基于AMESim的純電動汽車動力性能仿真

陳凱華　高欽和

摘 要：純電動汽車研發需要多領域建模仿真工具支持。文章分析了AMESim高級工程建模與仿真平臺在建立多物理領域系統級模型方面優勢，在AMESim中以圖像化建模方式搭建了純電動汽車整車模型，主要包括電池組、動力系統、控制器及行駛工況等模型，并對該模型進行動力性能仿真。仿真結果表明該純電動汽車模型具有較高的精確度和較短的建模周期，能夠為純電動汽車的研制提供參考。

關鍵詞：AMESim；純電動汽車；動力性能；仿真

引言

電動汽車是一個復雜的系統，它集成了多個子系統如車身、電力驅動、能源及能量管理等。電動汽車技術涉及多個學科領域，包括電力電子學、機械動力學工程、控制理論和化學等，在開發電動汽車初期，采用計算機建模與仿真的方法可以有效降低研發成本與縮短研發周期[1]。

AMESim是一種高級工程建模與仿真平臺，它提供了一個完整的時域仿真建模環境和強大而完備的多物理領域圖形化模型元件庫，相對其他諸多汽車專用仿真軟件如ADVISOR等，AMESim具有更強大的擴展性，且能夠自動選擇最優算法進行仿真計算，大大提高了建模仿真的效率[2]。

電動汽車以電能作為驅動能量，因其零排放，零污染的優勢使其成為開發和研究綠色汽車的主流。用于發電的一切能源都可以作為電動汽車的使用能源，擺脫了對石油資源的依賴，從而緩解了日益嚴重的石油危機。與傳統內燃機汽車相比，電動汽車雖然節能環保，但車輛的動力性能不是很好。因此，研究電動汽車的動力性能十分必要[3]。

1 純電動汽車整車仿真模型

純電動汽車整車模型由電源、電機、控制單元、變速及減速單元、車輛、模擬駕駛等子系統模型組成，仿真模型如圖1所示。

主要子系統模型描述如下。

1.1 電源模型

當電機的電功率Pelec大于損失功率Plost時，電機處于電動機模式；當電機的機械功率Pmec大于損失功率Plost時，電機處于發電機模式。

1.3 控制單元模型

控制單元模型負責接收來自模擬駕駛模型的信息（加速、制動命令）以及電機模型的信息（速度）并進行分析計算，以實現電池能量消耗的最小化。當模擬駕駛發出剎車的命令信息時，控制單元發出指令使電動機可以作為發電機在制動的同時給電池充電。

同時該控制單元模型也接收來自車輛、電池的信息，文章采用的控制單元模型為不帶優化的基本模型，用戶可根據需要對其改進并創建一個新的控制單元。

1.4 模擬駕駛模型

模擬駕駛模型是在汽車整車仿真過程中模擬駕駛員操作的模型。在汽車行駛過程中，駕駛員的操作習慣是影響汽車行駛性能的一個重要因素。文章采用AMESim自帶的模擬駕駛模型，該模型接收車輛速度信息，發出加速/減速的命令信息。加速與減速控制各有三種預設，分別是：預設值加速度控制、線性加速度控制和積分增益加速度控制。

1.5 車輛模型

車輛模型是一個有恒定負載，采用前后輪軸建模的模型。用戶可以選擇兩個車輛配置：

（1）路：主要考慮滾動摩擦，道路坡度和空氣動力阻力；（2）壓路機試驗臺：用戶定義的滾筒試驗臺摩擦系數。

此外，用戶可以選擇兩個縱向滑動的配置：（1）沒有滑動：輪胎和地面之間的滑動；（2）有滑動：用戶定義的輪胎縱向滑移參數。

當選擇“道路”選項時可進行風速的設置與道路坡度的設置。

用戶必須設置以下參數：（1）車輛初始條件：初始線性速度（米/秒）和位移[m]的車輛；（2）車輛配置：道路或滾筒試驗臺；（3）縱向滑動配置：沒有/有滑動；（4）汽車質量總量（噸）和前后車軸之間的質量分布（%）；（5）制動系統特點：最大制動力矩在前后輪軸（Nm）等。

2 仿真與分析

2.1 NEDC工況仿真

純電動汽車的能耗仿真計算使用的道路循環工況為新歐洲標準行駛循環NEDC工況。整個循環由4個城區循環和一個城郊循環組成，總里程11km。純電動汽車的主要參數如表1所示[4]。

將表1給出的車型參數帶入模型中，并選擇NEDC工況作為模型輸入進行仿真。

2.2 仿真結果圖與分析

如圖2所示為一個NEDC工況循環中模型參數變化曲線。

由圖2（a）所示的速度-時間曲線可看出，模型運行結果與工況數據基本吻合，跟隨特性較好。圖2（b）和圖2（c）所示的電動機的轉矩與旋轉速度曲線可看出，電動機的有效轉矩曲線與控制單元輸出的計算轉矩曲線基本吻合，跟隨特性也比較好；同時電動機旋轉速度曲線與圖2（a）中車輛速度曲線是成比例的。由圖2（d）所示的司機制動命令信號曲線與控制單元制動命令信號曲線可看出，當司機產生制動命令時，控制單元接收該命令信號，并使用該命令信號曲線的一部份對電動馬達進行控制，使其對電池組進行充電，從而實現了一部分有效制動。

3 結束語

文章基于AMESim建立了一個純電動汽車整車模型，并使用NEDC工況進行了動力性能仿真，仿真結果較為理想，達到預期目的。采用AMESim平臺搭建的模型具有建模周期短、模型出錯率低等優點，但不足之處在于AMESim元件模型的修改重用很困難，僅能從有限的子模型中選擇使用，改進的方法即是采用陳述式建模語言Modelica進行二次開發。

參考文獻

[1]伍慶龍，劉忠途，宗志堅.基于ADVISOR的純電動汽車動力性能仿真[J].輕型汽車技術，2010（10）：13-16.

[2]周愛國，王聞莉，陸亮，等.基于AMESim中Modelica模塊的汽車電動助力轉向系統仿真[J].機床與液壓，2011（6）：91-94.

[3]王興，秦東晨，裴東杰.電動汽車動力性能仿真分析[J].機械設計與制造，2012（12）：114-116.

[4]陳業函，熊會元，宗志堅，等.基于Dymola的ECUV純電動汽車能量流仿真[J].計算機工程與設計，2011（12）：4241-4245.