基于Visual Studio和Matlab混合编程的整车动力匹配及性能分析

张行峰

摘 要：文章介绍基于Visual Studio和Matlab混合编程的整车动力匹配及性能分析软件模型，明确所需开发工具、技术方案、参数及其取值、计算公式，实例分析某纯电动乘用车的参数匹配及其性能验证，为纯电动整车动力性匹配设计提供参考。关键词：纯电动车;动力匹配;性能分析;混合编程中图分类号：U469.72  文献标志码：A  文章编号：1671-7988（2019）01-91-04

Vehicle Dynamics Matching and Performance Analysis Based on Mixed Programof Visual Studio and Matlab

Zhang Xingfeng

（ Nanjing Golden Dragon Bus Co.， Ltd， Jiangsu Nanjing 211215 ）

Abstract：This paper introduces the vehicle dynamic matching and performance analysis software model based on Visual Studio and Matlab mixed program， clarifies the riquired development tools， technical solutions， parameters and their values， calculation formulas， and analyzes the parameter matching of a battery electrical vehicle. Its performance verification provides reference for the dynamic matching design of battery electrical vehicles.Keywords： battery electrical vehicle; dynamic matching; performance analysis; Mixed ProgramCLC NO.： U469.72Document Code： AArticle ID：1671-7988（2019）01-91-04

前言

随着新能源汽车国家大力推广，很多补贴措施也相应出台，越来越多的车企转型生产新能源汽车，需要对其动力系统参数进行合理的设计和匹配，且对其实现性能进行计算分析，通过二次匹配再次分析验证达到优化的目的，从而新能源汽车性能仿真的需求增加。现有的车辆性能模拟仿真软件AVL-Cruise虽能够使用模块化的建模手段对各部件模型、参数进行整合，但必须按照Cruise已有的规则选项进行设置更改，计算方式不被用户熟知、查看且无法修改，不便于开发多种车型的新能源汽车。其仿真计算时容易出现红色错误信息提示，可操作性不强。

本文主要解决现有的汽车仿真软件ADVISOR、AVL-Cruise 所存在的需要进行精确建模、操作繁琐且计算方式被固化不易修改，以及运行计算过程中容易报错，计算速度慢，稳定性差等问题，从而提供一种配置功能自定义方便，配置参数快捷，可操作性强，计算速度快和稳定性强的汽车整车性能仿真计算软件及开发方法^[1]。目的在于根据性能指标提供一种纯电动车辆驱动电机参数匹配及通过一种基于Visual Studio和Matlab混合编程的软件来仿真、计算其动力性能，从而合理匹配电机参数，从而提高电机效率，增加续驶里程，并有效节约电机开发成本。

1 软件模型主要特征

一种基于Visual Studio和Matlab混合编程的整车动力匹配及性能分析方法，其特征在于：所述软件是以Matlab/ GUI软件为开发工具，开发出参数匹配计算分析平台界面和动力性分析平台界面，在界面m文件程序代码中使用Matlab语言设计电机需求算法和车辆动力性能算法，再通过Visual Studio 2010编译，生成可脱离MATLAB环境运行的软件。参数匹配计算分析软件根据输入的整车參数可以计算分析确定电机参数，根据电机参数设计外特性数据后导入动力性分析软件可以仿真计算出其动力性能^[5-7]。

上述特征包括以下要点：参数匹配计算分析平台和动力性分析平台均适用于带有1-6挡变速器的纯电动车辆;参数匹配计算分析平台基于动力与功率平衡理论，快速计算来实现驱动电机的参数匹配;电机参数匹配包括峰值转速、峰值转矩、额定功率、额定转速、额定转矩、峰值功率;动力性分析平台根据汽车动力性数学模型，快速分析搭载驱动电机的纯电动车辆的动力性能^[2]。

所述纯电动车辆动力系统的动力性包括最高车速、最大爬坡度 、原地起步加速至第一预定车速时间、原地起步加速至第二预定车速时间和第一预定车速超车加速至第二预定车速时间;所述软件可以结合Excel软件方便用户提取仿真结果，也可以结合Access软件用来储存仿真参数;所述仿真优化为反复修改参数，及对应地反复调整Excel外特性数据，经过多次反复性能仿真计算分析，直至输出的动力性能满足且刚好满足对应性能指标为止;软件导入Excel数据，导入后Excel文件路径和文件名会在Edit Text里面显示出来。

2 具体技术方案

一种基于Visual Studio和Matlab混合编程的整车动力匹配及性能验证方法，包括如下步骤：

（1）确定整车参数及性能指标;

（2）将参数输入电机选型软件进行计算;

（3）根据匹配出的参数设计出电机外特性数据;

（4）动力性分析软件导入外特性数据;

