基于Cruise和Matlab的增程式電動車聯合仿真分析

尹 劍

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051）

針對客車行列，由于其瞬時功率要求比較大，當今只能依靠電能來實現新能源的替換。然而，純電動客車的驅動電池的重量非常大，一味地追求電池總容量，無疑會增大整車的整備質量，這使得瞬時所需功率也就大大增加，導致增加了電池容量而續駛里程并不樂觀的現象。為了使純電動客車的續駛里程有明顯增加，以滿足大續駛里程的要求，增程式純電動客車的出現也就理所當然了。

1 增程式純電動客車的控制原理

增程式純電動是在純電動的基礎之上，增加一個發電組合實現的。由于在車輛行駛過程中，開啟發電組合可以減小電池同等行駛條件下需要提供的電流，這就延長了電池的放電時間，使整車續駛里程大大增加。其中發電組合的開啟時間依據于需要行駛的里程和電池的剩余SOC。其最佳的情況是：里程需要的電量=發電組合發電量+電池剩余電量[1]。

由于某車的發電組合的發電功率只有34 kW，所以單獨發電組合工作并不能驅動整車行駛，這就要求發電組合的工作需與電池供電同步，即發電組合需要補電的電量必須在電池電量耗盡前補完，這樣才能保證整車達到規定的續駛里程[2]。要保證電池補電在電池電量耗盡前補完，則需要估算每公里電耗、平均車速以及已行駛公里數。其計算原理如圖1所示[3-4]。

通過以上模型，可以知道電池剩余電量可維持時間T1，以及達到目標里程發電組合需要補電時間T2。由T1和T2的大小，可以通過儀表提示駕駛員開啟發電組合，以保證補電時間。

2 增程式純電動客車的性能仿真

2.1 Cruise模型搭建

增程式純電動客車的Cruise模型如圖2所示。其中發電機模塊表示的就是發電組合，它與整車其它模塊沒有硬性連接，只有電氣連接。由圖2中分割線以下的信號連接可知，發電機的開啟信號來源于Matlab API模塊的Generator Switch（圖2下方分割線以下深色部分）。

2.2 Cruise仿真參數設置

1）發電機組合模塊參數。發電機的配置參數主要有發電機的轉動慣量、工作內阻、工作電壓、轉速-電壓關系、萬能曲線圖[5]。

2）電池模塊參數。電池模塊的配置參數主要有充電特性曲線和放電特性曲線，這兩個過程是相反過程，但是電池的SOC具有稍微的差別。

3）電動機模塊參數。電動機的配置參數主要有電動機的扭矩-轉速特性曲線圖、電動機的效率曲線圖[5]。

4）駕駛室模塊參數。駕駛室的配置參數主要有油門踏板開度與角度的關系特性（油門踏板反應的扭矩在控制策略中計算）、制動踏板開度與制動力的關系特性。

5）附屬耗能模塊參數。附屬耗能模塊主要包括風扇、水泵、打氣泵以及轉向泵等小功率器件模塊。在仿真中，直接把這些模塊歸于一個耗能電阻，阻值是依據總的功率和工作電壓來計算得到的[6]。

6）控制策略。圖3是用MATLAB搭建的該增程車的控制策略。該策略中除了包含電動機的扭矩控制外，還包括SOC的管理，實時監控平均車速、每公里電耗、剩余續駛里程以及發電機組需要補電量等參數，以便實現完成目標續駛里程后的電池剩余電量用完的理想狀態[7-8]。

2.3 性能仿真

1）整車主要參數。整車外形尺寸的長×寬×高：12 000 mm×2 550 mm×3 300 mm；電池容量：500 A·h；電池電壓：600 V；發動機補電功率：34 kW/h，平均車速40 kW/h；電池的輸出效率：85%；迎風面積 A：6 m2；迎風阻力系數：0.6；輪胎滾動半徑r：0.465 m；汽車總質量m：18 000 kg；傳動系速比 ig：5.63；傳動系效率 ηt：0.95；輔助系統功耗 Pt：2 kW/h；電機額定功率 Pe：100 kW；Tm電機最大扭矩：2 400 N·m；電機最高轉速 nm：2 700 r/min；電機效率 η：0.88；滾動阻力系數 f：0.015[4，9]。

2）爬坡性能。仿真測試增程車的爬坡性能仿真得知，仿真車輛的爬坡度為16.28%左右（最大扭矩點2 400 N·m）。根據理論最大爬坡度理論公式Ttqigioηt/r=mgf cosαmax+mg sinαmax，可計算出該車的最大爬坡度為16.7%，仿真與理論計算比較吻合[10-11]。

3）加速性能。仿真采用的是滿載18 t全加速條件。仿真得知加速到50 km/h需要18 s左右，加速到80 km/h需要31 s左右。

4）續駛里程。仿真是假設發動機燃油足夠，電量SOC初始為95%，放電到SOC為15%結束的條件下實現的。仿真得出續駛里程為399.96 km。

根據增程車續駛里程理論計算公式：

式中：E表示電車電能；v表示平均車速；p0表示平均每公里電耗；pg表示發動機補電功率。由此算出S=397 km，與仿真結果基本相近，理論值偏小，是因為在取行駛時間時省略了所充電電能維持的時間[9-10]。

3 結束語

本文論述了采用Cruise和Matlab對增程式電動客車進行聯合仿真。根據仿真結果與理論計算的結果顯示，這種仿真的真實度很高，完全可以作為對增程式電動客車的各種性能仿真預算，為汽車各部件的選配起到指導作用[12]。

[1]蔡興旺.汽車構造與原理[M].北京：機械工業出版社，2010.1.

[2]于群.MATLAB/Simulink電力系統建模與仿真[M].北京：機械工業出版社，2011.5.

[3]張志涌.精通MATLAB R2011a[M].北京:北京航空航天大學，2011.

[4]宋陽見.汽車電器構造原理與維修[M].北京：北京大學出版社，2009.8.

[5]陳波.汽車構造[M].北京:北京理工大學出版社，2011.6.

[6]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2009.6.

[7]王中群.Matlab建模與仿真應用[M].北京：機械工業出版社，2010.10.

[8]周品.Matlab數學建模與仿真[M].北京：國防工業出版社，2009.4.

[9]王園.基于CRUISE的PHEV控制策略參數仿真[J].重慶大學學報，2006，29（12）

[10]王銳.基于Cruise的整車動力性能仿真分析[J].車輛與動力技術，2009，（2）

[11]王保華.基于CRUISE的汽車建模與仿真[J].湖北汽車工業學院學報，2005，19（2）

[12]徐中明，胡康博，張志飛，等.基于Adams和Matlab的汽車EPS控制聯合仿真[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2010，（10）：7-12.