不同循环工况下电动汽车的动力性仿真分析

时间：2024-07-28

张勇，刘伟

(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318)

近几年汽车的迅速发展，在极大地方便人们日常出行的同时，也带来了能源危机及环境污染等一系列问题。电动汽车相对于混合动力汽车和燃料电池汽车，因其良好的性能和能源优势成为各国争相研究的对象。目前由于电池寿命、价格等的影响，电动汽车的发展受到一定的限制。在相关技术并不完全成熟的情况下，更好地设计、匹配电动汽车的动力系统参数，对提高电动汽车的动力性能及经济性能意义重大。现在的汽车仿真主要采用前向仿真和后向仿真两种方法，而大多数仿真软件只采用其中的一种方法，使这两种方法的优势不能互补。ADVISOR软件采用后向仿真为主、前向仿真为辅的混合仿真方法，较好地集成了两种方法的优点，计算量小、运算速度快且保证了仿真的精度，因此本文选用ADVISOR软件对电动汽车动力参数进行仿真[1]。ADVISOR软件中常用的典型循环工况有美国城市驱动工况CYC_UDDS、日本驱动工况CYC_10-15及欧洲行驶工况CYC_ECE_EUDC 3种。目前已有的对电动汽车动力性仿真分析的文献中，曾庆玺[2]、王旭彤[3]、周炜[4]等只对电动汽车的动力系统参数匹配进行了CYC_ECE_EUDC循环工况下的仿真分析；柏凯[5]、金鑫君[6]、郭敏锐[7]等只对电动汽车的动力系统参数匹配进行了CYC_UDDS循环工况下的仿真分析；文亦骁[8]、包建超[9]也只针对国际上常用的3种工况中的两种工况对电动汽车的动力系统参数匹配的仿真进行了分析。上述文献的分析都具有一定的局限性。本文针对某电动汽车，进行3种典型工况下的动力性能对比分析，结果更可靠、更准确。

1 电动汽车技术参数

本文的研究对象是一款主要供家庭使用的微型电动汽车，该车的主要技术参数见表1。

表1 整车技术参数

2 电动汽车性能参数计算

影响电动汽车行驶性能的参数很多，阻力影响是其主要的外部因素，动力系统的影响是其主要的内部因素[10]。下面将从爬坡能力和加速性能两个方面对电动汽车的动力系统进行分析计算。

2.1 行驶性能的参数计算

按照车辆力学原理，对电动汽车在行驶过程中受到的力建立平衡方程如下[8]：

Ft=∑F

(1)

式中：Ft为驱动力；∑F为行驶阻力之和。其中，驱动力的计算公式为：

(2)

车辆行驶阻力之和：

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj

(3)

式中：Tt为作用于驱动轮上的转矩；r为车轮的滚动半径；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为爬坡阻力；Fj为加速阻力。

2.2 电动汽车动力性的参数计算

1)最高车速(Vmax)计算。

在良好的水平路面处于最高车速行驶的汽车，只需考虑其空气阻力和滚动阻力对车速的影响。最高车速计算式为：

(4)

式中：CD为空气阻力系数；A为迎风面积；G为汽车的重力。

2)爬坡能力计算。

爬坡时车速较低，忽略空气阻力和加速阻力。爬坡阻力为：

Fi=Ft-(Ff+Fw)

(5)

3)加速性能计算。

车辆在良好的水平路面上行驶可忽略掉坡度阻力，则其加速阻力为：

Fj=Ft-(Ff+Fw)

(6)

2.3 电动汽车传动比计算

1)最高速行驶状态下的最小传动比为：

(7)

式中：nmax为电机最大转速。

2)爬坡状态下最大传动比为：

(8)

式中：ηt为整车动力传动系效率；g为重力加速度；ff为摩擦阻力系数；ρ为空气密度；ur为车辆行驶速度；δ为汽车旋转质量换算系数；M为整车质量。

2.4 电动汽车电机功率的计算

2.4.1电机功率的选择

1)根据最高车速Vmax确定的最大功率为Pmax1。

(9)

2)根据爬坡性能确定的最大功率Pmax2。

(10)

式中：αmax=arctan(imax/100)；Vi为爬坡过程中的恒定车速。

3)由加速性能确定的最大功率Pmax3。

(11)

式中：Vt为加速过程末的车速；t为加速时间。

电动汽车的电机峰值功率Pmax取Pmax1,Pmax2,Pmax3中的最大值，即：

Pmax=max(Pmax1,Pmax2,Pmax3)

