型及其與車輛的匹配優(yōu)化；可以用于混合動力汽車、電動汽車的動力、傳動及控制系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化。

Cruise是基于全面滿足汽車開發(fā)全過程要求的思想而設計的。它具有以下特點：（1）模塊化的概念可進行各種汽車和動力總成配置的分析；（2）智能化的司機模型根據(jù)人體反應真實地再現(xiàn)車輛的行為；（3）發(fā)動機的冷啟動模型考慮了高等摩擦和熱力學效應；（4）黑盒子功能可嵌入用戶自定義的模塊和控制算法；（5）具有一維流體動力學軟件Flowmaster和KULI接口；（6）具有MATLAB/SIMULINK接口。

二、利用Cruise動力系統(tǒng)及其部件建模

（一）動力系統(tǒng)建模

Cruise采用了圖形化的用戶界面，用戶可以在已有的模塊箱（主要包括汽車、離合器、變速器、發(fā)動機、電機、控制器、特殊模塊、輪胎等）中選取合適的模塊拖放到Cruise的工作區(qū)，然后連線建立各模塊之間的聯(lián)接，包括信號、機械、電子和排放連接。各個模塊仿真參數(shù)的設置可以通過Cruise的參數(shù)設置窗口來完成，對一些特性復雜的模塊（如電動機），可以在參數(shù)設置窗口通過編輯圖表曲線建立曲線圖來實現(xiàn)參數(shù)設置。電動車的動力系統(tǒng)是電動汽車的核心，包括驅(qū)動電機、動力電池等部件。

（二）電池及其建模

電池是制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，目前可采用的電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等。鉛酸電池雖然比能量比較低，但其技術(shù)可靠，生產(chǎn)工藝成熟，成本低（低于所有其他的二次電池），擁有適合電動汽車使用的良好的大電流輸出性能以及多種型號和尺寸?？紤]到整車的成本，選用了大容量免維護鉛酸電池作為電動車的動力源。電池是非線性的動力學系統(tǒng)，其內(nèi)部電化學過程是一個對環(huán)境敏感的復雜的非線性過程。對于某一類型的電池，通過充放電試驗和理論分析，可以用一個近似的模型來描述其工作過程與特性。在Cruise中，根據(jù)電池建模的參數(shù)做出電池的SOC與電池電壓之間的關(guān)系曲線，SOC值的大小直接反映了電池所處的狀態(tài)，由此可限定電池的最大放電電流，并可在仿真過程中更精確地計算各種功況下電動車的續(xù)駛里程。所選用的電池在試驗室經(jīng)過不同狀態(tài)下的充放電試驗，根據(jù)在試驗中測得電池電壓、電流、放電時間等參數(shù)推斷出SOC與電壓的關(guān)系。根據(jù)各節(jié)電池的SOC值，可以識別電池組中各電池間的性能差異，依此進行均衡充電，保持電池性能的均勻性，最終達到延長電池壽命的目的，也為下一步做出電池管理系統(tǒng)奠定了很好的基礎。

（三）電機及其建模

電機是電動汽車的驅(qū)動單元，它的技術(shù)性能直接影響車輛運行的動力性和經(jīng)濟性，所以選擇符合電動汽車運行的電機，最基本的要求是低阻高效、調(diào)速變矩性能好、過載能力強，以適應電動汽車頻繁啟動和功率變化大的使用要求；在運行的全部速度范圍和負載范圍內(nèi)，具有較高的效率，以盡量提高電動汽車一次續(xù)駛里程；此外，要求電機的結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕，便于安裝，無驅(qū)動噪聲。

電動機的建?；A是電機的電壓、轉(zhuǎn)矩、功率的平衡方程和運行特性方程。模型的正確性要看其是否符合上述基本的數(shù)學關(guān)系，精確性則要看模型是否全面正確考慮到實物運行特性的影響因素。建模過程要考慮電機性能限制與電機內(nèi)的熱交換，此外還要考慮不同類型電機所具有的特性。在Cruise中，電動機的參數(shù)設置定義了電機各種工作過程狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率的map圖；以及電動機的性能參數(shù)，如最大電壓、最大電流、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量等。在仿真分析運行過程中模型利用插值計算的方法，調(diào)用數(shù)據(jù)文件以實現(xiàn)電動機的工作過程仿真。通過電機臺架試驗得到電機的map圖，如圖1所示。三、仿真及結(jié)果分析

（一）定義計算任務

根據(jù)純電動汽車研發(fā)的目的和要求，選擇和編輯相應的任務及工況，設置合適的仿真步長和精度進行仿真計算。設定的計算任務為：最高車速、最大爬坡度、加速性能、工況行駛和續(xù)駛里程。

（二）仿真結(jié)果分析

在仿真運行過程中，通過實時曲線監(jiān)視汽車模型中的各參數(shù)值，如汽車速度、電機轉(zhuǎn)速、電池容量等。并能夠在發(fā)現(xiàn)異常時，及時中斷或結(jié)束仿真，實現(xiàn)對仿真的全程控制。加速性能仿真結(jié)果如圖2所示，圖3為爬坡性能仿真結(jié)果，從兩圖中可以得到汽車的動力性能，各項指標均滿足預定的要求，見表1。以廣州市區(qū)工況下電動汽車的車速、電流、電壓和SOC等各運行參數(shù)的變化過程為例，由仿真結(jié)果得出在廣州市區(qū)工況下一次充電續(xù)駛里程、電機的工作點分布和能量消耗分布，可以為電機運行高效區(qū)分布區(qū)域提出具體要求，優(yōu)化整車經(jīng)濟性指標。

根據(jù)動力電池的截止電壓，仿真得出各種車速下的續(xù)駛里程，當電動汽車以40km/h勻速行駛時，續(xù)駛里程最長，可以達到155km，圖4為40km/h勻速行駛時電壓、電流和SOC隨時間的變化情況。四、結(jié)語

純電動車是零排放的環(huán)保車輛