基于Cruise和Matlab的增程式电动车联合仿真分析

尹 剑

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥 230051）

针对客车行列，由于其瞬时功率要求比较大，当今只能依靠电能来实现新能源的替换。然而，纯电动客车的驱动电池的重量非常大，一味地追求电池总容量，无疑会增大整车的整备质量，这使得瞬时所需功率也就大大增加，导致增加了电池容量而续驶里程并不乐观的现象。为了使纯电动客车的续驶里程有明显增加，以满足大续驶里程的要求，增程式纯电动客车的出现也就理所当然了。

1 增程式纯电动客车的控制原理

增程式纯电动是在纯电动的基础之上，增加一个发电组合实现的。由于在车辆行驶过程中，开启发电组合可以减小电池同等行驶条件下需要提供的电流，这就延长了电池的放电时间，使整车续驶里程大大增加。其中发电组合的开启时间依据于需要行驶的里程和电池的剩余SOC。其最佳的情况是：里程需要的电量=发电组合发电量+电池剩余电量[1]。

由于某车的发电组合的发电功率只有34 kW，所以单独发电组合工作并不能驱动整车行驶，这就要求发电组合的工作需与电池供电同步，即发电组合需要补电的电量必须在电池电量耗尽前补完，这样才能保证整车达到规定的续驶里程[2]。要保证电池补电在电池电量耗尽前补完，则需要估算每公里电耗、平均车速以及已行驶公里数。其计算原理如图1所示[3-4]。

通过以上模型，可以知道电池剩余电量可维持时间T1，以及达到目标里程发电组合需要补电时间T2。由T1和T2的大小，可以通过仪表提示驾驶员开启发电组合，以保证补电时间。

2 增程式纯电动客车的性能仿真

2.1 Cruise模型搭建

增程式纯电动客车的Cruise模型如图2所示。其中发电机模块表示的就是发电组合，它与整车其它模块没有硬性连接，只有电气连接。由图2中分割线以下的信号连接可知，发电机的开启信号来源于Matlab API模块的Generator Switch（图2下方分割线以下深色部分）。

2.2 Cruise仿真参数设置

1）发电机组合模块参数。发电机的配置参数主要有发电机的转动惯量、工作内阻、工作电压、转速-电压关系、万能曲线图[5]。

2）电池模块参数。电池模块的配置参数主要有充电特性曲线和放电特性曲线，这两个过程是相反过程，但是电池的SOC具有稍微的差别。

3）电动机模块参数。电动机的配置参数主要有电动机的扭矩-转速特性曲线图、电动机的效率曲线图[5]。

4）驾驶室模块参数。驾驶室的配置参数主要有油门踏板开度与角度的关系特性（油门踏板反应的扭矩在控制策略中计算）、制动踏板开度与制动力的关系特性。

5）附属耗能模块参数。附属耗能模块主要包括风扇、水泵、打气泵以及转向泵等小功率器件模块。在仿真中，直接把这些模块归于一个耗能电阻，阻值是依据总的功率和工作电压来计算得到的[6]。

6）控制策略。图3是用MATLAB搭建的该增程车的控制策略。该策略中除了包含电动机的扭矩控制外，还包括SOC的管理，实时监控平均车速、每公里电耗、剩余续驶里程以及发电机组需要补电量等参数，以便实现完成目标续驶里程后的电池剩余电量用完的理想状态[7-8]。

2.3 性能仿真

1）整车主要参数。整车外形尺寸的长×宽×高：12 000 mm×2 550 mm×3 300 mm；电池容量：500 A·h；电池电压：600 V；发动机补电功率：34 kW/h，平均车速40 kW/h；电池的输出效率：85%；迎风面积 A：6 m2；迎风阻力系数：0.6；轮胎滚动半径r：0.465 m；汽车总质量m：18 000 kg；传动系速比 ig：5.63；传动系效率 ηt：0.95；辅助系统功耗 Pt：2 kW/h；电机额定功率 Pe：100 kW；Tm电机最大扭矩：2 400 N·m；电机最高转速 nm：2 700 r/min；电机效率 η：0.88；滚动阻力系数 f：0.015[4，9]。

2）爬坡性能。仿真测试增程车的爬坡性能仿真得知，仿真车辆的爬坡度为16.28%左右（最大扭矩点2 400 N·m）。根据理论最大爬坡度理论公式Ttqigioηt/r=mgf cosαmax+mg sinαmax，可计算出该车的最大爬坡度为16.7%，仿真与理论计算比较吻合[10-11]。

3）加速性能。仿真采用的是满载18 t全加速条件。仿真得知加速到50 km/h需要18 s左右，加速到80 km/h需要31 s左右。

4）续驶里程。仿真是假设发动机燃油足够，电量SOC初始为95%，放电到SOC为15%结束的条件下实现的。仿真得出续驶里程为399.96 km。

根据增程车续驶里程理论计算公式：

式中：E表示电车电能；v表示平均车速；p0表示平均每公里电耗；pg表示发动机补电功率。由此算出S=397 km，与仿真结果基本相近，理论值偏小，是因为在取行驶时间时省略了所充电电能维持的时间[9-10]。

3 结束语

本文论述了采用Cruise和Matlab对增程式电动客车进行联合仿真。根据仿真结果与理论计算的结果显示，这种仿真的真实度很高，完全可以作为对增程式电动客车的各种性能仿真预算，为汽车各部件的选配起到指导作用[12]。

[1]蔡兴旺.汽车构造与原理[M].北京：机械工业出版社，2010.1.

[2]于群.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011.5.

[3]张志涌.精通MATLAB R2011a[M].北京:北京航空航天大学，2011.

[4]宋阳见.汽车电器构造原理与维修[M].北京：北京大学出版社，2009.8.

[5]陈波.汽车构造[M].北京:北京理工大学出版社，2011.6.

[6]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2009.6.

[7]王中群.Matlab建模与仿真应用[M].北京：机械工业出版社，2010.10.

[8]周品.Matlab数学建模与仿真[M].北京：国防工业出版社，2009.4.

[9]王园.基于CRUISE的PHEV控制策略参数仿真[J].重庆大学学报，2006，29（12）

[10]王锐.基于Cruise的整车动力性能仿真分析[J].车辆与动力技术，2009，（2）

[11]王保华.基于CRUISE的汽车建模与仿真[J].湖北汽车工业学院学报，2005，19（2）

[12]徐中明，胡康博，张志飞，等.基于Adams和Matlab的汽车EPS控制联合仿真[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2010，（10）：7-12.