（5）动力性分析软件进行仿真计算验证;

（6）进行多次设计、仿真分析，对参数及外特性曲线进行改进和优化。

进一步地，步骤（1）中，所述电动汽车是基于传统燃油车进行改装的纯电动汽车，在保留原车系统的基础上，改用蓄电池、永磁同步电机驱动汽车行驶。

进一步地，步骤（1）中，所述整车参数有半载质量、满载质量、迎风面积、风阻系数、滚动半径、滚动阻力系数、动力系统传动效率、旋转质量换算系数、重力加速度。性能指标有最高车速、最大爬坡度、最大爬坡车速、0-50km/h加速时间、0-100km/h加速时间。

进一步地，步骤（2）中，所述电动汽车是基于传统燃油车进行改装的纯电动汽车，在保留原车系统的基础上，改用蓄电池、永磁同步电机驱动汽车行驶。

进一步地，步骤（2）中，参数匹配计算分析平台计算结果包括两部分：一部分根据电动车辆的动力性指标初步确定驱动电机的性能参数，包括峰值功率和额定功率、最高转速和额定转速以及峰值扭矩和额定扭矩^[3]。另外一部分提供了车速与转速、车速与功率、车速与扭矩等相关曲线的绘制。

进一步地，步骤（3）中，所述设计外特性数据是根据匹配出的参数设计出电机外特性数据：在Excel表格中第一列列出转速，[0，ceiling（n_max）]，ceiling（n_max）为向上取整，第一列下拉转速以100/10/1或其他的数递增均可。第二列列出转矩，[ceiling（T_max），T_n]，ceiling（T_max）为向上取整，可以留一些余量。第二列下拉转矩直到额定转速即基数对应的转矩保持恒定值，第三列列出功率，同一行功率为同一行的转速乘以转矩除以9550得到数值。第三列下拉功率过基数点后保持恒定值。

进一步地，步骤（4）中，动力性分析软件导入Excel外特性数据：导入后Excel文件路径和文件名会在Edit Text里面显示出来，可以很清楚得看出导入的事哪个盘及哪个文件，有效地避免了导入错误文件。

进一步地，步骤（5）中，动力性分析软件进行仿真计算验证：电动车辆动力性的评定指标有：最高车速、加速时间和最大爬坡度。

进一步地，步骤（5）中，分析结果包括两部分：一部分根据驱动电机台架试验转速转矩数据计算出最高车速、最大爬坡度、加速时间。另外一部分提供了电机外特性、驱动力-行驶阻力图、加速时间图、爬坡度图、功率平衡图等相关曲线的绘制，可以客观、直接的评价旭驱动电机的动力性能。

进一步地，步骤（6）中，进行多次设计、仿真分析，对参数及外特性曲线进行改进和优化：反复修改参数，及对应地反复调整Excel外特性数据，经过多次反复性能仿真计算分析，直至输出的动力性能满足且刚好满足对应性能指标为止^[8-9]。

3 软件的具体实例应用

现以设计纯电动乘用车，最高车速的性能指标不低于140km/h、最大爬坡度的性能指标为不低于30%，原地起步加速至50km/h的加速时间的性能指标为小于4.6s及原地起步加速至100km/h的加速时间的性能指标为小于10s为具体设计实施例说明本发明的参数匹配及性能验证分析方法^[4]。

3.1 首先进行纯电动乘用车动力系统的驱动电机的选型参数的初步匹配

3.1.1 驱动电机的额定功率计算

根据最高车速计算确定驱动电机的额定功率。

3.1.2 驱动电机的峰值功率计算

驱动电机的峰值功率必须满足最大爬坡度时的功率P_max，i、根據0-50km/h加速时间要求而定的功率P_max，t1、0-100km/h加速时间要求而定的功率P_max，t2、最高车速时的功率P_max，v，即峰值功率：

