宮喚春 徐勝云 任寧寧 薛冰 吳冬冬

（燕京理工學(xué)院）

電動(dòng)汽車是以電池為儲(chǔ)能單元，以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車輛[1]。在廣義上電動(dòng)汽車可分為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）及純電動(dòng)汽車（BEV）3類。BEV的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟；缺點(diǎn)是充電速度慢，續(xù)駛里程短。目前電動(dòng)汽車測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)比較缺乏，還處于研究階段。文章利用ADVISOR軟件建立電動(dòng)汽車虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，用于電動(dòng)汽車研發(fā)與設(shè)計(jì)，分析電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)參數(shù)的變化關(guān)系，為優(yōu)化與改善電動(dòng)汽車使用性能提供依據(jù)。

1 基于ADVISOR建立純電動(dòng)汽車的整車模型

ADVISOR2002是在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)的模型，是目前應(yīng)用最廣泛的仿真軟件之一[2]。使用該軟件能夠快速分析傳統(tǒng)汽車、BEV和HEV的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性等各種性能，為進(jìn)一步理解Simulink、用戶定義傳動(dòng)系部件、車輛的數(shù)據(jù)以及算法提供了依據(jù)[3]。文章利用ADVISOR軟件特點(diǎn)，基于該軟件自行組合電動(dòng)汽車虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)電動(dòng)汽車的一系列結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)和對(duì)各個(gè)軟件模塊進(jìn)行修改，建立自己的汽車虛擬試驗(yàn)?zāi)K，組成需要的汽車模型。應(yīng)用ADVISOR對(duì)設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，在短時(shí)間內(nèi)快速測(cè)試汽車的綜合性能。建立電動(dòng)機(jī)、車身及蓄電池等純電動(dòng)汽車主要組成部件的虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚4]。

ADVISOR軟件是采用后向仿真和前向仿真相結(jié)合的仿真方法[5]。后向車輛仿真回答“假設(shè)車輛滿足請(qǐng)求的動(dòng)力，每個(gè)部件應(yīng)怎樣執(zhí)行”，這種類型的仿真過程不包括駕駛員模型，但能通過反復(fù)循環(huán)預(yù)測(cè)汽車的最大性能；前向車輛仿真包括駕駛員模型，通過調(diào)節(jié)加速踏板和制動(dòng)命令滿足需求。踏板信號(hào)被轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩，通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給驅(qū)動(dòng)力，并計(jì)算車速。ADVISOR采用混合仿真方法，其后向仿真和簡(jiǎn)單的前向仿真中對(duì)部件性能限制的方法是獨(dú)特的，ADVISOR的前后向仿真最重要的2個(gè)假設(shè)為：1）下級(jí)傳動(dòng)系部件需要的轉(zhuǎn)矩或者功率不會(huì)高于上級(jí)臨近的；2）前后仿真中同一部件的效率相同。

在電動(dòng)汽車的仿真中，通常需要在ADVISOR模型的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)部件的模型，這主要有2個(gè)方面的原因：1）仿真樣車與ADVISOR的汽車模塊的控制策略不同，需要重新設(shè)計(jì)控制策略模塊和能量模塊；2）ADVISOR的多數(shù)模塊是建立在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的穩(wěn)態(tài)模型，仿真效果差。重新設(shè)計(jì)部件模型的方法是嚴(yán)格按照ADVISOR模塊對(duì)輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的定義，用設(shè)計(jì)的部件模型來(lái)部分或全部替代ADVISOR原有的部件模型。

ADVISOR的仿真模型分為車輛模型和部件模型2種[6]。車輛模型定義了整個(gè)汽車動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和仿真數(shù)據(jù)流程，進(jìn)入ADVISOR初始界面后，顯示的是車型定義的各項(xiàng)內(nèi)容，包括動(dòng)力系統(tǒng)類型選擇組件定義和變量賦值等[7]。動(dòng)力系統(tǒng)類型除HEV的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)外，還包括傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)、BEV結(jié)構(gòu)、FCEV結(jié)構(gòu)及豐田Prius和本田Insight 2種車型案例[8]。綜上，將各個(gè)模塊封裝連接組成電動(dòng)汽車的整車模型，如圖1所示。

