电动汽车仿真范文（精选12篇）
电动汽车仿真 第1篇
电动汽车集成了车身、底盘、电动机、控制装置、转向系统、制动系统、电气系统、能源、能量管理系统等, 技术涉及多门交叉学科。生产制造新车型前, 进行大量试验来比较验证确定设计方案, 能够获得准确的试验数据, 为方案的确定提供依据;但通过生产制造小批量实车来确定方案需要投入大量经费开发新模具、总成, 对整车测试试验, 耗费时间长, 大大延长了设计周期;试验将造成大量经费和资源的浪费, 尤其当试验结果需要放弃设计方案时, 损失更加严重。
仿真平台可结合某一具体车型参数、通过一系列的仿真实验给出该车型的动力学性能、能量利用率以及经济性等指标, 并进一步讨论其在特定环境下的性能效果, 如:高速/低速公路、城镇/乡村公路、特殊天气或路况环境等等。采用仿真研究方法将大大降低设计成本, 提高电动汽车设计的前瞻能力, 并能有效的缩短研发周期, 节省大量人力物力财力, 降低整个研发的综合成本。
国外电动汽车仿真软件发展较早, 在众多仿真软件中仿真效果好, 功能强大的有ADVISOR仿真软件以及PSAT仿真软件等。ADVISOR是由美国可再生能源实验室 (NationalRenewableEnergyLaboratory, NREL) 基于M atlab/Simulink软件环境下开发的汽车仿真软件, 其运算精度高, 仿真结果准确。ADVISOR能够实现对纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等新能源汽车以及传统汽车的仿真分析。
2 仿真平台主要功能
纯电动汽车仿真系统的主要功能包括:能够对纯电动汽车进行仿真测试并给出各项性能参数的仿真结果;可以针对客户需求车型进行仿真软件的二次开发;能够对现有车型进行整车优化及控制系统设计等等。
ADVISOR2.0的参数输入界面如图1所示:
该界面用于仿真初始状态的参数设定, 包括仿真过程的选择与参数给定等。通过这一界面, 可初步描述仿真过程的初始条件, 并可针对指定车型和状态的相关参数设定仿真环境。
ADVISOR2.0还可对电动汽车的运行状态进行设定, 包括驱动轮状态、行驶速度、运行状况 (城市公路/高速公路/坡路/冰雪路面) 等信息。ADVISOR2.0的仿真效果显示界面可给出仿真曲线及相关数据。通过这一界面得出给定车型在给定环境下的运行状况和性能指标。综上, ADVISOR2.0可对电动汽车进行基本性能的仿真测试, 并可通过仿真结果进一步分析出电动汽车的基本性能特点。
仿真过程还可通过前向仿真方法与后向仿真方法相结合的形式, 尽量降低仿真模型与实际车辆间的运行误差。但值得注意的是, 仿真的实质为纯数学意义上的理论计算, 其与实际存在偏差是无法绝对消除的, 因此, 可在必要时配合实车实验对仿真平台进行验证。
首先有必要对车辆参数进行设定, 其设定的准确与否将直接影响到仿真误差, 因此, 对车辆的相关参数进行科学、客观的采集与论证是非常有必要的, 同时也是仿真平台开发的基础。车辆参数主要包括:车辆本身的特性参数, 总成部件参数以及控制策略参数。对于一般纯电动汽车而言, ADVISOR2.0软件自带了一些车型的数据文件, 可为用户提供参考。
由于电动汽车的构造复杂, 相关参数众多, ADVISOR2.0软件为用户提供了模块化的仿真环境, 这样参数就可根据具体所属的模块进行设定与调整。就核心的传动系统而言, ADVISOR软件提供了“车辆模型”、“车轮模型”、“主减速器模型”、“电机模型”以及“动力电池模型”等相关模块, 其中的具体参数可以根据实际情况进行修改。然后将这些模型进行集成, 形成整体电动车的仿真模拟框图。
在参数设定及模块化集成工作结束后, 可进行整车性能测试, 主要包括:特定行驶工况下的车辆运行性能, 车辆的加速性能和车辆爬坡能力测试。
在仿真过程中可对仿真数据与实车试验数据进行对比验证, 总结有价值的数据并对参数进行反复修正。同时分析误差原因, 需要对具体部件进行实测的, 可根据实际项目需要增加实测试验。对不影响性能分析的误差项, 可通过软件编程进行补偿, 或直接做数学处理。
3 小结
电动汽车仿真软件具有总成模型化、源码开放、仿真环境可视化以及模型建立方式多样化等特点。在电动汽车前期设计中利用计算机和虚拟仿真软件建立车辆模型, 并对其系统运行状态环境进行动态模拟, 获得仿真数据, 对整车系统进行分析研究是十分必要的。
通过应用ADVISOR软件, 对客户需求车型进行仿真分析, 并合理选择整车优化方案、设计先进的控制方法, 能够大大提电动汽车的研发效率, 缩短研发周期并降低研发成本。同时, 也为开发新车型, 应用新技术提供了适合的仿真实验平台、奠定了必要的理论基础。
参考文献
[1]陈清泉, 孙逢春, 祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京理工大学出版社, 2002.
[2]张翔, 钱立军, 张炳力等.电动汽车仿真软件进展[J].系统仿真学报, 2004.
[3]秦绪鑫.基于ADVISOR的复合电源电动汽车仿真软件的开发[D].[硕士学位论文]:西安:长安大学, 2010.