其中，

3.1.3 驱动电机的过载系数计算

考虑到驱动电机的额定功率和峰值功率要留有一定的余量，根据可供选择的驱动电机，选择驱动电机的额定功率45kW，峰值功率为135kW。

电机过载系数。

针对存在减速机构的车型。

3.1.4 驱动电机峰的值转速计算

当汽车以最高车速运行时，驱动电机的峰值转速n_max对应着汽车行驶的最高车速。

峰值转速要留有一点余量，因此确定驱动电机的峰值转速为10000rpm。

3.1.5 驱动电机的峰值转矩计算

峰值转矩T_max的选择需要满足汽车起动转矩，结合传动系传动比和最大爬坡度α_max来确定。

3.1.6 驱动电机的额定转速计算

电机扩大恒功率区系数。

根据额定转速5000rpm，因此确定峰值转矩为257.85N·m。

3.1.7 驱动电机的额定转矩计算

3.2 根据匹配出的参数设计出电机外特性数据

Excel表格中第一列列出转速，[0，10000]，第一列下拉转速以5递增。第二列列出转矩，[257.85，T_n]。

第二列下拉转矩直到额定转速即基数对应的转矩保持恒定值。

第三列列出功率，同一行功率为同一行的转速乘以转矩除以9550得到数值。第三列下拉功率过基数点后保持恒定值。

3.3 动力性分析软件导入外特性数据，进行仿真计算验证

软件导入Excel数据，进行仿真计算验证。电动车辆动力性的评定指标有：最高车速、加速时间和最大爬坡度。

3.3.1 最高车速计算

最高车速指在无风条件下，汽車在水平、良好路面行驶所能达到的最高稳定车速。

汽车的行驶方程式：，式中：F_t、F_f、F_w、F_i、F_j分别为驱动力、滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力。根据汽车行驶方程，在水平、良好路面上，坡度阻力F_i=0，若要稳定行驶，则加速阻力F_j=0。若驱动力F_t曲线与F_f +F_w曲线存在交点，则驱动力F_t曲线与F_f +F_w曲线的交点所对应的车速即为最高车速。此时最高车速：

若驱动力F_t曲线与F_f +F_w曲线不存在交点，即驱动力F_t曲线始终在F_f +F_w曲线的上方，此时最高车速：

其中n_max为电机最高转速，i₀为主减速器传动比，r为车轮半径。

3.3.2 加速时间计算

加速时间表示汽车的加速能力，根据加速时间图，能推出某车由某一车速全力加速至另一车速所花的时间。可以以原地起步0-某个末车速的加速时间来评价汽车的动力性。也可以以超车加速时间则从某个初速度加速到某个末车速的加速时间来评价汽车的动力性。

未提出爬坡时加速，故爬坡阻力Fi=0。

3.3.3 最大爬坡度计算

车辆的爬坡性能，指在良好不打滑的路面上，车辆克服滚动阻力、坡度阻力后，剩余的功率能够爬上的最大坡度。

汽车的上坡能力是用满载时汽车在良好路面的最大爬坡度i_max来表示。根据i_max=tan（α_max）即可换算出最大爬坡度。

动力性分析软件第一次仿真计算的结果为：最高车速147.5579km/h，最大爬坡度为33.7522%，0-50km/h加速时间为4.82315s，0-100km/h加速时间为10.3533s，显然加速性能未达到对应性能指标0-50km/h加速时间为4.6s，0-100km/h加速时间为10s的要求。需要对相关参数进行调整，在此可根据仿真计算值与对应性能指标的差距进行重新选择^[10-11]：

3.4 优化及验证

将峰值功率从135kW调整为139.5kW（45kW的3.1倍）即140kW，峰值转矩对应从257.85N·m调整为267.4N·m。其余参数不变。

根据调整后的参数在Excel数据中进行对应更新，软件导入Excel数据，再次进行仿真计算验证。优化后第二次仿真计算结果为：0-50km/h加速时间为4.64367s，0-100km/h加速时间为9.95817s，显然仍未达到对应性能指标0-50km/h加速时间为4.6s的要求，需要再一次对相关参数进行调整。

驱动电机参数匹配计算分析平台

将峰值功率从140kW调整为144kW（45kW的3.2倍），峰值转矩对应从267.4N·m调整为275.04N·m。其余参数不变。

驱动电机动力性分析平台

根据调整后的参数在Excel数据中进行对应更新，软件导入Excel数据，再次进行仿真计算验证。优化后第三次仿真计算结果为：0-50km/h加速时间为4.50942s，0-100km/h加速时间为9.66318s，满足对应性能指标0-50km/h加速时间为4.6s，0-100km/h加速时间为10s设计目标要求^[12]。

如此，经过多次反复调整和仿真计算验证，直至使得各性能參数满足对应性能指标要求为止，至此完成匹配。使得本发明的匹配方法在保证匹配精度、降低开发 成本和缩短开发周期上具有明显的优势。

性能分析方法的一种实施方式的流程图

4 结束语

本文介绍了基于Visual Studio和Matlab混合编程的整车动力匹配及性能分析软件模型，制定了技术方案，并详细给出了计算所需的参数及其取值和计算公式。经验证表明，该软件运行速度快，可随时根据动力性设计需求变更相关参数进行匹配计算，结果准确。因其可在未打开MATLAB和Visual Studio2010软件情况下的电脑上运行，可操作性强，节省了大量时间和电脑占用空间，可实现在纯电动车动力性设计发面推广应用。随着技术的发展，可对该软件模型进一步研究与优化。

参考文献

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