基于Matlab/GUI的增程式商用汽车动力性经济性仿真平台设计

贺伊琳，茹　强，赵　轩

（长安大学　汽车学院，陕西　西安　710064）

He Yilin，Ru Qiang，Zhao Xuan



基于Matlab/GUI的增程式商用汽车动力性经济性仿真平台设计

贺伊琳，茹强，赵轩

（长安大学汽车学院，陕西西安710064）

He Yilin，Ru Qiang，Zhao Xuan

摘要：随着电动汽车技术的进步，电动商用汽车也走进了人们的生活，然而受电池技术的制约，纯电动汽车的续驶里程不能达到理想要求，这对承担一定运输任务的商用汽车的发展产生了较大负面影响。针对国内外电动商用汽车技术现状和需求之间的矛盾，增程式电动商用汽车的开发与研究受到了高度重视。针对增程式电动商用汽车，在Matlab/GUI软件环境下设计了一套动力性和经济性分析平台，可方便地对其动力性和经济性进行分析，直观地展现汽车的设计参数和使用条件对动力性和经济性的影响，从而改进设计，提高汽车性能。

关键词：增程式电动汽车；商用汽车；动力性；经济性；Matlab/GUI

0　引　言1

汽车的动力性与经济性是评价其性能好坏的重要依据，因此动力性和经济性模拟计算与仿真分析是汽车设计与优化过程中的关键步骤。增程式电动汽车的结构与控制系统比纯电动汽车复杂，且商用车质量与尺寸较大，进行实车性能道路试验需耗费更多的人力、物力和财力，同时考虑到道路和环境条件不能达到理想状态，且驾驶员的主观因素会对试验结果造成一定影响[1]。因此，基于建立的汽车动力性和经济性计算模型，在Matlab/GUI软件环境下开发增程式商用汽车动力性和经济性计算与评估系统，为增程式商用汽车匹配设计和系统优化提供了准确、快速、有效的模拟分析平台。

1　增程式商用汽车的系统构建

增程式电动商用汽车是电动商用汽车的一种，其动力系统主要由动力电池、辅助动力系统（APU）、驱动系统和整车控制器等组成。其上安装有增程器，具有车载供电功能，在动力电池电量不足时启动工作，从而驱动电机，或给动力电池充电，延长续驶里程，实现增程目标，整车工作模式分为纯电动模式和增程模式。增程式商用汽车的动力传递路径如图1所示，其中，黑色箭头代表电能，白色箭头代表机械能。

图1　增程式商用汽车的动力传递路径

与传统汽车相比，增程式电动商用汽车的节油率可达50％以上。由于增程式商用车所匹配的发动机仅用于发电，启动工作时，发动机以最佳转速持续工作，输出的功率和扭矩也基本恒定，因而其效率和排放也处于较好状态。除此之外，由于配有动力电池，增程式商用汽车可在一定范围内以纯电动模式行驶，有效回收车辆制动时的能量，提高能量利用率。同时，电池组能提供足够的电功率帮助电动机驱使车辆启动、加速和爬坡，从而避免了类似常规汽车发动机启动时过载行驶情况的出现[2]。

增程式电动商用汽车与普通混合动力商用汽车相比，具有更好的燃油经济性和排放性，与纯电动汽车相比，提高了续驶里程，因此，这对于有运输任务的电动商用汽车而言，可靠性和商业化程度有了很大的提高，且增程式电动车没有发动机与传动系统的直接耦合，结构较简单，仅由增程器、电池、驱动电机和控制器组成，易于实现设计模块化和生产系列化。

2　增程式商用汽车的性能指标模型

2.1动力性模型

增程式商用汽车动力性分析主要包括最高车速、最大爬坡度和加速时间。

最高速度是指在良好的水平路面上汽车能达到的最高行驶车速。电机是增程式电动商用汽车运行时的直接动力源，因而电机的参数指标与实际所能达到的最高车速直接相关[3-4]。

由电机最高转速确定的最高车速vmax1为

由电机最大功率确定的最高车速vmax2为

式（1）中，nmax为电机最高转速，r为轮胎半径，ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比；式（2）中，Pmax为电机最大功率，m为汽车质量，η为传动效率，f为滚动阻力系数，Cd为空气阻力系数，A为迎风面积。