电动汽车仿真 第2篇
【中文摘要】随着社会经济发展,汽车已经成为人们日常生活中重要的交通工具之一而行驶平顺性是汽车一个很重要指标,对汽车的动力性,操纵稳定性、制动性以及燃油经济性等均有影响。为提高汽车行驶平顺性,平顺性振动仿真分析以其具有的优势已成为目前一个重要研究课题。本文主要工作是基于虚拟激励法理论对1/
4、1/2及整车模型进行行驶平顺性振动仿真分析；对四种实测道路路面高程数据进行处理,并进行了道路谱分析。论文首先介绍了汽车行驶平顺性振动仿真研究意义、国内外相关研究的主要内容以及虚拟激励法在汽车行驶平顺性振动仿真研究中的应用意义；接着介绍了虚拟激励法的基本原理与特点,由虚拟激励法构造了与1/4/车辆模型、1/2车辆模型以及整车模型相对应的虚拟路面激励；分别给出了三种车辆模型的力学模型、数学模型以及模型主要具体参数；运用虚拟激励法对三种汽车模型进行了振动仿真,由得到的振动响应量的功率谱密度曲线,分析了其行驶平顺性。考虑到汽车模型振动响应量计算公式中有汽车行驶速度、路面不平度等级两参量,为分析汽车行驶速度、路面等级对振动响应量的影响,假定其中一个参量固定不变,通过改变另外一个参量值,对1/2车辆模型进行仿真,然后由仿真...【英文摘要】With the development of the social and economic, the vehicles have been one of the important means of transportation in modern time.The ride comfort is a very
important indicator of the vehicles, and it can influence the performance of the vehicle’s power, handling stability,braking and fuel economy.In order to improve the vehicle’ s ride comfort, the ride comfort simulation with its advantages has become an important research topic.The ride comfort simulation and analysis of 1/4 vehicle model,1/2 veh...【关键词】汽车模型 行驶平顺性 振动 虚拟激励法 功率谱密度 【英文关键词】Vehicle model Ride comfort Vibration Pseudo Excitation Method PSD 【目录】虚拟激励法下汽车行驶平顺性振动仿真分析4-6Abstract6-7
10-11
第1章 绪论10-19
摘要1.1 汽车行驶平顺性研究意义究意义1111-1717-18
1.2 汽车行驶平顺性振动仿真研1.3 汽车行驶平顺性振动仿真研究内容1.4 基于虚拟激励法的汽车行驶平顺性振动仿真意义1.5 研究内容与主要工作
18-1919-27
第2章 虚拟激2.1 虚拟激励法励法基本原理与虚拟路面激励的构造平稳激励基本原理20-21
19-22
2.1.1平稳单点虚拟激励法
21-22
2.2 虚拟路2.1.2平稳多点虚拟激励法面激励的构造22-262326-27模型27-29
2.2.1 单点虚拟路面激励
2.3 本章小结
3.1 1/4汽车3.3 整车模型2.2.2 多点虚拟路面激励23-26第3章 汽车振动仿真模型
27-34
3.2 1/2汽车模型29-31
31-333.4 本章小结33-34第4章 汽车振动仿真响应量计算分析34-47量功率谱密度34-37应量功率谱密度37-42应量功率谱密度42-46
4.1 1/4汽车模型系统频率响应与振动响应4.2 1/2汽车模型系统频率响应与振动响4.3 整车模型系统频率响应与振动响4.4 本章小结46-47
第5章 非平稳随机振动激励下汽车振动仿真47-53动系统瞬态空间域频响函数47-49的功率谱密度函数结52-53不平度53-54
5.1 车辆非平稳振
5.2 空间域下振动响应量
5.4 本章小6.1 路面6.3 路面
5.3 仿真结果49-52第6章 路面不平度数据处理53-69
6.2 路谱采集设备简介54-55
6.3.1 路面高程数据预处理高程数据处理55-6256-606.3.2 路面高程数据平稳性检验60-62
6.4.1 路面高程数据幅值分析
6.4 路面高程数据分析62-6862-636.4.2 路面高程数据功率谱密度分析63-68
第7章 总结与展望69-717.2 展望70-7175-76
参考文献
6.5 本章小结68-69容与总结69-7071-7576 致谢
7.1 研究内
【仿真汽车游乐场】 第3篇
儿童仿真汽车游乐场向儿童展示的是一辆辆与真汽车相似的儿童游乐车,这种车充电一次可连续行驶2~4个小时,可以前进、后退,还设有快、慢挡。这种“玩乐”方式能锻练儿童的反应,对于儿童的生长发育大有裨益。
【投资策划】
在公园门前或绿化广场的儿童专区,租个100平方米的空旷场地,日租金约80元,添置儿童仿真吉普车三台(2180元/台),共6540元;订制大型宣传布标两幅(一幅挂在公园大门处,一幅置于仿真车游乐场入口处),共300元;桌子、板凳一套500元。总投资7500元左右,即可开业。
【经济效益分析】
仿真汽车的租价以5分钟为一个计费单位,收费3元(较低的收费可吸引儿童放开来玩,尽兴而归。)按每天每台车可出租2个小时算,每台车的日营业额是72元,三台车日营业额是216元,月收益为6480元,年毛利为77760元。除去年场地租金28800元、电费(给汽车充电)10000元、年广告宣传费5000元,年可获纯利33960元。而月平均收益达2800元以上,可保证投资回收周期仅为两个半月。
【投资及营销建议】
1.儿童仿真汽车游乐场应设置在公园内,或影剧院门口及人口密集的居住区附近。
2.经营者可与幼儿园、小学建立长期的合作关系,以降低前期投资风险,增加固定收入。
电动汽车动力系统的建模与仿真研究 第4篇
1 电动汽车的动力参数设计
1.1 动力与参数设计要求。
电动汽车的发展一直受到动力传动系统的限制, 目前这一问题如何解决已经称为电动汽车研究领域的一个热点。电动车运用锂离子电池组以动力参数的匹配设计为基础, 对电动车的动力性能与续使里程进行仿真分析。关于动力的设计要求需要满足以下几点:第一最高车速需要大于等于110km/h;第二最大的爬坡度要保证在35km/h的前提下大于或者等于25%;加速时间应该在0-50km/h以内时小于等于10秒, 在50-80km/h时也要小于或者等于10秒;在定速40km/h情况下续使里程要大于或者等于160km。另外, 在电动车本身的参数方面:汽车满载质量达到1500kg, 车轮半径为305mm, 迎风面积为2.0平方米, 路面滚动阻力系数0.02, 空气阻力系数0.3, 传动效率0.92。以上为纯电动汽车的动力与参数的设计要求。
