基于Cruise純電動(dòng)轎車動(dòng)力學(xué)仿真研究作者：武漢理工大學(xué)楊超張華摘要：與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，電動(dòng)汽車具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，使其成為未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。在與浙江眾泰合作開發(fā)的“眾泰2008”純電動(dòng)轎車的前期開發(fā)過程中，對其動(dòng)力系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件進(jìn)行了建模和動(dòng)力學(xué)仿真，對動(dòng)力性能和工作過程的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，為下一步實(shí)車的開發(fā)提供了參考。

主題詞：純電動(dòng)轎車，動(dòng)力系統(tǒng)，研究

隨著能源和環(huán)境對人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲也日益高漲，各種電動(dòng)汽車也應(yīng)運(yùn)而生。純電動(dòng)汽車無內(nèi)燃機(jī)汽車工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣，是目前最環(huán)保的車型。在研究和開發(fā)電動(dòng)汽車的部件和選擇最佳結(jié)構(gòu)時(shí)，為縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，縮小研究范圍，找到技術(shù)的突破口，特別是在技術(shù)方案的選擇階段，在系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的選擇上，可依靠高效的計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)和關(guān)鍵部件進(jìn)行建模，通過使用待選的系統(tǒng)和關(guān)鍵部件進(jìn)行模擬仿真，從而找到最佳方案。

一、仿真系統(tǒng)和仿真軟件

在仿真系統(tǒng)的選擇中，要遵循以下目標(biāo)，一是精確，能夠使不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)間的比較具有意義；二是快速，快速進(jìn)行汽車分析和空間研究設(shè)計(jì)，例如對多維變量參數(shù)的研究和優(yōu)化等；三是靈活，對不同控制策略和結(jié)構(gòu)組成的汽車進(jìn)行評價(jià)；四是實(shí)用，針對各種車型建模，例如，包括傳統(tǒng)汽車、電動(dòng)汽車、串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車等。

Cruise是研究汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的高級模擬分析軟件。它可用于汽車開發(fā)過程中的動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配、汽車性能預(yù)測和整車仿真計(jì)算；可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、輪胎的選型及其與車輛的匹配優(yōu)化；可以用于混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車的動(dòng)力、傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化。

Cruise是基于全面滿足汽車開發(fā)全過程要求的思想而設(shè)計(jì)的。它具有以下特點(diǎn)：（1）模塊化的概念可進(jìn)行各種汽車和動(dòng)力總成配置的分析；（2）智能化的司機(jī)模型根據(jù)人體反應(yīng)真實(shí)地再現(xiàn)車輛的行為；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)模型考慮了高等摩擦和熱力學(xué)效應(yīng)；（4）黑盒子功能可嵌入用戶自定義的模塊和控制算法；（5）具有一維流體動(dòng)力學(xué)軟件Flowmaster和KULI接口；（6）具有MATLAB/SIMULINK接口。

二、利用Cruise動(dòng)力系統(tǒng)及其部件建模

（一）動(dòng)力系統(tǒng)建模

Cruise采用了圖形化的用戶界面，用戶可以在已有的模塊箱（主要包括汽車、離合器、變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、控制器、特殊模塊、輪胎等）中選取合適的模塊拖放到Cruise的工作區(qū)，然后連線建立各模塊之間的聯(lián)接，包括信號(hào)、機(jī)械、電子和排放連接。各個(gè)模塊仿真參數(shù)的設(shè)置可以通過Cruise的參數(shù)設(shè)置窗口來完成，對一些特性復(fù)雜的模塊（如電動(dòng)機(jī)），可以在參數(shù)設(shè)置窗口通過編輯圖表曲線建立曲線圖來實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置。電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池等部件。

