纯电动汽车动力系统仿真技术研究与应用

2022-03-17 10:13:34 | 浏览次数：

摘要：纯电动汽车动力系统参数匹配设计对整车性能有很大影响，本文基于MATLAB平台搭建纯电动汽车性能仿真分析模型，根据整车基本参数和目标性能要求，确定动力传动系统参数匹配设计方法，并通过对电机、电池及传动系统参数优化来确保整车动力性能和经济性能达到最优值，并根据模拟仿真结果对各参数影响进行评价分析，进一步验证设计方案的合理性。

关键词：纯电动汽车;系统匹配;仿真建模

1 引言

电动汽车系统仿真技术主要通过建立车辆及相关部件的系统模型从而对车辆的相关性能指标进行仿真分析，使得在技术方案的选择阶段能够对众多候选部件进行替换研究，并通过对候选部件进行模拟仿真从而找到最佳匹配方案;从而简化了实车原型和大量樣车试验，大大缩短了设计周期和成本，同时有助于为样车的设计和试验提供工程目标。

采用计算机仿真的研究方法将大大提高电动汽车设计的前瞻能力，在这种快捷而高效的拓扑研究思路的引导下，系统设计的全过程将得以改善，使得在较短时间内把性能更优的电动汽车产品推向市场成为可能。在电动汽车的开发前期，对其进行系统仿真的意义在于：

（1）为新车型的开发提供指导性意见;

（2）有针对性地提出设计目标和需求;

（3）对新车型的主要性能进行预测;

（4）研究和开发新的与实际需求最为匹配的控制策略;

（5）研究相关参数及其相互匹配情况。

新能源动力系统作为电动汽车的核心组成部分，其参数的选型匹配直接影响整车的性能表现（以动力性、能耗经济性为代表）。

因此在电动汽车研制的前期，对动力系统、传动系统、控制系统乃至附件系统进行全方位的数学建模与分析，搭建相应的系统仿真平台，并通过对不同部件及能量管理策略的反复仿真分析，从而为确定原型车参数配置提供参考。

2 仿真分析方法

整车性能匹配仿真主要方法是基于MATLAB编写仿真程序，或在Advisor等仿真软件中调用整车及各部件的仿真模型，然后配置实车的各项基础参数，通过仿真软件模拟计算各动力系统参数配置组合下车辆的性能;并基于仿真结果对相关仿真参数进行调整，从而寻求满足性能目标设计要求的参数匹配方案。

2.1 仿真输入

纯电动汽车动力系统仿真输入参数如表1所示。

2.2 性能评价

纯电动汽车动力性能一般用最高车速、加速时间、爬坡性能三个指标来衡量，经济性能一般用循环工况能耗率或续驶里程来评估，见表2。

3 仿真分析模型及算法

3.1 动力性能仿真分析

动力性能仿真主要根据车辆动力学-功率平衡理论进行模拟分析计算。

纯电动汽车行驶驱动力：

纯电动汽车行驶阻力：

其中：

Ttq—电机转矩

igi—i档传动比

i0—主传动比

ηt—传动效率

r—轮胎滚动半径

G—整备质量

f—滚阻系数

α—坡度

CD—风阻系数

A—迎风面积

v—车速

根据汽车运行过程中驱动力与行驶阻力平衡的原理，分别对各极限行驶状态进行分析，以下分别以车辆运行最高车速、加速时间、最大爬坡度三个指标为例对仿真模型进行介绍。

3.1.1 最高车速仿真分析

电动汽车最高车速主要取决于车辆牵引力和阻力之间，或电机的最大转速和传动装置传动比之间的平衡。仿真计算模型如图1所示。

3.1.2 加速性能仿真分析

电动汽车的加速性能由车辆从当前低速加速到下一较高车速时所需的时间来评价。仿真计算模型如图2所示。

3.1.3 爬坡性能仿真分析

电动汽车的爬坡能力一般用满载时汽车在一定速度下（国标《GB/T 18385-2005电动汽车动力性能试验方法》规定为：1min内向上行驶至少10m）能克服的最大坡度来衡量。仿真计算模型如图3所示。

3.2 经济性能仿真分析

电动汽车经济性能一般用循环工况能耗率及续驶里程来评估。

影响能耗的主要决定因素包括整车重量、满载质量、行驶阻力、电器负载、电机系统工作效率、动力传动效率、能量回收效率以及电池充放电效率等。续驶里程则与能耗、电池能量、蓄电池的放电深度、放电效率等因素相关。

3.2.1 匀速工况

匀速工况常采取40km/h（客车）、60km/h（乘用车）等典型工况对车辆能耗及续驶里程指标进行评价，仿真模型如图4所示。

3.2.2 综合工况

目前纯电动乘用车经济性能评价普遍采用ECE工况或NEDC综合工况进行评价。仿真模型如图5所示。

4 应用场景及实例

4.1 应用场景

影响初电动汽车动力经济性能因素有很多。驱动电机的峰值转速、峰值扭矩以及车辆本身的参数都是影响电动汽车的动力性能的因素，动力电池的放电性能、动力传动效率、能量回收效率等则影响整车能耗及续驶里程。为进一步提升整车性能并降低产品成本，在设计时应综合考虑各项因素，对整车及动力系统参数进行优化匹配，达到最佳的系统匹配方案。电动汽车动力经济性能仿真分析主要应用价值在于通过系统仿真的方法，对企业预研车型提供参数匹配方案及产品优化设计建议。

（1）基于整车设计输入仿真计算车辆动力经济性能理论值，并与设计目标值进行比对，分析整车及动力系统匹配存在的问题，并提供优化建议。

（2）对标分析竞争车型技术水平，提出产品设计改进及核心性能（包括动力性、能耗经济性、充电性能等）提升建议。

4.2 应用示例

本文针对某纯电动轿车进行初步参数匹配，并借助仿真模型对参数匹配方案进行优化，最终达到设计目标要求。初步匹配参数输入如表3：

将以上参数导入MATLAB仿真程序，并对参数进行反复优化及仿真分析，最终输出结果如表4所示。

根据仿真结果，追溯整车及部件匹配参数，确定电机最高转速为9000rpm，峰值扭矩为280N*m，单级减速器减速比为7.92，其它参数与初始仿真输入一致，最终车辆动力经济性能达到设计目标要求。

5 总结

本文从纯电动汽车整车参数和目标性能要求出发，通过建立整车及系统仿真模型，具体分析各动力参数对整车动力经济性能的影响，并对输入参数不断调整优化进行反复模拟仿真分析，最终得到理想的参数匹配结果。

应用系统仿真的方法，对纯电动汽车动力系统进行参数匹配及性能仿真分析，能够提前对设计方案进行模拟评估，简化了传统设计的反复验证过程并降低了研发成本和周期，对新车型的开发与性能提升具有重要的指导意义。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

[2]赵立峰，李云清，何鹏等.纯电动大客车动力传动系统的研究[J].汽车工程，2013，35（8）：683-686.