1.2 驱动电机的选择。
对于电动汽车来说电驱动机就相当于人的心脏一样重要, 为电动汽车一切的活动提供能量来源, 电动机的设计理念就是将电能转化为机械能从而驱动电动汽车行驶, 进行空间移动;或者是做相反的转化, 即将机械能转化为电能对电动汽车进行充电或者对其再生制动。使用者最为关注的就是电动汽车的动力性能, 而电动机直接影响到动力性能, 具有较大功率电动机的车辆在爬坡和加速方面都有更高的性能, 这是因为大功率的电动机的后背功率也随之增大。但是大功率电动机的体积与质量也相应的有所增加, 这对续使里程有一定影响。在参数与性能的满足方面, 选用交流感应电动机, 电机的最大功率根据最高车速确定, 最大爬坡功率根据一定速度下的最大爬坡度确定, 加速功率由加速性能确定, 但是总体上必须满足动力源提供的总功率要大于最大功率、最大爬坡功率以及加速功率三者之中的最大值。另外, 对于驱动电机的而定功率可以利用动力源总功率与电机过载系数之比求得。
1.3 动力电池组参数的确定。
目前在电动汽车的领域中锂电池就有较高的能量密度, 单位工作电压一般为3.7V左右较高, 另外由于其充电效率高、寿命长等特点较为常用, 所以锂离子电池在车用电池中最为广泛, 一直以来因为其性能好和复合环保的理念而反应良好。所以选用规格为3.2V/80Ah的磷酸铁锂离子电池组, 至于选电池数量的确定应该根据实际续使里程进行。P= (v/3600b) * (mg*f+C*Av^2/21.15) 是电动汽车经过一次充电之后在速度v的情况下匀速行驶路程S之后功率P需要满足的公式, 将功率P与电动车所需用电设备功率的消耗相加, 求出在行驶路程S之后一共需要的总功率P1, 最后利用P1求出所需电池的数量, 即利用路程S与1000P1的乘积与匀速行驶的速度v、放电深度b、单体电池的电压u、以及单体电池的容量C死者的乘积之比。
1.4 匹配结果分析。
经过以上理论的计算得出电动汽车的主要参数如下:对于电动机这个主要的传动部件来说, 峰值功率的设计参数为59k W, 额定功率设计参数为20 k W, 额定转速的参数值为每分钟3600转, 最高转速参数设计在在每分钟8000转左右;另外一个传动部件单体电池采用磷酸锂离子电池, 额定容量为80Ah, 额定电压选取3.2V, 电池内阻大约为0.001欧姆, 使用电池数量一个110个;传动系数主减速比为4.333, 固定减速比在二档的情况下满足1.947, ;其他车体方面的系数为整备质量1265kg, 满载时质量为1565kg, 电动汽车长度为3850毫米, 宽度为1785毫米, 高度为1665毫米, 滚动阻力系数0.015, 空气阻力系数0.3。以上为根据参数的设计需要匹配得到的结果, 以此为依据进行模型设计与仿真分析。
2 建立仿真模型
2.1 ADVISTOR仿真程序简介。
美国国家能源可再生能源实验室在1994年的时候通过多年的研究分析研制出了适用于多种车辆的计算机仿真程序ADVISTOR, 该软件可以建立完整的电动汽车整车仿真模型。通过对反震模型的分析可以找出电动机、电池组、加速器以及变速器之间存在的问题, 并且对参数进行科学合理的修改使其满足要求。此外, 近年来Cruise仿真软件也较为常用。
2.2 动力性能仿真结果。
在仿真时由于ADVISTOR车辆仿真软件的电动汽车系统模型所以选用比较典型的ECE-EUDC典型工况, 在仿真时得出车速、核电状态、电动机功率随时间变化的曲线图, 并且得出仿真结果如下:最高车速的仿真结果为115.7km/h满足最高车速大于等于110km/h的要求, 最大爬坡度的仿真结果为在35km/h的状态下达到了27.5%满足参数设计要求的25%, 另外在加速方面0-50km/h的加速时间为5.4秒, 50-80km/h的加速时间为6.6秒, 与参数设计要求的小于等于10秒相比, 加速性能良好。
2.3 续使里程的仿真结果分析。
通过仿真分析之后, 电动汽车在负载150kg、以40km/h匀速行驶, 最大续使里程可以达到165.7km, 完全满足设计参数的要求。由电动机汽车的能源消耗仿真图可以得到动力电池、电动机和变速器一系列部件的能源转换情况与利用效率。另外, 在燃油方面, 在该循环工况下循环里程为10.93时, 耗油量为6.4L/100km, 当循环里程为65.4时耗油量为3.9 L/100km;在循环工况为40km/h的循环工况下, 循环里程为154km, 耗油量2.2 L/100km。在ECE-EUDC循环路况下的耗油量比40km/h匀速工况条件下的耗油量较高的原因是前者需要对电动车频繁启动、加速与减速。综合分析来看, 该电动汽车的燃油量与续使里程都较为合理。
结束语
电动汽车的使用既迎合了环境保护的理念, 又促进的节能减排的进行, 本文利用ADVISTOR仿真软件设置典型的循环路况, 通过对仿真曲线与结果的分析得出了该数学模型下所需求的参数与仿真结果基本符合。此外, 文章还对燃油与续使里程的经济性进行了分析, 结果也都符合要求。此外, 还得出在电池与电动机之外还有一些因素对电动车的性能有较大的影响, 为日后电动车的设计提供了依据。
参考文献
[1]钟磊, 高松, 张令勇.纯电动轿车动力传动装置参数匹配与动力性仿真[J].山东理工大学学报:自然科学版, 2010.
电动汽车仿真 第5篇
系统的设计方法往往是通过反复的样品试制（物理成型）和试验来分析该系统是否达到设计要求，结果造成大量的人力和物力投入在样品的试制和试验上。随着计算机仿真技术的发展，在工程系统的设计开发中，大量地采用了数值成型的方法，即通过建立系统的数值模型，利用计算机仿真使得大量的产品设计缺陷在物理成型之前就得到处理，从而可以使企业在最短的时间、以最低的成本将新产品设计缺陷在物理成型之前就得到处理，从而可以使企业在最短的时间、以最低的成本将新产品投放到市场。正是由于计算机仿真技术的这种优越性，在国外计算机仿真技术已经充分地被各大公司应用到产品的设计、开发和改进中。
由法国伊梦境有限责任公司（ＩＭＡＧＩＮＥ）开发的ＡＭＥＳｉｍ 系列软件目前主要应用在航空航天、汽车和工程机械三大行业，该软件具有如下特点：
（１）图形化的物理建模方式使得用户不需要面对繁琐的数学建模型，仿真模型的扩充或改变都是通过图形用户界面来进行。
（２）智能求解器能够自动地选择、切换积分算法和调整积分步长，内嵌式数学不连续性处理工具可解决数值仿真的间断点问题。（３）仿真范围广实现了多学科领域（机械、液压、气动、热、电和磁等）的建模和仿真，且不同领域的模块之间可直接进行物理连接。
（４）基本元素的理念确保用户用尽可能少的单元构建尽可能多的系统，其优越性在于工程师只需要掌握较少的系统建模“字母”就可以建模。
（５）为用户提供了一个标准化、规范化和图形化的二次开发平台。
