基于AMESim的纯电动汽车动力性能仿真

陈凯华　高钦和

摘 要：纯电动汽车研发需要多领域建模仿真工具支持。文章分析了AMESim高级工程建模与仿真平台在建立多物理领域系统级模型方面优势，在AMESim中以图像化建模方式搭建了纯电动汽车整车模型，主要包括电池组、动力系统、控制器及行驶工况等模型，并对该模型进行动力性能仿真。仿真结果表明该纯电动汽车模型具有较高的精确度和较短的建模周期，能够为纯电动汽车的研制提供参考。

关键词：AMESim；纯电动汽车；动力性能；仿真

引言

电动汽车是一个复杂的系统，它集成了多个子系统如车身、电力驱动、能源及能量管理等。电动汽车技术涉及多个学科领域，包括电力电子学、机械动力学工程、控制理论和化学等，在开发电动汽车初期，采用计算机建模与仿真的方法可以有效降低研发成本与缩短研发周期[1]。

AMESim是一种高级工程建模与仿真平台，它提供了一个完整的时域仿真建模环境和强大而完备的多物理领域图形化模型元件库，相对其他诸多汽车专用仿真软件如ADVISOR等，AMESim具有更强大的扩展性，且能够自动选择最优算法进行仿真计算，大大提高了建模仿真的效率[2]。

电动汽车以电能作为驱动能量，因其零排放，零污染的优势使其成为开发和研究绿色汽车的主流。用于发电的一切能源都可以作为电动汽车的使用能源，摆脱了对石油资源的依赖，从而缓解了日益严重的石油危机。与传统内燃机汽车相比，电动汽车虽然节能环保，但车辆的动力性能不是很好。因此，研究电动汽车的动力性能十分必要[3]。

1 纯电动汽车整车仿真模型

纯电动汽车整车模型由电源、电机、控制单元、变速及减速单元、车辆、模拟驾驶等子系统模型组成，仿真模型如图1所示。

主要子系统模型描述如下。

1.1 电源模型

当电机的电功率Pelec大于损失功率Plost时，电机处于电动机模式；当电机的机械功率Pmec大于损失功率Plost时，电机处于发电机模式。

1.3 控制单元模型

控制单元模型负责接收来自模拟驾驶模型的信息（加速、制动命令）以及电机模型的信息（速度）并进行分析计算，以实现电池能量消耗的最小化。当模拟驾驶发出刹车的命令信息时，控制单元发出指令使电动机可以作为发电机在制动的同时给电池充电。

同时该控制单元模型也接收来自车辆、电池的信息，文章采用的控制单元模型为不带优化的基本模型，用户可根据需要对其改进并创建一个新的控制单元。

1.4 模拟驾驶模型

模拟驾驶模型是在汽车整车仿真过程中模拟驾驶员操作的模型。在汽车行驶过程中，驾驶员的操作习惯是影响汽车行驶性能的一个重要因素。文章采用AMESim自带的模拟驾驶模型，该模型接收车辆速度信息，发出加速/减速的命令信息。加速与减速控制各有三种预设，分别是：预设值加速度控制、线性加速度控制和积分增益加速度控制。

1.5 车辆模型

车辆模型是一个有恒定负载，采用前后轮轴建模的模型。用户可以选择两个车辆配置：

（1）路：主要考虑滚动摩擦，道路坡度和空气动力阻力；（2）压路机试验台：用户定义的滚筒试验台摩擦系数。

此外，用户可以选择两个纵向滑动的配置：（1）没有滑动：轮胎和地面之间的滑动；（2）有滑动：用户定义的轮胎纵向滑移参数。

当选择“道路”选项时可进行风速的设置与道路坡度的设置。

用户必须设置以下参数：（1）车辆初始条件：初始线性速度（米/秒）和位移[m]的车辆；（2）车辆配置：道路或滚筒试验台；（3）纵向滑动配置：没有/有滑动；（4）汽车质量总量（吨）和前后车轴之间的质量分布（%）；（5）制动系统特点：最大制动力矩在前后轮轴（Nm）等。

2 仿真与分析

2.1 NEDC工况仿真

纯电动汽车的能耗仿真计算使用的道路循环工况为新欧洲标准行驶循环NEDC工况。整个循环由4个城区循环和一个城郊循环组成，总里程11km。纯电动汽车的主要参数如表1所示[4]。

将表1给出的车型参数带入模型中，并选择NEDC工况作为模型输入进行仿真。

2.2 仿真结果图与分析

如图2所示为一个NEDC工况循环中模型参数变化曲线。

由图2（a）所示的速度-时间曲线可看出，模型运行结果与工况数据基本吻合，跟随特性较好。图2（b）和图2（c）所示的电动机的转矩与旋转速度曲线可看出，电动机的有效转矩曲线与控制单元输出的计算转矩曲线基本吻合，跟随特性也比较好；同时电动机旋转速度曲线与图2（a）中车辆速度曲线是成比例的。由图2（d）所示的司机制动命令信号曲线与控制单元制动命令信号曲线可看出，当司机产生制动命令时，控制单元接收该命令信号，并使用该命令信号曲线的一部份对电动马达进行控制，使其对电池组进行充电，从而实现了一部分有效制动。

3 结束语

文章基于AMESim建立了一个纯电动汽车整车模型，并使用NEDC工况进行了动力性能仿真，仿真结果较为理想，达到预期目的。采用AMESim平台搭建的模型具有建模周期短、模型出错率低等优点，但不足之处在于AMESim元件模型的修改重用很困难，仅能从有限的子模型中选择使用，改进的方法即是采用陈述式建模语言Modelica进行二次开发。

参考文献

[1]伍庆龙，刘忠途，宗志坚.基于ADVISOR的纯电动汽车动力性能仿真[J].轻型汽车技术，2010（10）：13-16.

[2]周爱国，王闻莉，陆亮，等.基于AMESim中Modelica模块的汽车电动助力转向系统仿真[J].机床与液压，2011（6）：91-94.

[3]王兴，秦东晨，裴东杰.电动汽车动力性能仿真分析[J].机械设计与制造，2012（12）：114-116.

[4]陈业函，熊会元，宗志坚，等.基于Dymola的ECUV纯电动汽车能量流仿真[J].计算机工程与设计，2011（12）：4241-4245.