基于Matlab 純電動汽車匹配及仿真系統開發

卓文得， 孫貴斌， 許文豐， 季永安， 洪燕清

（1.廈門豐泰國際新能源汽車有限公司， 福建 廈門 361026；2.廈門理工學院機械與汽車工程學院， 福建 廈門 361024）

隨著全球環境問題和能源危機日愈突出， 純電動汽車作為一款新能源汽車而備受各界矚目。 純電動汽車動力系統的匹配與選擇直接關系到車輛的動力性、 經濟性以及續航里程等， 故為電動汽車匹配、 選擇一套合適的動力系統尤為重要。 目前行業中對于電動汽車的匹配和選擇主要采用簡單的手工計算或利用Excel表格編輯公式進行匹配計算， 該匹配方式不但工作量大、 效率低， 而且精確度相對較低， 尤其涉及到有指定或特定工況時， 更難以實現匹配計算。 針對該狀況， 本文基于Matlab平臺開發一套電動汽車匹配及仿真分析系統， 實現快速、 有效地為電動汽車匹配出合適動力系統， 提高設計效率， 縮短開發周期。

1 電動汽車動力系統的匹配流程

1.1 驅動電機的參數匹配

驅動電機作為驅動電動汽車行駛的唯一動力源， 驅動電機的選擇直接關系到車輛的動力性和經濟性。 驅動電機的匹配參數主要包括峰值功率、 額定功率、 峰值轉速、 額定轉速以及峰值轉矩和額定轉矩。

1.1.1 驅動電機的功率匹配

驅動電機的峰值輸出功率對于車輛的動力性有決定性影響， 故驅動電機的峰值輸出功率P必須滿足車輛以最高車速行駛時的需求功率P、 車輛在某一速度以最大爬坡度爬坡時的需求功率P、 車輛起步加速需求功率P以及指定工況的最大需求功率P， 即：

其中， 起步加速時車速v與時間t的關系經驗公式為：

式中： v——最高車速， km/h； η——傳動系統效率；m——車輛總質量， kg； f——滾動阻力系數； g——重力加速度， m/s； C——空氣阻力系數； A——車輛迎風面積，m； α——坡度角； v——爬坡車速， km/h； δ——旋轉質量系數； v——實時車速， km/h； x——擬合系數； t——加速時長， s； v——車輛加速結束的末速度， km/h； v——工況實時車速， km/h； α——實時工況坡度角。

1.1.2 驅動電機的轉速匹配

驅動電機峰值轉速和額定轉速的選擇必須滿足車輛最高車速行駛， 通過車輛最高行駛速度確定電機需求最大轉速n：

式中： i——減速比； r——車輪半徑， m。

根據電機擴大恒功率區系數β （β通常取2～4） 可得電機的額定轉速n：

1.1.3 驅動電機的轉矩匹配

驅動電機的輸出峰值轉矩T需要滿足車輛加速需求轉矩T、 爬坡需求轉矩T以及工況需求最大轉矩T。 即：

電機的額定轉矩T可以根據電機的額定功率和額定轉速求得：

1.2 動力電池的參數匹配

動力電池作為電動汽車的能量儲存模塊， 為整車電力元件的運行提供能量。 動力電池的選擇主要從輸出功率和儲存容量兩方面來考慮。

1.2.1 電池功率的匹配

動力電池組的最大輸出功率應滿足整車驅動及附件所需功率， 保證車輛的動力性需求， 即：

式中： P——動力電池組最大輸出功率， kW；η——驅動電機的效率； P——驅動電機的最大輸出功率， kW； η——動力電池組放電效率； P——車輛電動附件部分的平均功率， kW。

1.2.2 電池容量的匹配

動力電池組的儲存容量關系到車輛的續航里程， 應該滿足車輛續駛里程的能量需求。 本文對于電池容量匹配采用等速法， 通過續航里程設計目標值對電池容量進行反向計算， 計算公式如下：

式中： E——電池總容量， Ah； L——續駛里程設計目標值， km； η——驅動系統效率； P——車輛等速行駛需求功率， kW； η——電池組放電深度； U——電池組額定電壓， V。