（６）具有数学方程级、方块图级、基本元素级和元件级四个层次的建模方式。
（７）具有多种线性化分析工具、模态分析工具、频谱分析工具以及模型简化工具。
（８）具有动态仿真、稳态仿真、间断仿真、连续仿真和批处理仿真多种仿真运行模式。
（９）具有丰富的和其他软件连接的接口。
美国等国家正以计算机与信息技术实现产品的快速高水平开发, 1990年后尤其1995年后采用三维CAD/CAE/CAM一体化技术等技术, 1999年ford和GM宣布实现全新车型开发周期为22个月和24个月,最终目标是12—18个月.2000年美国 三大集团实现共用零部件协议。2000年GM 提出在INTERNET环境采购零部件。2000年美国提出了产品协同开发与协同商务的概念(Collaborative Product Development).德国-平台化技术, 目的是实现零部件系列化，GM，VW，和TOYOTA 三大集团协议共建部分标准零部件数据库。这些都证明开发技术已有巨大的发展, 开发周期大大缩短, 因此汽车造型的水平大大提高.而且, 汽车变形的速度和品种大大增加, 基于平台的多样化设计的年代已经到来。
现今，国外有很多独立的汽车设计公司。全球最大的设计公司美国MSX公司, 比如以实用型量产车著名的意大利设计公司ITALDESIGN，以名贵跑车为主要业务的设计公司Pininfarina，和以风格见长的Bertone设计公司，还有在改装车、原型车方面各具特色的IDEA、Zagato、Ghia和Stola等设计公司。此外，还有以个人名义进行设计的汽车设计师，如Marcello Gandini、Peter Stevens和Ian Collum等。中国第一家汽车设计公司于1999年由同济大学汽车系的雷雨成等几名教授创建.目的就是象国外的设计公司一样为中国人开发中国人自己的汽车.给中国人争一口气, 实际中国的技术人才和资源, 等等都没有问题, 中国实现产品开发最大的问题和困难是中国人的骨气不足, 缺乏信心, 另外干多干少都一样也使很多技术人员出力不出工, 甚至与国外设计公司同样技术水平的技术人员, 我们10个都不如国外设计公司的一个人干的活多,这主要是体制的原因.。
电动汽车仿真 第6篇
关键词：高位自卸汽车 建模 添加约束 运动仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）003-066-02
1 设计方案与建模实体模型
为满足自卸汽车的功能使货物能自动倾卸,选用摇块机构,在该机构中,构件2 为机架,构件可作整周转动,而滑块则只能绕机架上点作往复摆动的摇块,因此称为摇块机构，将车厢作为摇块机构中的曲柄。高位自卸汽车可以分为车身，前后车轮，前后车轮轴，钢架，车厢，举升杆件，翻转杆件，液压泵，移动滑块等。
2 输出机构的分析结果
在运动仿真中定义了油缸的运动速度，根据油缸的运动速度可以通过软件分析得到目标点的位移、速度、和加速度线图。通过运动分析，判断机构的受力状态和运动状态是否良好，为机构的优化设计提供理论参照和数据支持。
在定义电机进行分析之后，利用分析结果可以得到运动的图形。先是车厢举升过程中油缸的速度曲线，油缸的速度是相对于油缸本身。还有车厢翻转铰点附近的点的相对于车底盘的位置、速度、加速度曲线。当油缸的速度是以40mm/s匀速运动的时候得到的曲线图如图1所示。 当采用这种方式的运动的时候，可以看出在这种状态下，初始启动的时候加速度太大，从导出的数据表中可以查到，最大的初始加速度为1452毫米每秒的平方。可以改变输入运动的方程改善运动的特征。当油缸在先以匀加速运动到40mm/s的速度，然后以这个速度匀速推进。这时的分析结果如图2所示。 从曲线上可以大致看出这种参数曲线的变化，借此可以大致分析机构的运行。平行四边形举升机构举起中间架和车厢上升。其中扯清举升的数据是以车厢相对底盘运动的运动速度的模为参量，运动结果大致符合设计要求的上升1850mm，运动速度曲线约在2秒的时候有最大值，速度相对平滑，上升过程可以认为是匀速的，有利于在实现在任意位置停止，满足设计要求。加速度曲线在2秒的时候是有一个突变，这会给油缸和车厢带来冲击，不利于延长机器的使用时间。
举升过程中的分析改进意见，这个分析过程使用的油缸的初速是均匀增大到一定速度再匀速运动的，如果直接使用匀速运动的油缸，在油缸起步的时候，车厢的加速度很大，而且匀速运动的油缸只存在与理想条件中。在这个模拟中发现速度均匀增大的油缸在变为匀速的时候车厢有加速度突变，这是因为油缸有加速度突变。在机构难以做重大的改动的情况下，可以改善输入运动改善机构的运动。可以通过使用节流阀等油缸控制元件，使油缸的速度以多项式的运动速度变化，减小加速度的变化，这样可以优化机构的工作环境，延长机器的使用时间。
然后让车厢保持在举升到最高位置的状态，然后开始进行车厢翻转的运动学分析，定义油缸的运动，让车厢的翻转，画出车厢翻转时的位置，速度，加速度曲线，然后对结果进行分析。
当原动件翻转油缸以图3的速度曲线输入运动时 得到车厢与翻转油缸铰点附近的点的运动的位置、速度和加速度曲线的图形如图4所示。 根据图4可以看出，若油缸匀速运动，则在车厢的开始运动的过程中车厢的速度和加速度很大，加速度约为1600毫米每秒的平方。存在柔性冲击，在运动过程中加速度变化平缓，运动稳定。要针对开始运动的时候的柔性冲击进行调整，对翻转油缸的输入运动进行调整。 当油缸以余弦曲线规律输入运动速度时，这个时候的得到的车厢的运动学分析结果如图5。 从图5中可以看出在这种速度输入的状态下，车厢的速度和加速度变化平滑。从输出的数据中可以读出车厢在整个运动过程中的最大加速度是60毫米每秒的平方。这个结果远小于翻转油缸匀速运动时的分析结果。证明采用改变输入运动的方式，可以有效的提高机构的使用效果。可以使机构具有更好的使用效果和更长的使用寿命。车厢在整个运动过程中，先让车厢举升，举升停止后厢门锁止机构打开，厢门可以自由移动，然后翻转车厢，然后车厢复位。
3 结论
通过利用SLIODWORKS 对设计的高位自卸汽车进行实体建模，添加运动约束，添加驱动力，最后进行运动的仿真分析，可知设计的高位自卸汽车满足把货物举升到一定高度后再卸货的设计要求；同时本文基于SLIODWORKS对高位自卸汽车进行运动仿真，为高位自卸汽车的设计、制造、测试提供了一定的依据。 从图5中可以看出在这种速度输入的状态下，车厢的速度和加速度变化平滑。从输出的数据中可以读出车厢在整个运动过程中的最大加速度是60毫米每秒的平方。这个结果远小于翻转油缸匀速运动时的分析结果。证明采用改变输入运动的方式，可以有效的提高机构的使用效果。可以使机构具有更好的使用效果和更长的使用寿命。车厢在整个运动过程中，先让车厢举升，举升停止后厢门锁止机构打开，厢门可以自由移动，然后翻转车厢，然后车厢复位。
3 参考文献：
[1] 谢进.机械原理[M].成都:西南交大出版社,2006.