（二）電池及其建模

電池是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，目前可采用的電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等。鉛酸電池雖然比能量比較低，但其技術(shù)可靠，生產(chǎn)工藝成熟，成本低（低于所有其他的二次電池），擁有適合電動(dòng)汽車使用的良好的大電流輸出性能以及多種型號(hào)和尺寸?？紤]到整車的成本，選用了大容量免維護(hù)鉛酸電池作為電動(dòng)車的動(dòng)力源。電池是非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其內(nèi)部電化學(xué)過程是一個(gè)對環(huán)境敏感的復(fù)雜的非線性過程。對于某一類型的電池，通過充放電試驗(yàn)和理論分析，可以用一個(gè)近似的模型來描述其工作過程與特性。在Cruise中，根據(jù)電池建模的參數(shù)做出電池的SOC與電池電壓之間的關(guān)系曲線，SOC值的大小直接反映了電池所處的狀態(tài)，由此可限定電池的最大放電電流，并可在仿真過程中更精確地計(jì)算各種功況下電動(dòng)車的續(xù)駛里程。所選用的電池在試驗(yàn)室經(jīng)過不同狀態(tài)下的充放電試驗(yàn)，根據(jù)在試驗(yàn)中測得電池電壓、電流、放電時(shí)間等參數(shù)推斷出SOC與電壓的關(guān)系。根據(jù)各節(jié)電池的SOC值，可以識(shí)別電池組中各電池間的性能差異，依此進(jìn)行均衡充電，保持電池性能的均勻性，最終達(dá)到延長電池壽命的目的，也為下一步做出電池管理系統(tǒng)奠定了很好的基礎(chǔ)。

（三）電機(jī)及其建模

電機(jī)是電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)單元，它的技術(shù)性能直接影響車輛運(yùn)行的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，所以選擇符合電動(dòng)汽車運(yùn)行的電機(jī)，最基本的要求是低阻高效、調(diào)速變矩性能好、過載能力強(qiáng)，以適應(yīng)電動(dòng)汽車頻繁啟動(dòng)和功率變化大的使用要求；在運(yùn)行的全部速度范圍和負(fù)載范圍內(nèi)，具有較高的效率，以盡量提高電動(dòng)汽車一次續(xù)駛里程；此外，要求電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕，便于安裝，無驅(qū)動(dòng)噪聲。

電動(dòng)機(jī)的建?；A(chǔ)是電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩、功率的平衡方程和運(yùn)行特性方程。模型的正確性要看其是否符合上述基本的數(shù)學(xué)關(guān)系，精確性則要看模型是否全面正確考慮到實(shí)物運(yùn)行特性的影響因素。建模過程要考慮電機(jī)性能限制與電機(jī)內(nèi)的熱交換，此外還要考慮不同類型電機(jī)所具有的特性。在Cruise中，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置定義了電機(jī)各種工作過程狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率的map圖；以及電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，如最大電壓、最大電流、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。在仿真分析運(yùn)行過程中模型利用插值計(jì)算的方法，調(diào)用數(shù)據(jù)文件以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的工作過程仿真。通過電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)得到電機(jī)的map圖，如圖1所示。三、仿真及結(jié)果分析

（一）定義計(jì)算任務(wù)

根據(jù)純電動(dòng)汽車研發(fā)的目的和要求，選擇和編輯相應(yīng)的任務(wù)及工況，設(shè)置合適的仿真步長和精度進(jìn)行仿真計(jì)算。設(shè)定的計(jì)算任務(wù)為：最高車速、最大爬坡度、加速性能、工況行駛和續(xù)駛里程。

（二）仿真結(jié)果分析

在仿真運(yùn)行過程中，通過實(shí)時(shí)曲線監(jiān)視汽車模型中的各參數(shù)值，如汽車速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池容量等。并能夠在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)中斷或結(jié)束仿真，實(shí)現(xiàn)對仿真的全程控制。加速性能仿真結(jié)果如圖2所示，圖3為爬坡性能仿真結(jié)果，從兩圖中可以得到汽車的動(dòng)力性能，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足預(yù)定的要求，見表1。以廣州市區(qū)工況下電動(dòng)汽車的車速、電流、電壓和SOC等各運(yùn)行參數(shù)的變化過程為例，由仿真結(jié)果得出在廣州市區(qū)工況下一次充電續(xù)駛里程、電機(jī)的工作點(diǎn)分布和能量消耗分布，可以為電機(jī)運(yùn)行高效區(qū)分布區(qū)域提出具體要求，優(yōu)化整車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

根據(jù)動(dòng)力電池的截止電壓，仿真得出各種車速下的續(xù)駛里程，當(dāng)電動(dòng)汽車以40km/h勻速行駛時(shí)，續(xù)駛里程最長，可以達(dá)到155km，圖4為40km/h勻速行駛時(shí)電壓、電流和SOC隨時(shí)間的變化情況。四、結(jié)語

純電動(dòng)車是零排放的環(huán)保車輛