2 電動汽車匹配及仿真系統開發

本次電動汽車匹配及仿真系統的開發基于Matlab平臺，根據需求將系統分為3部分， 包括： 行駛工況及動力系統數據庫、 Simulink仿真模型和GUI操作平臺。 系統的匹配及仿真流程如圖1所示。

圖1 系統的匹配及仿真流程

2.1 行駛工況及動力系統數據庫

數據庫主要以Excel表格形式存在， 包含行駛工況數據、 備選電機特性參數數據和備選動力電池特性參數數據等， 作為系統的匹配依據以及為系統的仿真提供數據調用。

1） 行駛工況數據庫： 數據庫由部分常用的標準工況和自定義工況組成， 系統使用者也可根據需要自行定義或添加其他工況。

2） 電機特性參數數據庫： 數據庫包含各個備選電機的指標參數， 系統做匹配時根據車輛的設計要求計算出電機的需求指標， 從數據庫中篩選出所有符合設計需求的電機，將可選電機的型號和重要指標參數逐一輸出到顯示窗口，供使用者選擇。 數據庫還包含所有備選電機的詳細性能參數， 為系統做仿真提供詳細、 準確的數據。

3） 電池特性參數數據庫： 該數據庫與電機特性參數數據庫類似， 主要包括所有備選電池的重要指標參數和詳細性能參數， 供系統做匹配計算或仿真分析時做數據調用。

2.2 基于Simulink的仿真模型

Simulink模型在系統中主要承擔計算和仿真角色， 主要包括動力系統匹配模型、 整車動力性仿真模型和整車經濟性仿真模型3部分。 動力系統匹配模型依據上述匹配流程和數學模型進行搭建， 工作時系統根據車輛設計指標計算車輛動力系統的性能需求和對動力系統進行匹配。

2.2.1 整車動力性仿真模型

動力性仿真模型用來驗證所選動力系統的動力性能，主要包括車輛加速性能仿真模型、 車輛爬坡性能仿真模型和車輛最高車速性能仿真模型。

在車輛特征參數確定的情況下， 車輛加速動力性不考慮坡度阻力， 車輛滿載爬坡性能不考慮加速阻力， 車輛最高車速性能不考慮坡度阻力和加速阻力。 車輛加速動力性和車輛爬坡動力性取決于電機的最大輸出扭矩和電池的最大輸出功率， 數學模型分別如式 （16） 和式 （17）， 車輛最高車速動力性則由電機的最大輸出轉矩、 轉速和電池的最大輸出功率決定， 數學模型如式 （18）。

式中： V、 V、 V——實時車速； F——滾動阻 力；F——空 氣 阻 力； F——加 速 阻 力； F——坡 度 阻 力；F——電機輸出驅動力； F——電機某一狀態下輸出的最大驅動力； N——電機輸出轉速； N——電機最大輸出轉速； P——電池輸出功率； P——電池某一狀態下輸出的最大功率。

2.2.2 整車經濟性仿真模型

經濟性是動力系統匹配主要的評價指標之一， 建立整車經濟性仿真模型初步對動力系統的經濟性進行驗證， 仿真模型包含特定工況整車經濟性仿真模型和等速巡航整車經濟性仿真模型。

特定工況整車經濟性模型用于計算特定工況 （包含標準工況和自定義工況） 下整車的經濟性， 主要評價指標為車輛的百公里耗能， 數學模型如式 （19）。 等速巡航整車經濟性仿真模型采用等速法針對續航里程設計指標對電池有效放電容量進行驗證， 等速巡航里程作為主要評價指標，數學模型如式 （20）。

式中： V和V——實時車速； V——等速巡航車速； P——電機消耗功率； P——電機最大輸出功率；P——車輛附件消耗功率； C——車輛百公里耗能；L——車輛等速巡航里程； C——電池有效放電量；C——電池最大電量； C——電池最低放電量。

2.3 基于Matlab/GUI的操作平臺

系統操作平臺由執行程序和GUI操作界面組成， 執行程序充當數據庫或GUI操作界面與Simulink模型之間的溝通橋梁， 執行程序從數據庫或GUI操作界面中讀取車輛設計參數、 驅動電機性能參數和動力電池性能參數等相關數據，并對數據做相應處理， 形成可供Simulink模型調用的數據。在匹配和仿真結束后， 程序對匹配和仿真結果進行分析處理， 以可視化形式輸出到GUI操作界面， 并通過對比車輛設計指標， 以word文檔形式生成分析報告。