电动汽车仿真 第7篇
关键词：电动汽车,电动轮,动力学模型,仿真
前言
电动汽车采用电动轮独立驱动方式具有传递效率高,空间布置灵活,驱动电机响应快等优点,各轮采用独立电机驱动,在理论上可以根据转向等实时工况分配各轮的驱动转矩[1]。另外,四轮独立驱动系统的驱动力可单独控制,这就为改善汽车的动力性及稳定性提供了更大的技术潜力[2]。鉴于上述方面的优势有必要对其进行深入的研究。
目前该领域已有一些积极的研究。文献[3]针对变速或转向过程中各轮输出的转矩差异进行了分析,但是在建模过程中忽略了簧载质量侧倾的影响。文献[4]在建立整车动力学模型的过程中,采用线性轮胎模型,精度不够理想。为此,本文在Matlab/Simulink仿真环境下进行建模分析,进而考查采用各轮独立驱动的电动汽车在低速转向和变速工况下各轮输出转矩和功率的变化情况,为进一步建立转矩控制算法奠定基础。
1、汽车动力学模型的建立
1.1 整车系统模型的建立
电动轮汽车的动力学模型在自然坐标系中建立,为研究问题方便,规定在初始时刻汽车向左转向,且向左转向时转向半径为正,反之为负。在建立的整车系统模型中,为简化模型,忽略车辆悬架系统的影响,假设路面水平,除考虑前进方向的空气阻力外,忽略其它空气动力学的影响;在变速工况分析中忽略俯仰的影响,仅考虑车体4自由度四个车轮的旋转自由度,得到整车系统模型,如图1所示。
根据车辆在转向过程中的受力和运动状态,由刚体运动定理得到整车运动微分方程为:
式中m为整车质量;ms为簧载质量;ax为车辆纵向加速度,ax=vx;ay为车辆侧向加速度,ay=v(β+ωr);β为质心侧偏角;Cd为空气阻力系数;Af为迎风面积;ρa几为空气密度;v为车速;Φ为簧载质量侧倾角;h为簧载质量质心到侧倾轴的距离;Ixx为簧载质量绕x轴的转动惯量;Izz,为车辆绕Z轴的转动惯量;ωr为横摆角加速度;Fxi=1～4)为各车轮所受纵向力;Fyi(i=1～4)为各车轮所受侧向力;Fr为滚动阻力;lf、lr分别为汽车质心到前、后轴的距离;d为车轮轮距;δ为前轮转向角:CΦ1、CΦ2分别为汽车前、后悬架的侧倾角刚度;BΦ1、BΦ2分别为汽车前、后悬架的侧倾阻尼。
另外还可以得到四个车轮的转矩平衡方程式:
式中Jw为车轮的转动惯量;wi(i=1～4)为车轮的角加速度;Ti(i=1～4)为车轮转矩;r为车轮半径;Mfi(i=1～4)为车轮的滚动阻力矩。
1.2 轮胎模型的建立
本文采用Pecejka提出的“Magic Formula”非线性轮胎模型,该模型是目前汽车动力学仿真研究中广泛采用的轮胎模型,可对轮胎的特性进行良好描述,其模型表达式为[5]:
式中Y为输出量,包括轮胎纵向力Fx0。和侧向力Fy0;X为输入变量,包括纵向滑移率λ和侧偏角α;G(x)为考虑滑转与侧偏复合工况下时的权函数;SH和SV分别是函数曲线水平和垂直移动值。
轮胎的垂直载荷为[6]:
式中l为轴距;Fl,zf、Fl,zr分别为前、后轴上的升力;ΔFzf、ΔFzr分别为前、后轴轮荷的变化,为向心加速度函数。在忽略弹簧对前、后轴轮荷变化的情况下得到下式:
式中Czf、Czr为升力系数;pf、Pr为前、后瞬心到地面的距离;Rf、Rr为简化后的前、后车轮转弯半径,R为整车质心处的转弯半径。
2、仿真试验及结果分析
在Matlab/Simulink环境下建立上述整车动力学仿真模型,文中所用的车辆模型的主要参数为:m=1395kg,
2.1 正弦波输入下的恒速工况分析
当转向角为正弦输入时,为研究在此种转向情况下汽车的低速特性,将车速限制在8m/s,转向角输入信号如图2所示。
2.2 变速转向工况分析
首先设定车速从6m/s开始加速到10m/s,然后减速,在t=0s时刻即输入阶跃转向角0.15rad。整车速度变化曲线分别如图6所示。
各电动轮垂直载荷、转矩及功率的变化曲线分别如图7～9所示。分析图8和图9可以看出:车辆加速转向时,两外侧车轮的功率和转矩的变化趋势也基本一致,但是功率的变化比例随着数值的增大而增大,且出现功率峰值的时刻比出现转矩峰值的时刻要稍晚一些。而两内侧车轮的转矩及功率变化则呈现相反的趋势,借助图7可知,在变速转向过程中各轮垂直载荷的变化直接决定了各电动轮转矩和功率的变化。
从前、后轮分析可知,在变速转向过程中,两后轮始终承担了较大的输出转矩。随着速度的变化,前、后轮转矩的数值变化基本一致,而且两后轮和两前轮的转矩呈现明显的对称性,当速度较低时,各侧车轮的功率大小趋于相等,而在转矩上,两前轮之间和两后轮之间的转矩大小趋于相等,前、后轮之间的转矩大小略有差异。
2.3 正弦波输入下的变速工况分析
结合2.1和2.2的工况,针对转向角正弦输入下的变速工况进行分析,转向角正弦曲线和变速曲线分别如图2和图6所示。
从图10和图11可以看出,开始加速转向时前、后电动轮功率和转矩的差异都不大,前、后轮之间的起始转矩和功率基本相等。整个过程中两内、外侧车轮之间的转矩或功率变化的趋势基本一致,在转矩达到最大值时,对应的功率也相应的达到最大值,经过最大值后各侧车轮的功率均开始下降,在车速较低时,各个电动轮功率大小也基本相等。
在第6s之前,转矩和功率呈现类似正弦波的变化,表明转向角的输入在该时间段对转矩和功率有很大的影响。在第6s以后,随着速度的不断降低,转矩和功率都呈明显的下降趋势,而且各轮的功率在此时逐渐相互逼近。第9s以后,当速度达到2m/s时,各轮的转矩和功率都趋于常数,说明速度在该阶段直接影响着各轮的转矩和功率的变化。
3、结论
采用轮毂电机式的四轮独立驱动的电动汽车在低速转向、变速行驶中各轮所需的转矩和功率往往存在很大的差异。因此,有必要在典型工况下对各电动轮的实际输出转矩和功率的需求变化进行研究,从而可以进一步按转矩模式借助控制算法来控制和调整各轮的输出转矩和功率,实现汽车驱动力矩的最佳分配,对提高整车的操纵稳定性有重要意义。
参考文献
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电动汽车充电站谐波治理的仿真研究 第8篇
能源与环境的限制使电动汽车成为未来汽车工业的发展趋势[1,2]。国家的《节能与新能源汽车产业发展规划 (2012-2020年) 》中, 也提出在2020年前后电动汽车将成为市场的主导。电动汽车的推广必然伴随着充电站的普及, 而充电站中的非线性负载—充电机会产生大量的谐波, 污染电网[3,4,5]。随着充电站的不断建设, 这种危害会越来越大, 所以有必要对充电站产生的谐波进行研究与治理。