2 虛擬仿真測(cè)試分析

電動(dòng)汽車ADVISOR虛擬仿真軟件參數(shù)設(shè)計(jì)界面，如圖2所示，圖2中所示的參數(shù)界面可以通過構(gòu)建的電動(dòng)汽車模型加載數(shù)據(jù)運(yùn)行。

汽車在實(shí)際行駛過程中很難在穩(wěn)定車速下長(zhǎng)時(shí)間行駛，特別是在城市道路行駛時(shí)，電動(dòng)汽車經(jīng)常頻繁在加速、減速、怠速及停車等行駛工況來(lái)回切換[9]。不同的汽車行駛工況應(yīng)該通過實(shí)際行駛路面和交通狀況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出，能夠準(zhǔn)確反映車輛在實(shí)際使用中的工作情況。目前，我國(guó)還沒有建立用于準(zhǔn)確描述道路行駛工況的法規(guī)，所以根據(jù)我國(guó)的道路實(shí)際情況，選用常用的CYC-UDDS工況[10]來(lái)進(jìn)行測(cè)試，汽車整車性能測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可以得出：軟件中設(shè)置的電動(dòng)汽車荷電狀態(tài)（SOC）參數(shù)為 0.8～1.0；車速變化范圍在 0～90 km/h，絕大多數(shù)行駛時(shí)間內(nèi)汽車的平均速度位于0～50 km/h，說明電動(dòng)汽車能量輸出比較小，汽車動(dòng)力性不足；扭矩輸出在0～50 N·m，電動(dòng)汽車扭矩輸出比較平穩(wěn)，電池能量可以均勻消耗；功率輸出最高可以達(dá)到40 kW左右，最大功率連續(xù)輸出時(shí)間較短，說明電動(dòng)汽車蓄能能力有待于進(jìn)一步優(yōu)化和改善。因此，可以根據(jù)電池SOC狀態(tài)參數(shù)合理設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車運(yùn)轉(zhuǎn)模式，最佳利用車載能源提高電動(dòng)汽車的綜合性能，通過ADVISOR軟件可以進(jìn)一步優(yōu)化車型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。

圖4示出電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的扭矩輸出變化范圍及輸出的效率。由圖4可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000 r/min以下時(shí)，扭矩輸出恒定，有利于電動(dòng)汽車起步和怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0～2 000 r/min時(shí)，電池SOC實(shí)際工作點(diǎn)位于0.6～0.75；轉(zhuǎn)速在3 000～6 000 r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出扭矩增大，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過6 000 r/min時(shí)，電機(jī)扭矩輸出不再增加，保持恒定，此時(shí)電池SOC實(shí)際工作點(diǎn)位于0.75～0.85。因此，要滿足電動(dòng)汽車所有工況下平穩(wěn)運(yùn)行，需要合理分析電池SOC參數(shù)與電動(dòng)機(jī)扭矩輸出特性之間的變化關(guān)系。

通過上述分析可以看出，利用ADVISOR軟件建立電動(dòng)汽車試驗(yàn)平臺(tái)用于電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和設(shè)計(jì)是完全可行的，該軟件操作簡(jiǎn)單直觀，便于學(xué)習(xí)使用，而軟件中提供了豐富的車型模型和數(shù)據(jù)，有利于電動(dòng)汽車研發(fā)與設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

文章利用ADVISOR軟件建立了前向電動(dòng)汽車虛擬試驗(yàn)仿真平臺(tái)，該仿真平臺(tái)參數(shù)設(shè)置直觀簡(jiǎn)明，適合電動(dòng)汽車綜合性能的分析與測(cè)試。目前電動(dòng)汽車的能量管理與轉(zhuǎn)換是研究的熱點(diǎn)問題，通過ADVISOR軟件設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車車型為分析解決電動(dòng)汽車的能量管理與轉(zhuǎn)換提供了新的平臺(tái)和方法，有待于汽車工程技術(shù)人員進(jìn)一步研究探索。