某纯电动汽车动力经济性仿真研究分析

赵小羽，袁天执，胡慧婧

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

纯电动汽车因其零排放特性而备受关注，被认为是全球能源危机的最终解决方案。然而，续驶里程不足这一技术问题极大地阻碍了纯电动汽车的大规模应用。为了解决这一问题，迫切需要开发简单、准确的电动汽车整车仿真模型以便在整车设计开发阶段进行动力系统选型。截止目前为止，大部分的纯电动汽车整车仿真模型均将电机效率作为一个固定值作为输入进行仿真，严重影响了其结果的准确性。本文以某纯电动汽车作为研究对象，利用Matlab/Simulink建立整车仿真平台，充分考虑整车性能参数对仿真结果准确性的影响，对其动力性及经济性进行仿真。

1 仿真模型建立

本文采用Matlab/Simulink对某纯电动汽车的动力性、经济性进行仿真，并与实测结果进行对比，以验证仿真结果的有效性。

某纯电动汽车的技术参数如表1所示[1]。电机标称性能曲线如图1所示[2]。

表1 某纯电动汽车的技术参数

图1 某纯电动汽车的电机标称性能曲线

2 整车动力性仿真

整车动力性包含3个指标：汽车的最高车速Vmax，汽车的加速时间t，汽车的最大爬坡度Amax。

2.1 汽车最高车速

式中：nmax—电机峰值转速；r—车轮半径；β—总传动比。

计算得到汽车的最高车速Vmax为147.76 km/h，与实测值150 km/h基本一致。

2.2 汽车加速时间

汽车的行驶阻力包括空气阻力Fad、滚动阻力Frl及坡道阻力Fhc。本文计算平地上的整车加速时间，故坡道阻力Fhc可忽略不计。因此，汽车的驱动力即为电机提供的牵引力Fte与行驶阻力的差值：

式中：me—整车动力学质量，本文取me=1.05m。

速度与加速度的关系为：

式中：a—汽车的加速度；v—汽车的速度；t—所需的加速时间。

由上述公式可建立整车加速时间仿真模型如图2所示。当汽车的速度v达到设定值时，停止仿真并获取整车加速时间如表2所示，与实测值基本一致。

在AP1化探综合异常区中，通过10-18线地物化综合剖面测量（图2），发现一条较好的相对高阻、高极化并伴有相对高的磁测异常带，长度大于800m以上，宽度在200-300 m左右，走向北东30-40°，并且化探剖面显示有强烈的Mo、Sn、Pb等元素异常。

图2 整车加速时间仿真模型

表2 某整车加速性能

若需提高整车最高车速，可使用多档变速器。以二档变速器为例，当车速小于90 km/h时，传动比为7.05；当车速大于90 km/h时，传动比为5.21。 整车加速性能仿真结果如表3所示，加速时间增大，最高车速可提高至199.95 km/h。仿真结果对比如图3所示。

表3 某整车加速性能仿真结果

图3 某纯电动汽车加速性能仿真结果

2.3 汽车的最大爬坡度

如上文所述，汽车的行驶阻力包括空气阻力Fad、滚动阻力Frl及坡道阻力Fhc。汽车的驱动力为电机提供的牵引力Fte与行驶阻力的差值：

当加速度a为0时，即可计算出不同坡度下所能达到的最高车速，如图4所示。当爬坡度为30%时，最高车速可达94.8km/h。计算车辆的最大爬坡度可采用以下公式[4]：

式中：Wmax为最大载重质量 （2041 kg）。

计算得到，对于干燥道路，最大爬坡度为23.3°；对于下雪道路，最大爬坡度为3.2°。

图4 牵引力-坡度仿真曲线

3 整车经济性仿真

整车经济性包含3个指标：能量消耗率，制动能量回收，续驶里程。

整车经济性与电池容量及SOC、驱动系统的效率、空调及PTC等负载的使用情况密不可分。因此，为了使不同工况下整车经济性的仿真结果更为准确，建立仿真模型时需将上述因素均考虑在内。整车经济性仿真模型如图5所示。

大部分研究中，通常将电机效率作为一个固定值作为输入进行仿真，未考虑其在不同转速和扭矩下的变化值，导致仿真结果存在较大误差。为了尽可能减小这一误差，本文的仿真模型引入电机的实时效率，如图6所示。

当电机驱动整车行驶时，能量的流动方向为：动力电池→电机控制器→驱动电机→传动系统→车轮。整车行驶时动力电池所消耗的能量Efuel为：

图5 整车经济性仿真模型

图6 电机效率曲线

式中：ηmotor—电机扭矩为正时的效率。

当制动能量回收时，能量的流动方向为：车轮→传动系统→电机→电机控制器→动力电池。整车行驶时动力电池所消耗的能量Eregeneration为：

式中：ηregen—电机扭矩为负时的效率。

本文选取FHDS （Federal Highway Driving Schedule）、FUDS （Federal Urban Driving Schedule）、EPA US06及EPA SC03四种典型工况作为输入以进行经济性仿真，其速度-时间曲线如图7所示。

图7 典型工况速度-时间曲线

3.1 能量消耗率

四种典型工况下的能量消耗率如表4所示。EPA US06工况下由于车速较高，导致百公里能耗达到19.1 kWh。 FUDS及EPA SC03工况下由于车速较低，百公里能耗均低于12kWh。仿真结果高于实测结果是由于未将空调及PTC等负载的使用情况考虑进去，以及制动能量回收策略与实际情况的偏差所导致。

表4 典型工况能源消耗率仿真结果

3.2 制动能量回收

在FUDS（城市）工况下，进行制动能量回收可降低32.5%的能耗，极大地提高了整车续驶里程。在FHDS（高速）工况下，进行制动能量回收可降低7.8%的能耗。

3.3 续驶里程

表5 制动能量回收仿真结果

为进行续驶里程仿真，需在模型中加入动力电池模块，如图8所示。假定动力电池SOC从1降至0时的不同工况下续驶里程仿真结果如表6所示。除US06工况以外，其余典型工况下的续驶里程均高于380km。

图8 动力电池仿真模型

表6 续驶里程仿真结果

4 结论

本文通过Matlab/Simulink对某纯电动汽车的动力性及经济性进行了仿真，并与实测值进行对比，证实了仿真模型的准确性。该仿真模型可作为纯电动汽车整车设计系统仿真的工具，为动力系统的选择、性能预测及分析提供一种手段和方法。