国内外已有大量的文章来研究电动汽车充电站的谐波问题。相关文献[6-8]对充电机进行了等效处理, 并在此基础上对充电站进行仿真与计算谐波。有文献[9,10]在考虑了电池充电时间以及电池初始充电状态 (SOC) 随机性的情况下, 试图通过中心极限定理和蒙特卡罗方法来计算充电站所产生的谐波。目前关于充电站谐波产生的研究已比较充分, 但是研究如何去治理谐波的文献还是比较少。一般可采用的措施如下[11]:增大充电机的滤波电感;增大整流装置的脉冲数;加装滤波装置。
本研究着重研究通过滤波器[12,13] (包括无源滤波器与有源滤波器 (APF) 来去除充电站所产生的谐波。考察不同情况下的充电站谐波特性, 比较两种滤波器的滤波效果, 可以发现有源滤波器可以实现更好的处理效果以及跟踪性能。
1 电动汽车充电机的谐波特性
1.1 充电机的充电特性
目前市场上使用的大功率高频充电机如图1所示。三相电源通过二极管组成的整流桥, 并通过由电容电阻组成的滤波电路以及DC-DC功率变换器形成直流输入, 给电动汽车充电。
相对于工频周期来说, 充电时间就显得很长。在一个至几个周期内, 都可以认为充电机的输出电流和输出电压是恒定的直流。因此在低频范围内, 可以用一个非线性电阻Rc来近似模拟高频率变换电路的等效输入阻抗[14]。电阻的表达式[15]为:
很显然, 充电时, 输出电压保持恒定, 电阻Rc与输出功率PO成反比。在整个充电过程中, 等效电阻随输出功率的变化而发生变化。
1.2 充电机谐波仿真
由以上的分析可知, 在研究充电机时可以进行等效处理, 将功率变换器转换成一个可变电阻。这样通过Simulink仿真来研究充电站所产生的谐波, 单台充电机的仿真模型如图2所示。它由整流桥、电感L、电容C以及可变电阻R所组成, 结构简单, 但可以比较好地模拟充电机。而时变电阻R的处理成了仿真的关键与难点。为此本研究对电阻处理问题采用了离散化思想, 假设整个充电时间为270 min, 这样可以在仿真时, 每10 min取一个值, 如此便可得到27个电阻R的值。根据每个电阻值仿真所得的谐波含量, 就可以得到每个时间点所对应的充电机所产生的谐波的特性。
整个充电过程中, 等效电阻连续变化, 笔者求出每个点的谐波含量, 进而描绘出整个充电过程中谐波电流的变化曲线如图3所示, 其中设充电机的充电参数为L=1.5 m H, C=2 115μF, η=90%。单台充电时各次谐波电流的变化曲线如图3所示。由图3可知, 谐波电流的变化是与电阻成反比的, 所以当电阻最小时, 各次谐波电流达到最大值。其中主要的谐波电流为5次与7次, 其他奇次谐波含量还有11次与13次, 主要是6K±1次谐波, K=1, 2, 3⋅⋅⋅。
如图3所示, 整个充电周期中电动机所产生的谐波是时变的。总的来说, 各次谐波先是逐渐变大, 大约在150 min时到达最大值, 然后又逐渐变小。
2 某小区充电站谐波仿真
2.1 小区充电站建模
假设某小区的电动汽车充电站由9台功率为15 k W的充电机组成。它需要的配电容量为SC, 即全部用电设备的用电负荷, SC计算方法如下:
式中:S1—动力用电负荷, S2—照明以及其他日常用电负荷。
根据经验, S1的估算式为:
式中:N—充电机数量, 取9台;P—充电机最大输出功率, 在此取15 k W;η—充电机的充电效率, 取0.9;cosφ—充电机的功率因数, 取0.85;K—充电机的同时系数, 取0.7。
通过计算可知, 这个充电站的动力电量为123.5 k W。同时, 假设小区的照明及其他日常用电负荷为20 k W。这样整个充电站的用电负荷为143.5 k W。在选取变压器时还要考虑留有余量, 所以变压器的容量可取200 k W。变压器高压侧进线是10 k V, 低压侧为400 V。小区充电站的示意图如图4所示, 它由三相电源、变压器以及若干并联的充电机组成。
2.2 小区充电站最大谐波含量仿真
从充电机扩展到充电站, 需要注意的是充电站的谐波并非各个充电机谐波电流的简单叠加, 其中的同次谐波会发生相互抵消的现象, 从而使充电站的总谐波电流降低。为了仿真整个充电站工作时的最大谐波电流, 一种可行的处理方式就是将所有充电机并联且同时开始工作。这样在电阻最小时 (大约充电时间是150 min时) , 整个充电站的谐波电流会达到最大。显然在设计充电站时, 考虑谐波治理的情况, 滤波器的参数选择应满足此时的情况。
本研究在Matlab/Simulink环境下搭建充电站的仿真模型。已知充电机的谐波电流大小与等效电阻成反比, 为了计算充电站的最大谐波, 取等效电阻的最小值, 即26.59Ω。经过仿真可以得到图4中测试点L处电流的波形图如图5 (a) 所示, 由于负载是对称的, 只考察一相即可。各次谐波电流的具体值如表1所示。
充电站谐波情况与单台充电机类似如表1所示, 谐波含量主要集中在5次与7次, 而其他次的谐波比较少, 甚至可以忽略不计。这个时候考察的谐波是某一个时刻谐波含量状态, 同时也是最大的谐波含量。最大谐波含量的求取, 给定了整个充电站电流畸变的界限, 这为充电站谐波治理的设计提供了一个依据。
2.3 小区充电站谐波含量突变性的仿真
在一个充电周期中, 充电站所产生的谐波含量是时变的。导致谐波含量不断变化的原因是充电机输出功率的不断变化, 在仿真中则意味着等效电阻的时变。
在现实生活中, 充电站发生的其他情况也会导致谐波含量的突变。电动汽车充电中途的撤出会导致谐波含量的降低, 新电动汽车的接入充电则会导致谐波含量的突然升高。本研究拟采取改变等效电阻的方式来仿真谐波含量的突变。
具体方式如下:保留9台充电机, 令开始时刻等效电阻为30Ω;0.33 s时, 将电阻切换为150Ω;又在0.5 s时, 电阻切换为60Ω。电阻突变模拟电动汽车的接入与撤出, 相应的电流也在发生变化。电阻突变的A相电流及谐波成分如图6所示。可以发现畸变已经比较严重, 而且随着等效电阻的变化, 电流呈现比较大的变化。
与其他类型的非线性电阻[16,17]相比, 充电站作为一种非线性电阻应属于文献[16]所述的电子开关型, 但它同时却有着电弧型那样不规则的谐波特性。尽管如此, 充电站的谐波特性仍有着自身的特点。它具有最大值, 但同时却又时刻变化着的。它的时变并非随机变化, 是与充电机的功率输出曲线紧密相连的。所以研究者可以据此对充电站的谐波做出预估。
3 充电站谐波治理的仿真
3.1 LC滤波器与有源滤波器
使用滤波器来治理谐波时, 一般有两种滤波器可供选择—LC滤波器与有源滤波器。LC滤波器也称无源滤波器, 它由电容器、电抗器以及电阻器适当组合而成, 与谐波源并联, 起滤波作用。LC滤波器可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器以及高通滤波器等。考虑到充电机谐波电流的特点, 一般只有5次与7次谐波含量比较大, 可以采用单调谐滤波器与高通滤波器的组合来治理。
