基于Cruise纯电动轿车动力学仿真研究

基于Cruise纯电动轿车动力学仿真研究作者：武汉理工大学杨超张华摘要：与传统的燃油汽车相比，电动汽车具有节能、环保的优点，使其成为未来汽车产业发展的趋势。在与浙江众泰合作开发的“众泰2008”纯电动轿车的前期开发过程中，对其动力系统及其关键部件进行了建模和动力学仿真，对动力性能和工作过程的仿真结果进行了分析，为下一步实车的开发提供了参考。

主题词：纯电动轿车，动力系统，研究

随着能源和环境对人类生活和社会发展的影响越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声也日益高涨，各种电动汽车也应运而生。纯电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，是目前最环保的车型。在研究和开发电动汽车的部件和选择最佳结构时，为缩短开发周期，降低开发成本，缩小研究范围，找到技术的突破口，特别是在技术方案的选择阶段，在系统和关键部件的选择上，可依靠高效的计算机对系统和关键部件进行建模，通过使用待选的系统和关键部件进行模拟仿真，从而找到最佳方案。

一、仿真系统和仿真软件

在仿真系统的选择中，要遵循以下目标，一是精确，能够使不同结构的动力传动系统间的比较具有意义；二是快速，快速进行汽车分析和空间研究设计，例如对多维变量参数的研究和优化等；三是灵活，对不同控制策略和结构组成的汽车进行评价；四是实用，针对各种车型建模，例如，包括传统汽车、电动汽车、串联式和并联式混合动力汽车等。

Cruise是研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的高级模拟分析软件。它可用于汽车开发过程中的动力和传动系统的匹配、汽车性能预测和整车仿真计算；可以进行发动机、变速器、轮胎的选型及其与车辆的匹配优化；可以用于混合动力汽车、电动汽车的动力、传动及控制系统的开发和优化。

Cruise是基于全面满足汽车开发全过程要求的思想而设计的。它具有以下特点：（1）模块化的概念可进行各种汽车和动力总成配置的分析；（2）智能化的司机模型根据人体反应真实地再现车辆的行为；（3）发动机的冷启动模型考虑了高等摩擦和热力学效应；（4）黑盒子功能可嵌入用户自定义的模块和控制算法；（5）具有一维流体动力学软件Flowmaster和KULI接口；（6）具有MATLAB/SIMULINK接口。

二、利用Cruise动力系统及其部件建模

（一）动力系统建模

Cruise采用了图形化的用户界面，用户可以在已有的模块箱（主要包括汽车、离合器、变速器、发动机、电机、控制器、特殊模块、轮胎等）中选取合适的模块拖放到Cruise的工作区，然后连线建立各模块之间的联接，包括信号、机械、电子和排放连接。各个模块仿真参数的设置可以通过Cruise的参数设置窗口来完成，对一些特性复杂的模块（如电动机），可以在参数设置窗口通过编辑图表曲线建立曲线图来实现参数设置。电动车的动力系统是电动汽车的核心，包括驱动电机、动力电池等部件。

（二）电池及其建模

电池是制约电动汽车发展的关键因素，目前可采用的电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池等。铅酸电池虽然比能量比较低，但其技术可靠，生产工艺成熟，成本低（低于所有其他的二次电池），拥有适合电动汽车使用的良好的大电流输出性能以及多种型号和尺寸。考虑到整车的成本，选用了大容量免维护铅酸电池作为电动车的动力源。电池是非线性的动力学系统，其内部电化学过程是一个对环境敏感的复杂的非线性过程。对于某一类型的电池，通过充放电试验和理论分析，可以用一个近似的模型来描述其工作过程与特性。在Cruise中，根据电池建模的参数做出电池的SOC与电池电压之间的关系曲线，SOC值的大小直接反映了电池所处的状态，由此可限定电池的最大放电电流，并可在仿真过程中更精确地计算各种功况下电动车的续驶里程。所选用的电池在试验室经过不同状态下的充放电试验，根据在试验中测得电池电压、电流、放电时间等参数推断出SOC与电压的关系。根据各节电池的SOC值，可以识别电池组中各电池间的性能差异，依此进行均衡充电，保持电池性能的均匀性，最终达到延长电池寿命的目的，也为下一步做出电池管理系统奠定了很好的基础。

（三）电机及其建模

电机是电动汽车的驱动单元，它的技术性能直接影响车辆运行的动力性和经济性，所以选择符合电动汽车运行的电机，最基本的要求是低阻高效、调速变矩性能好、过载能力强，以适应电动汽车频繁启动和功率变化大的使用要求；在运行的全部速度范围和负载范围内，具有较高的效率，以尽量提高电动汽车一次续驶里程；此外，要求电机的结构尺寸小，重量轻，便于安装，无驱动噪声。

电动机的建模基础是电机的电压、转矩、功率的平衡方程和运行特性方程。模型的正确性要看其是否符合上述基本的数学关系，精确性则要看模型是否全面正确考虑到实物运行特性的影响因素。建模过程要考虑电机性能限制与电机内的热交换，此外还要考虑不同类型电机所具有的特性。在Cruise中，电动机的参数设置定义了电机各种工作过程状态下的转速、转矩、效率的map图；以及电动机的性能参数，如最大电压、最大电流、质量及转动惯量等。在仿真分析运行过程中模型利用插值计算的方法，调用数据文件以实现电动机的工作过程仿真。通过电机台架试验得到电机的map图，如图1所示。三、仿真及结果分析

（一）定义计算任务

根据纯电动汽车研发的目的和要求，选择和编辑相应的任务及工况，设置合适的仿真步长和精度进行仿真计算。设定的计算任务为：最高车速、最大爬坡度、加速性能、工况行驶和续驶里程。

（二）仿真结果分析

在仿真运行过程中，通过实时曲线监视汽车模型中的各参数值，如汽车速度、电机转速、电池容量等。并能够在发现异常时，及时中断或结束仿真，实现对仿真的全程控制。加速性能仿真结果如图2所示，图3为爬坡性能仿真结果，从两图中可以得到汽车的动力性能，各项指标均满足预定的要求，见表1。以广州市区工况下电动汽车的车速、电流、电压和SOC等各运行参数的变化过程为例，由仿真结果得出在广州市区工况下一次充电续驶里程、电机的工作点分布和能量消耗分布，可以为电机运行高效区分布区域提出具体要求，优化整车经济性指标。

根据动力电池的截止电压，仿真得出各种车速下的续驶里程，当电动汽车以40km/h匀速行驶时，续驶里程最长，可以达到155km，图4为40km/h匀速行驶时电压、电流和SOC随时间的变化情况。四、结语

纯电动车是零排放的环保车辆