系統的GUI操作界面設計如圖2所示， 操作界面主要由以下4部分組成。

圖2 GUI匹配—仿真操作平臺

1） 參數輸入模塊， 用于輸入車輛設計指標、 車輛特征參數和設置相關仿真參數。

2） 顯示/命令窗口， 在匹配和仿真過程中輸出相關提示或結論， 使用者根據需要在命令窗口輸入相關操作命令。

3） 結果輸出模塊， 包括工況仿真覆蓋圖、 電機實時輸出轉矩曲線和電池實時輸出電流曲線等仿真結果圖或動力系統狀態曲線。

4） 操作平臺功能按鈕， 如保存圖片、 導出報告等功能按鈕。

為了提高工作效率和增加系統的實用性， 針對動力系統已確定的情況增設一個仿真子系統， 如圖3所示， 該操作系統可以根據需求選擇性對動力系統進行單項或多項性能仿真分析， 不具備匹配功能。

圖3 GUI仿真操作平臺

3 基于自定義工況的實車驗證分析

為了檢驗匹配及仿真系統的可靠性和準確性， 采用實車試驗來對系統進行驗證， 選用一款12m城市客車作為試驗車輛。 試驗車輛的主要特征參數見表1。

表1 車輛主要特征參數

本次試驗主要為了分析仿真數據與實車運行數據的一致性與差異性， 故車輛采用空載狀態， 車輛行駛工況為自定義工況。 通過CANoe實時讀取和記錄車輛的行駛速度以及動力系統相關參數， 將車輛實際行駛工況作為仿真工況導入仿真系統， 這樣能夠最大程度上減小仿真與實際的工況差距。 車輛行駛工況如圖4所示， 圖中虛線為車輛實際行駛工況， 實線為仿真系統實際運行工況。 在誤差允許的范圍內， 可以認為仿真與實際的行駛工況一致。

圖4 自定義行駛工況

圖5和圖6分別是基于自定義行駛工況下， 電機實時輸出轉矩對比圖與電池實時輸出電流對比圖， 黑色虛線為車輛實際運行工況所得數據， 黑色實線為運行仿真系統所得數據。 從圖中可得， 車輛實際運行數據與仿真數據之間存在一定差異， 但數據的變化趨勢相同， 有較好的一致性。

圖5 電機實時輸出轉矩對比圖

圖6 電池實時輸出電流對比圖

圖7為車輛加速性能實際與仿真數據對比圖， 實線為車輛實際加速性能曲線， 虛線為車輛仿真加速性能曲線。 兩條曲線存在一定差異， 但走勢基本一致， 有較高的重合度。車輛0—100km/h加速實際耗時37.4s， 仿真耗時35.6s， 誤差4.8%， 屬于可接受誤差。 表2為基于自定義行駛工況一個循環后電池SOC實際與仿真的對應消耗， 電池SOC實際消耗6%， 仿真消耗5.6%， 誤差6.7%， 在可接受誤差范圍內。

圖7 車輛加速性能對比圖

表2 電池SOC消耗對比

經過上述數據的對比分析可得， 仿真系統運行數據與實車運行數據存在一定差異， 造成這些差異的主要原因有：①車載附件的實時消耗功率與仿真系統的車載附件平均消耗功率存在差異； ②仿真系統對于模型的控制策略與實車上對于各部件的控制策略存在差異； ③仿真的理想環境與實際復雜多變的環境存在差異。 雖然仿真數據與實車數據存在差異， 但兩者仍有較好的一致性和重合度， 仿真結果在實際設計生產中有重要的參考價值和指導意義。

4 結語

本文基于Matlab平臺開發一套純電動汽車匹配及仿真分析系統， 系統能夠有效幫助設計人員根據車輛設計指標，快速為車輛匹配出合適的動力系統， 并通過仿真方式對所選動力系統進行驗證分析。 本次實驗采用仿真與試驗相結合的方式對系統的有效性和準確性進行驗證， 驗證結果表明， 系統仿真數據與實車運行數據存在一定差異， 但仍有較好的一致性和重合度， 在實際生產活動中有著重要的指導意義和參考價值， 能夠有效減少相關設計人員的工作量，提高設計效率。