有源滤波器与无源滤波器有很大的区别, 它并不像后者那样通过将谐波电流导入大地从而达到滤波效果。有源滤波器会产生与主电路中谐波电流极性相反、大小相等的电流, 将其导入母线与谐波抵消。有源滤波器可以分为4个部分 (谐波检测及运算环节, 电流跟踪控制电路, 驱动电路以及产生补偿电流的主电路) 。本研究通过检测环节测得负载电流中的谐波成分以及补偿电流, 由跟踪电路产生的信号经过驱动电路得到所需要的PWM波形。用产生的方波驱动IG-BT, 主电路产生所需要的补偿电流并注入系统刚好可与负载电流中的谐波成分抵消, 从而达到滤波的效果。
3.2 小区充电站谐波治理结果分析
首先研究谐波含量最大时刻的滤波情况。笔者设计LC滤波器来消除谐波。考虑充电站谐波特性, 需要选择5次与7次的单调谐滤波器。由于高次的谐波含量太少, 并未添加高通滤波器。设计滤波器时, 考虑到最大经济效益, 应选择最小滤波电容器安装容量。经过计算, 滤波器的参数选择如表2所示。
谐波LC滤波之后的电流波形图如图5 (b) 所示, 与图5 (a) 相比可以发现电流得到了明显的改善。此时各次谐波的含量如表3所示, 对比滤波前表1中的数据可以发现, 各次谐波含量都有了明显的降低。
针对相同的谐波源, 考虑用有源滤波器来治理。本实验主电路的电感取值2 m H, 直流侧作为供应电能电容取值100μF, 初始电压为800 V。加入有源滤波器进行滤波处理, 得到电流波形如图5 (c) 所示。
通过比较图5 (b) 与图5 (c) 以及表3提供的数据, 可以发现有源滤波器的治理效果非常明显, 而且相对于LC滤波器, 治理的能力更加出色。
针对电动汽车充电站谐波含量的时变性、突变性, 需要验证有源滤波器的跟踪性能。三相电路中A相的电流如图7 (a) 所示, 可以明显发现, 畸变已经比较严重。治理之后的波形如图7 (b) 所示, 效果很明显。说明在电动汽车充电站发生谐波突变的情况下, 有源滤波器也能够有比较好的跟踪性能。
4 结束语
在对充电机产生的谐波进行分析的基础上, 本研究对某小区整个充电站运行所时产生的最大谐波进行了仿真, 该仿真结果对充电站的设计有一定的参考价值。利用LC滤波器以及有源滤波器实现谐波的消除。比较两种滤波器的治理效果可以发现, 有源滤波器的治理效果要明显优于LC滤波器。在仿真谐波以及突变的情况下都采用了近似的处理, 与实际的情况下尚存在一定的误差。
电动汽车动力性及经济性能仿真研究 第9篇
关键词：纯电动商用车,匹配,滑行系数,动力性仿真,NEDC能耗
针对由传统汽车带来的能源及环境污染问题,发展新能源汽车及纯电动汽车成为研究关键[1]。文献[2 ~ 3]结合实例对电动汽车传动系统进行了匹配,未将坡道起步能力作为考虑指标。本文以研发阶段的某款纯电动商用汽车为研究对象,通过充分考虑其各方面性能指标对车辆动力系统进行匹配,并对其动力性及NEDC工况下能耗及续驶里程进行理论分析计算。通过对该款车辆匹配及性能仿真计算,为车辆后期开发优化提供工程指导。
1 纯电动商用汽车动力性能指标设定
本文的研究对象是纯电动商用汽车,定位车型是一款快递车,用于城市工况下快递公司进行小件近距离快递的运送及派发,整车性能指标设定如表1 所示。
2 电动汽车传动系统方案及相关参数
2. 1 传动系统方案确定
该款电动汽车是在传统汽车的基础上进行重新设计的,以电动机取代发动机。简化传动系统结构,其整车传动系统的布置方案如下图1 所示。在图示结构中省去传统汽车构造中变速箱,仅使用单级减速器。
注:1.驱动电机;2.减速器;3.传动半轴;4.车轮;5.电池组
结合整车的设计要求对比原车型参数,电动汽车基本参数如表2 所示。
2. 2 电机选择
电机是汽车动力系统的核心,为整车提供驱动力。电机按照工作电源区别,可分为直流和交流两种类,比较而言,直流电机的调速特性更加的优良,响应速度快、起动转矩大; 且随着电力电子技术发展及高性能永磁材料的逐渐应用,原有刷电机被永磁无刷直流电机所取代,越来越多为电动汽车所使用。该车型选择永磁无刷直流电机作为动力核心。
(1)电机功率确定
整车的功率平衡方程[4,5]
其中,m为汽车实际质量; g为重力加速度; α 为爬坡度; u为行驶车速。
当汽车以最高车速行驶时,汽车的载荷质量为半载,不考虑爬坡阻力及加速阻力,因此所需功率为Pe1
式中,mh为汽车半载质量; umax= 120 km·h- 1。
汽车以满载质量爬坡时,不考虑加速阻力,假定爬坡时最低车速为15 km·h- 1,所需功率为
式中,αmax= arctan0. 2,uα= 15 km·h- 1。
汽车从0 全力加速到50 km·h- 1不能> 8 s,在速度刚好达到50 km·h- 1时的功率,即为需求功率
式中,du /dt = ( 50 - 0) /3. 6 /8 = 1. 736 1 m/s2,u3=50 km·h- 1。综上,电机的额定功率Pe= max ( Pe1,Pe2,Pe3) ,取为60 k W。
(2)电机扭矩确定
由最大爬坡度指标,计算电动汽车以稳定车速(此处车速取uα=15 km·h-1)爬坡时的扭矩需求
式中,i为减速器的速比,结合相关设计经验此处初选减速器速比为10。
根据坡道起步能力计算扭矩需求。电动汽车坡道起步能力是考察车辆动力性能一个关键指标,坡起是指汽车由静止状态连续加速到某一稳定车速的过程,整车受力如图2 所示。
图2 中车辆所受的Ft是电动机所产生的驱动力;Fb是制动盘制动力; Fj是加速阻力; Fw是空气阻力;Fi是重力G在坡度方向的分力; 即坡度阻力; Ff是滚动阻力; αp是坡起坡度。
不同于传统车辆在坡道起步时,要注意离合器与制动踏板或驻车的制动手柄的配合。本款纯电动车未设置离合器,坡道起步过程只需要加速踏板与制动踏板的控制,实现车辆从静止逐渐加速到某一稳定的车速的过程
电动汽车在坡道起步的过程中,包括3 个阶段:( 1) 驻车制动阶段。此时电动机的转矩为0,对应驱动力Ft为0。汽车受到制动力、坡道静摩擦及重力而平衡; ( 2) 起步准备。此阶段电机的扭矩逐渐增加,制动力减小,驱动力尚不足以克服阻力使车辆运动; ( 3) 驱动电机恒定在较大扭矩,制动力继续减小,车辆开始移动,当车辆加速到某一稳定车速时,对应的电机扭矩为最大值,制动力为0。依据起步平稳原则,结合常规车辆工程设计经验值设定时间为9 s达到12 km·h- 1稳定车速。此时对应扭矩
式中,du/dt =( 12 -0) /3. 6/9 =0. 37 m/s2,up=12 km·h- 1。为保证电机扭矩需求,最大扭矩Tmax≥( T1,T2) 。
