基于Simulink的CVT电动汽车整车建模与仿真

李骏 聂昕 于祥珍

（1.东风柳州汽车有限公司；2.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室）

环境污染与资源短缺是汽车行业面临的最大问题，新能源汽车可解决这一问题。无级变速器（CVT）可拥有无穷个挡位，这样能够极大地提高能源利用率，同时也能够提高排放的清洁性，同时由于是自动控制，CVT不需要人为的换挡，操作简单高效。综合来说，电动汽车与金属带式无级变速器CVT都是具有很好的发展前景，将二者很好的结合将进一步发挥他们的优势，使汽车节能环保，降低污染。采用Simulink软件能实现装载CVT的纯电动汽车的仿真，Simulink通过给予一个开放平台，通过已有的模块以及自定义模块的组合，在满足事实条件下，模拟出汽车的控制策略实现过程以及汽车的动力性表现等。

1 整车建模

1.1 整车建模依据

在ECE工况和匀速工况下，以汽车理论为基础，仿真汽车模型，计算汽车动力性参数。基本过程是，在驾驶员模型中，主要依靠PID参数调节驾驶员模型，驾驶员模型输出踏板开度后，在ECU模型中，经过特定算法，得到目标转矩发送给电机模型。在电机模型中，根据式（1）[1]得到转矩、转速及功率的关系。同时结合散热控制模块，电池信号输出电机转矩给CVT模型，CVT模型接到电机的转矩后，同时收到转速的信号，经过ECU判断信号后，进行速比调节，然后输出转矩给车身模型[2]，依据式（2）得到驱动力，根据式（3）计算得到汽车的加速度，经过积分后得到汽车的车速，反馈给各个模块后进行实时控制[3]。

式中：Pe——发动机功率，kW；

Ttq——发动机转矩，N·m；

n——发动机转速，r/min；

Ft——汽车驱动力，N；

Tt——作用于驱动轮上的转矩，N·m；

r——驱动轮半径，m；

ig——变速器的速比；

i0——主传动比；

ηm——传动效率；

G——汽车重力，N；

f——滚动阻力系数；

CD——空气阻力系数；

A——迎风面积，m2；

v——车速，m/s；

i——坡度；

δ——旋转质量换算系数。

1.2 整车Simulink模型

整车模型[4]主要包括驾驶员模型、电机与电池模型、CVT模型、动力方程模型及ECU模型等。无级变速传动系统控制示意图，如图1所示。

图1 无级变速传动系统控制示意图

1.3 整车参数

整车模型中，电池组参数为30组，单体电压为3.4 V，90 A·h。其余具体参数，如表1所示。

表1 装载CVT电动汽车模型各项参数表

2 仿真结果分析

2.1 ECE工况下汽车加速能力仿真与分析

ECE工况下装载CVT电动汽车速度仿真结果与实际对比，如图2所示。对比城市循环速度曲线和仿真曲线可知，目标车速和实际车速的变化过程基本一致。

图2 装载CVT电动汽车速度仿真结果与实际对比图

ECE工况下装载CVT电动汽车转速仿真，如图3所示。与图2对比分析，转速变化符合行车规律，因此，电机模型比较成功。

图3 装载CVT电动汽车转速仿真图

汽车的速比变化，如图4所示。速比变化与实际情况比较吻合，CVT的模块验证较为精确。

图4 装载CVT电动汽车速比仿真图

汽车实际功率情况，如图5所示。波形基本与实际车速波形吻合，功率的上升情况与速度的上升情况一致。由于实际车速在速度波峰时与目标车速基本接近，在接近区域时，功率有一定的稳定状态，符合功率的发出规律。

图5 装载CVT电动汽车实时功率图

汽车的加速踏板与制动踏板的开度情况，如图6所示。在汽车的加速与减速区间，踏板开度比较理想。

图6 装载CVT电动汽车加速踏板与制动踏板开度图

总的来说，以ECE工况为输入信号时，汽车的仿真结果比较接近真实情况，汽车的加速能力与制动能力均表现良好，各个参数指标都很正常。仿真结果说明装载该款电机时，以同参数为基础的车型可以适应ECE城市工况需求[5]。

2.2 50 km/h匀速工况下加速时间与续驶里程仿真与分析

50 km/h匀速行驶是纯电动汽车比较常见的城市行驶工况，在50 km/h的匀速状态下可以比较真实的反应汽车的续驶里程。在仿真模型中，输入车速信号50 km/h，输入仿真时间5 000 s。仿真结果，装载CVT电动汽车目标车速与实际车速仿真比较，如图7所示。装载CVT电动汽车电池剩余电量比值，如图8所示。

图7 装载CVT电动汽车目标车速与实际车速仿真比较

图8 装载CVT电动汽车电池剩余电量比值图

根据图7，仿真时间在4 500～5 000 s时，汽车停止。结合图8可以看出，在电量剩余30%的时候，电量下降速度开始变缓；结合图2说明ECU的控制模块已经将最大功率限制在了2.5 kW，ECU控制模块和电池模块均仿真正常。

装载CVT电动汽车续驶里程放大图，如图9所示。根据动力方程模块，在4 703 s时，停止仿真，此时汽车的行驶里程为6.034 8×104m，即续驶里程大致为60.34 km，与一般纯电动汽车的续驶里程接近，验证了电池控制是基本正确的，进一步验证了模型的准确性。

图9 装载CVT电动汽车续驶里程放大图

计算电动汽车的最高车速与加速能力，其仿真的基本思路是，输入一个较大的目标车速信号，这样汽车就会以最大的油门踏板开度即最大的加速度进行仿真，具体输入信号可设为200 km/h的信号，仿真结果，如图10所示。汽车在额定功率为11 kW和最高转速为6 000 r/min下的最大行驶车速为78 km/h。从图10可以看出，汽车的0～50 km/h加速时间为8.99 s，加速度基本能够满足平常的出行需求。

图10 装载CVT电动汽车车速放大图

3 结论

以Simulink软件为基础，通过建立整车的系统动力学模型，进行ECE工况和匀速工况下的整车性能仿真。仿真结果比较真实，符合纯电动汽车的基本数据，CVT控制比较合理。得出装载CVT的纯电动汽车0～50 km/h的加速时间为8.99 s，加速度基本能够满足平常的出行需求。在电机额定功率为11 kW，最高转速为6 000 r/min的条件下，得到汽车的最大车速为78 km/h，完全能够胜任所有的城市工况。当汽车以50 km/h从原地起步并保持匀速行驶状态时，汽车的续驶里程为60.34 km，基本符合正常电动汽车的续驶里程大小，比一般的纯电动汽车续驶里程略长，可以保证在一般的城市工况行驶。

通过仿真和分析可以看出，装载CVT的纯电动汽车，不论在动力性还是经济性上都有良好的表现，未来的汽车发展方向必然还是纯电力驱动方向。而仿真的结果也充分说明了CVT能够很好地运用到电动汽车上，由此不难想象，在未来的汽车领域，搭载CVT的电动汽车将会有一定的竞争力。