综上，设计车型的实际最高车速vmax为

增程式商用汽车的加速时间也是表征动力性的指标参数，根据汽车理论，汽车在良好平整公路上的行驶方程式

式中，u为车速，δ为旋转质量换算系数。

由式（3）可得汽车的加速时间

汽车的爬坡能力也是评价动力性的重要指标之一，用最大爬坡度表示。计算最大爬坡度时，忽略加速阻力，其行驶方程式为

换算可得最大爬坡度为

2.2经济性模型

电动汽车的经济性指标可用续驶里程表示。对于增程式商用汽车，包括纯电动模式续驶里程和增程式模式续驶里程2部分。

纯电动续驶里程取决于动力电池的容量，在理想条件下，纯电动续驶里程可通过式（8）计算得出其中，W为电池总放电量，u为车速，η为电机和控制器的效率，P为需求功率

整理得

其中，DOD为蓄电池放电深度，u为平均车速，ηt为传动系效率，ηmc为电机工作点效率。

增程模式续驶里程取决于增程器连续工作的程度，此时即为油箱容积。增程模式下的续驶里程可以表示为

3　增程式商用汽车的仿真平台设计

3.1动力性分析平台设计

动力性分析平台主要完成对车辆最高车速、加速时间和最大爬坡度的仿真，点击动力性分析主界面右下角“动力性计算指标”按钮，右侧计算结果区则显示出相应指标值。除此之外，为了完善分析过程，为用户提供更多参考依据，还设有表征汽车动力性的曲线，包括驱动力—行驶阻力平衡图、爬坡度图和加速度曲线图，能够更加直观地表明汽车行驶时的受力情况、各挡位爬坡能力与加速能力。由于所绘制图形种类很多，为了操作方便，将若干绘图按钮制成一个popupmenu控件，放在界面左下方，在此进行绘制曲线名称和挡位的选择[5-6]。

根据前述动力性计算模型，需要在计算前对整车质量、迎风面积、滚动阻力系数、空气阻力系数等整车参数、电机参数和传动系统参数进行设置。为了简化主页面，在主界面菜单栏中设计对应的链接按键，点击则可进入参数设置界面。图2为某增程式商用车的传动系统参数设置界面，输入和计算出的参数通过global类型变量进行传递。

图2　传动系统参数设置界面

图3为对该车型进行动力性分析的结果，由图3可知，该车最高车速为100.8km/h，0到100 km/h加速时间为14.7s，在15km/h的速度下的最大爬坡度为31.6％。

图3　动力性分析主界面

为观察各个挡位曲线的特点和所有曲线中的位置走向，绘制该车型所有挡位的驱动力—行驶阻力平衡图，如图4所示。

图4　所有挡位下驱动力—行驶阻力平衡图

3.2经济性分析平台设计

经济性分析平台主要完成对纯电动续驶里程和增程式续驶里程的仿真。纯电动续驶里程的大小标志着该汽车的环保程度，同时又与国家补贴程度密切相关；增程式续驶里程则直接影响商用车承担运输任务的能力。

在经济性分析的主界面中，由用户指定某一平均车速，即可计算出相应续驶里程。为了直观地展现续驶里程随车速变化的情况，经济性分析平台能够绘制续驶里程与平均行驶速度的关系曲线。除此之外，为了提高分析的准确性与全面性，还可实现电池的容量特性图、电机电流与车速的关系图。某车型的经济性分析主界面及纯电动续驶里程与速度关系如图5、图6所示。

图5　经济性分析主界面

图6　纯电动续驶里程与车速关系

由图5可知，该增程式商用汽车以50 km/h的平均速度行驶，纯电动续驶里程为131.4km，增程式续驶里程为236.0km。通过菜单栏中的参数设置链接进行仿真参数的设置，考虑到动力电池电量与放电电流有关，同时放电电流随车速、滚动阻力系数、传动比、电机特性等一系列因素变化，因此要对整车、动力电池、变速器、主减速器以及电机参数进行设定。在增程模式下，增程器将影响增程续驶里程，还需设定增程器中发动机参数以及油箱容积、燃油密度。由图6可以看出在纯电动模式下不同车速所对应的续驶里程，继而得出经济车速为58km/h，最长续驶里程为118km。

4　结束语

1）以Matlab/GUI为平台设计了增程式商用汽车的动力性和经济性分析软件，用户界面包含窗口、图标和菜单等图形和文本对象，将抽象的动力性经济性计算转化成图形，增加了数据处理的可视化程度。

2）软件运算速度快、精度高，输出曲线光滑，能够为增程式商用车的设计与测试提供快捷有效的理论分析与仿真方法，是设计与优化的重要参考依据。

3）可根据需要对平台进行扩展与移植，从而建立可控、可知、可修改的增程式商用车动力性和经济性仿真平台，适用于不同车型的分析，为用户提供良好的人机交互工具和方法。

参考文献

[1]郑清平，陈静.汽车动力性和经济性模拟计算[J].汽车科技，2004（1）：26-28.

[2]胡明寅.增程式电动车动力系统设计及能效优化研究[D].北京：清华大学，2011.

[3]周胜.纯电动汽车动力性经济性分析[D].长沙：湖南大学，2013.

[4]刘玉波.一汽某轿车动力性经济性仿真研究[D].长春：吉林大学，2008。

[5]游彩霞，李德辉，张婷，等.基于Matlab的汽车动力性GUI界面开发[J].交通标准化，2014，42（22）：79-83.

[6]成钦，徐达伟，田韶鹏，等.汽车动力性和经济性的计算机仿真[J].汽车工程师，2009（7）：30-35.

收稿日期：2015−09−21

文章编号：1002-4581（2016）01-0010-04

基金项目：国家自然科学基金（51507013）；中央高校基金（310822151025）。

中图分类号：U469.72：TP391.9

文献标志码：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.003