(12)

电机的额定功率(Pe)可通过其峰值功率计算获得:

(13)

式中：λ为电机的过载系数，一般取2～3。

2.4.2电机转速的确定

根据车辆设计指标确定电机转速：

(14)

式中：V为额定车速；i0为主减速器传动比。将V代入式(14)可以求得电机的额定转速ne；将最高车速Vmax代入式(14)可以求得电机的最高转速nmax。

2.4.3电机转矩的确定

电机的最大转矩应满足最大爬坡度的要求，即：

(15)

2.5 动力电池参数设计

1)依据最大功率设计电池组数目。

(16)

式中：Ps max为单个电池最大输出功率；ηe为电机工作效率;ηec为电机控制器工作效率。

2)依据续驶里程设计电池组数目。

(17)

式中：L为续驶里程；W为汽车每千米耗能；Cs为单体电池容量；Vs为单体电池电压。

由此可以确定电动汽车电池组数目：

n=max{n1,n2}

(18)

2.6 匹配结果

电动汽车传动匹配结果见表2。

3 ADVISOR仿真与分析

ADVISOR是在MATLAB/Simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件平台，已成为世界汽车行业使用最普遍的电动汽车仿真平台之一[11]。本文以目前国际上常用的美国城市驱动工况CYC_UDDS、日本驱动工况CYC_10-15和欧洲行驶工况CYC_ECE_EUDC 3种循环工况来对整车性能进行对比分析、评价。

表2 电动汽车传动匹配结果

3.1 仿真模型建立

图1的整车仿真模型显示了前向仿真与后向仿真的具体路径以及功率流方向，先进行后向仿真，再进行前向仿真，从而得出实际的车速。

图1 电动汽车ADVISOR仿真模型

3.2 工况界面的设定

图2为电动汽车在CYC_UDDS循环工况下车辆的行驶状况，该工况下循环周期为1 369s，行驶距离为11.99km，最大车速为91.25km/h，平均车速为31.51km/h；图3为电动汽车在CYC_ECE_EUDC循环工况下车辆的行驶状况，该工况下循环周期为1 225s，行驶距离为10.93km，最大车速为120km/h，平均车速为32.1km/h；图4为电动汽车在CYC_10-15循环工况下的行驶状况，该工况下循环周期为1 321s，行驶距离8.33km，最大车速为69.97km/h，平均车速为22.68km/h。

图2 CYC_UDDS工况界面

图3 CYC_ECE_EUDC工况界面

3.3 速度与能量的分析

图5、图6和图7分别为电动汽车在CYC_UDDS、CYC_ECE_EUDC和CYC_10-15 3种循环工况下的速度和能量SOC图。从图可以看出，CYC_UDDS循环工况仿真的速度变化与CYC_ECE_EUDC及CYC_10-15循环工况仿真的速度变化情况相反，但仿真车速与该工况要求的车速都基本上无偏差；3个能量存储系统的SOC值都从满值降到几乎为零，说明该电动车在这3种典型国际工况下都可以跑完工况标准中设置的循环。

图4 CYC_10-15工况界面

图5 CYC_UDDS工况速度和能量SOC

图6 CYC_ECE_EUDC工况速度和能量SOC

图7 CYC_10-15工况速度和能量SOC

图8为该电动汽车在3种工况下的仿真结果，本文将数据填入表3进行仔细对比分析。

图8 CYC_UDDS、CYC_ECE_EUDC和CYC_10-15工况仿真结果

由表3可知，在国际常用的3种典型工况下汽车的加速时间、爬坡度以及最高车速的仿真结果完全一致，CYC_ECE_EUDC循环工况的续驶里程为109.3km，比CYC_UDDS循环工况的续驶里程107.9km以及CYC_10-15循环工况的续驶里程108.3km都更接近设计指标。将CYC_ECE_EUDC循环工况的仿真结果与设计指标进行详细对比发现，该电动车从0到60km/h的加速性能略优于设计指标，表明选用电机的低速扭矩特性优良。汽车的最高车速稍高于设计指标，说明电机的功率略大或减速器等一些参数匹配并不完全合理；续驶里程中的最大值小于设计目标值，说明电池组的能量不足。但总的来看，电动车的仿真结果说明其参数基本满足设计要求，匹配合理。

表3 ADVISOR仿真结果及设计指标对比