纯电动汽车动力性经济性分析及仿真研究

何浩

(浙江合众新能源汽车有限公司，浙江嘉兴 314006)



纯电动汽车动力性经济性分析及仿真研究

何浩

(浙江合众新能源汽车有限公司，浙江嘉兴 314006)

摘要：利用MATLAB/Simulink软件建立新能源汽车的系统仿真平台，仿真模型充分考虑整车参数以及动力系统性能参数；对整车的动力性及经济性进行仿真，特别是电机和控制器系统实时效率对续驶里程的影响。通过整车性能测试，验证了仿真的有效性和正确性。

关键词：新能源汽车；系统仿真；性能测试

0引言

石油能源的危机、雾霾天气的影响，使得新能源汽车越来越被普通大众所接受。同时由于国家政策的支持，更加推动了新能源汽车行业的发展。国家和地方补贴的同时，也制定了一系列的新能源汽车的准入条件，使新能源汽车朝着“重政策、轻补贴”的方向健康迈进。2015年，国家发布了《电动车校核条件与试验》，文件中对新能源汽车的动力性、经济性以及轻量化都提出了新的要求，具体要求见表1。作者将利用MATLAB/Simulink软件，建立新能源汽车的系统仿真平台，仿真模型充分考虑整车参数以及动力系统性能参数，对整车的动力性及经济性进行仿真，特别是电机和控制器系统实时效率对续驶里程的影响。

1仿真模型建立及运算

1.1仿真软件说明

《电动车校核条件与试验》政策的出台，对新能源汽车生产厂商来说是一个严峻的挑战，如何在设计之初，就能满足国家提出的技术要求，这就需要大量的细致的系统仿真工作。MathWork公司的Simulink是一个用于对动态系统进行多域建模和模型设计的平台，它提供了交互式图形环境以及自定义模块库和求解器，支持系统级设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。

作者采用MATLAB/Simulink对某电动汽车进行动力性、经济性仿真，在样车试制出来后，对样车的动力性、经济性进行实际测试。结果表明：实测与仿真误差在±0.5%范围内，从而验证了仿真的有效性。

1.2整车技术参数

某新能源汽车的参数如表2及表3所示。

1.3整车性能仿真

1.3.1动力性仿真模型

首先，进行动力性仿真分析，汽车的动力性主要由3个方面的指标来评定：

(1)汽车的最高车速vmax;

(2)汽车的加速时间t;

(3)汽车的最大爬坡度imax。

1.3.1.1汽车最高车速

最高车速仿真可由汽车理论里的公式计算得出，因此仿真模型不再赘述，结合表2及表3整车参数直接计算，其最高车速为127.13 km/h。

式中：nmax为电机转速；

r为车轮半径；

ig为总传动比。

1.3.1.2加速时间仿真

根据汽车理论，建立汽车的行驶阻力模型，滚动阻力Ff和空气阻力Fw是在任何行驶条件下均存在的，在坡道上行驶时，还要考虑整车的坡道阻力Fi，文中计算平地上整车的加速时间，因此不考虑坡度。

汽车的行驶阻力模型见图1，由汽车的行驶方程式可以得到汽车驱动力为：

F=Ft-(Ff+Fw)= m·a

而速度和加速度的关系式为：

式中：a为汽车的加速度；

vspeed为汽车的速度；

t为加速时间。

由以上2组方程式，建立整车加速时间仿真模型见图2，当汽车的速度vspeed与其设定值一致时，停止仿真，观察整车的加速时间。加速时间t仿真结果为4.4 s，如图3所示。

1.3.1.3汽车的最大爬坡度仿真

一般来说，在设计汽车之初，会针对市场定义整车的销售区域，从而在整车目标中定义整车的爬坡度，爬坡能力对应电机的驱动力。可以在MATLAB里利用m函数计算出满足整车爬坡能力所需要的驱动电机的扭矩。定义此款电动车的爬坡度为30%，即16.7°。MATLAB程序如下：

podu=(0∶5∶30)/100;

[i0,j0] = size(podu);

VehSped=(0∶20∶60)′;

[i1,j1] = size(VehSped);

F = zeros(i1,j0);

for i=1∶j0

F(∶,i)=C_d*A*VehSped.^2 + G*sin(atan(podu(i)))+G*f*cos(atan(podu(i)));

Ttq = F*R/(ig*yita);

end

运行仿真得出电动汽车驱动电机的峰值扭矩需要大于160 N·m，见图4。

1.3.2整车经济性仿真

整车的经济性包括以下3个方面：

(1)能量消耗率

(2)制动能量回收

(3)续驶里程

整车的续驶里程与电池的能量、驱动系统的效率、高压电动空调的开启等有着密切的联系。为了更准确地仿真不同工况下实际续驶里程，需要考虑到再生制动对续驶里程的增加。具体的能量模型如图5所示。

往期的研究中，没有考虑到电机和电机控制器在不同转速及不同扭矩下的效率，仅仅当成一个固定的效率值输入进行仿真，实际结果显示，此种仿真与实际误差较大，不能有效反映出整车的实际情况。此仿真中，引入电机的实时效率，模型如图6所示。

当整车驱动时，驱动系统消耗电池能量，能量的流动方向为：动力电池→电机控制器→驱动电机→传动系统→车轮。因此整车驱动从电池消耗的能量Eposenergy为：

当再生制动时，能量的流动方向为：车轮→传动系统→电机系统→动力电池，因此回馈的能量需要乘以各级效率，回馈到电池里的能量Enegenergy为：

Enegenergy=∫t0Pwheel×ητ×ηmotorsysdt

充分考虑到电机、控制器、传动系统的效率，搭建的续驶里程的模型见图7。

输入不同的整车工况，便能仿真出不同工况下的续驶里程。ECE工况下，不带再生制动，仿真的续驶里程为159.1 km，如图8及图9所示。带再生制动仿真的续驶里程为190.4 km。制动能量回收对续驶里程的贡献率为：(190.4-159.1)/190.4=16.4%，符合国家相关政策规定。

2试验验证

为了验证仿真的正确性，在此电动车装调后，对整车的动

力性、经济性等参数进行实车验证。

动力性试验测试参照GB/T18385-2005《电动汽车 动力性能 试验方法》执行，经济性试验测试参照GB/T 18386-2005《电动汽车 能量消耗率和续驶里程 试验方法》执行。

2.1整车动力性测试

首先进行整车动力性测试，测试步骤如下：

(1)电动汽车为A级车，整车整备质量1 060 kg,允许装载质量为180 kg，参数与仿真数据保持一致；

(2)试验道路为干燥的直线道路，路面坚硬、平整、干净且有良好的附着系数；

(3)道路足够长，且没有任何坡度；

(4)将试验车辆置于起始位置，启动车辆；

(5)将加速踏板踩到底，一直加速到车速不再增加为止，读取此时的最高车速，并记录加速时间。

测试后静置整车，整车状态恢复至第一次运行时的初始状态，相反方向再做一次最高车速的加速测试，记录加速时间。

测试过程中，整车速度不从仪表读取，为了防止超速，整车仪表显示与实际速度会有+3%的误差，因此需要通过监控软件同步监控整车车速，这样计算出来的加速时间比较准确。整车测试两次记录的时间如表4所示。

2.2整车经济性测试

经济性试验在轮毂试验室进行，车辆按照GB/T 18385-2005规定的充电程序为动力蓄电池充电，使蓄电池达到全充满状态，轮毂测功机设定NEDC、ECE等所需工况，然后立即开始测试。

首先整车控制器屏蔽再生制动功能，启动车辆运行至电池不能释放剩余电量时，记录续驶里程。然后，重新使蓄电池达到充满电量状态，整车带再生制动功能，启动车辆运行至电池不能释放剩余电量时，记录续驶里程。两次续驶里程如表5所示。

3结论

文中根据试验实测值与仿真值的比较可以看出在整车设计之初进行系统仿真的必要性，仿真可以有效地指导动力系统的选择以及整车目标的制定，仿真为电动汽车的设计、性能预测和分析提供了一种方法和手段。

参考文献:

【1】余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.

Dynamic and Economy Analysis and Simulation for Energy Vehicles

HE Hao

(Zhejiang Hozon New Energy Automotive Co.,Ltd., Jiaxing Zhejiang 314006,China)

Keywords:New energy vehicle; System simulation; Performance test

Abstract:By using MATLAB/Simulink software, the system simulation platform of new energy vehicles was set up.In the vehicle simulation model,the whole vehicle parameters and performance parameters of the powertrain system were given full consideration.The dynamicand economy of the vehicle were simulated,especially the influence of motor and controller system real-time efficiency to the travel distance.Through the vehicle performance test, the validity and the correctness of the simulation were verified.

收稿日期：2015-12-22

作者简介：何浩(1983—)，男，本科，工程师，主要从事汽车试验开发及研究工作。E-mail:hehao01_hz@163.com。

中图分类号:U461.8

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)03-018-05