(3)电机转速确定
电机最大转速
电机额定转速
式中,β 是电机恒功率区扩大系数,取3 ~ 5 之间。
综合以上理论,经过反复计算对电动机进行选择,并对单级减速器速比校验修正,得到动力系统主要参数如表3 所示。
电机外特性曲线及效率如图3 和图4 所示。
2. 3 电池参数的确定
动力电池是电动汽车的能量来源,电池的充放电性能将直接影响到电动汽车的实际使用状态。在已经初步选定电机的情况下,考虑到电动汽车续驶里程如表1 中≥220 km的要求,可通过如下方法初步进行电池组的确定[6]。设定电池组初始荷电状态为100% ,当电池的荷电状态达到20% 时电池即停止使用
式中,L为电动汽车续驶里程; W为电动汽车电总能量; ud为行驶车速; ηmc是电动机及控制器效率,ηmc=0. 9; P是汽车在稳定在车速ud时能量消耗,可计算得到P = 14. 39 k W。
电动汽车总容量可通过下面的公式求得,C为电池组总的容量; U为电池组额定电压,参照电机额定电压360 V。
代入相关数据计算得到C。
该车辆选用的锂电池组作为能量源,电池组中总的电池是832 节,共分成8 组进行并联,每组中104 节进行串联,每节电池电压为3. 2 V。电池组的额定电压332. 8 V,电池总容量224 A·h。通过试验得到电池组荷电状态SOC与电池端电压关系曲线如图5所示。
3 动力经济性能仿真及计算
3. 1 仿真模型的搭建
AVL Cruise软件是AVL公司开发的用于车辆系统动力学仿真分析的高级软件,可实现对复杂车辆动力系统的仿真分析。利用Cruise中模块化的建模理念可快速的对纯电动汽车进行建模。参照前面提到的电动汽车传动系统的布置方案,在Cruise找到与电池、电机、减速器及车轮对应的组件,并拖拽到工作区域中。首先建立各模块之间机械连接,根据动力系统的传动路线,机械连接依次从电动机到减速器再到差速器、刹车盘及车轮; 电池与电动机及能耗器件应有电气连接;最后设置各组件数据信息: 电动机所需的信号包括电机控制器及外界温度信息,对电池模块的温度信息输入,对控制器制动信息及电动机扭矩信号的输入等[7]。整车仿真模型如图6 所示。
3. 2 整车阻尼确定
汽车在行车过程中所受到的行驶阻力包括滚动阻力、空气阻力及传动系统内阻力等。克服其阻力所消耗的能量是电动汽车能耗的主要组成部分,直接影响电动汽车的动力性能及经济性能。为尽可能使得仿真模型计算结果准确,通过工程样车滑行试验得到电动汽车滑行阻尼。取干净、平坦、干燥的柏油直线道路上,路面纵向坡度≤0. 1% ,宽度不应< 8 m,试验道路长度不< 2 km,并选择其中的1 km作为滑行区段,在两端立上标杆。试验对天气条件的要求: 应选择无雨无雾的天气进行,风速不能> 3 m/s,相对空气湿度<95% 。将车辆加速到120 km · h- 1,将车辆置于空档开始滑行,通过光学速度传感器测量电动汽车速度随时间的变化关系。为减少风速及坡道对试验结果的影响,将上述过程在半载及满载状态下各取两个方向: 由南到北及由北到南各进行3 次试验,并取平均值。所得结果如表4 所示。
对上述试验数据通过最小二乘法进行数据分析得到电动汽车在两种载荷状态下的滑行系数如表5所示。
在Cruise中双击Vehicle模块设置其特性取Driving Resistance: Function without Reference vehicle项作为整车阻尼输入方式。在Resistance Function中分别对应填入不同载荷时的滑行系数,为后续仿真准备。
3. 3 动力性能仿真
(1)爬坡能力仿真[8]
汽车最大爬坡能力是指在汽车满载时在良好路面上在一定速度下所能达到的最大坡度。在Cruise设定仿真初始条件,设定电池初始荷电状态为90%,取Climbing Performance进行爬坡度计算,在任务书设定汽车的载荷状态为满载。进行坡道起步能力仿真时,将任务书中汽车起始状态设定为Starting From Rest,取初始加速度为0.37 m/s2。点击运行任务,得到仿真结果。车辆最大爬坡能力为21.37%,对应车速为1 km·h-1,电机转速为74.89 rad·min-1;最大坡起能力为18.04%,满足设计要求。图7给出了该款汽车在最大功率及额定功率时不同车速状态下爬坡能力。
(2)最高车速及加速能力仿真
在任务文件中选取Constant Drive计算电动汽车可达到的最高车速,在Full Load Acceleration中进行加速能力的仿真,计算0~50 km·h-1及50~80 km·h-1加速时间。仿真计算时,电池初始荷电状态为90%,设定电动汽车载荷状态为半载。由于论文中所研究的电动汽车采用的固定速比,不存在连续换挡情况,只要控制好加速踏板即可。仿真结果如表6所示,结果满足要求。
3. 4 NEDC工况能耗计算
考虑到快递车的实际使用需求,选用NEDC工况下续驶里程作为重点研究[9,10]。电动汽车一个NEDC循环的能量消耗可通过能量守恒原理求得,即电池组的电能通过电动机转化机械能,部分能量转化为热能等耗损。
如图NEDC工况是4 个城市循环和一个市郊循环组成[7,8],其主要工况包括加速、匀速、制动、停车。为方便计算,本文暂时认为制动和停车工况时,能量消耗为0,即不考虑制动能量回收,其能量消耗的工况如表7所示。
其能量计算如下
式中,EC为电动汽车在一个城市循环的能量消耗; ES为汽车在一个市郊循环能量消耗; Eb为为第b个工况状态是能量消耗; E为电动汽车在一个NEDC循环总的能量消耗。
式中,uA为电动对应表4 中各状态的平均速度; Δt为工况持续时间; Fi为爬坡阻力,此处为0; Ff为滚动阻力; Fw为空气阻力; mh为半载质量; ub0为第b状态的初速度; ubt为第b状态的末速度; η 为传动系统的效率; ηd为电机输出效率,受电机转速及扭矩影响这里近似取恒定值; ηdsg为电池放电效率,由于NEDC作用时间较短可近似忽略电池SOC状态及温度影响,取恒定值。代入相关数据,计算出该款汽车在一个NEDC循环下的能量消耗为3. 73 k W·h。
在Cruise中取任务Cycle Run并设定NEDC作为仿真路况,车辆载荷状态设定为半载,电动机类型取Motor - Related,输入相关参数进行仿真。 在一个NEDC循环中电动汽车能量消耗随着时间变化如图9所示,其总的能量消耗为3. 66 k W·h,与理论计算结果具有一致性。
在进行电动汽车续驶里程仿真时电池荷电状态SOC不断的减小,如图4 所示电池的端电压也会随着减小。当SOC达到约20% 时,端电压会有较为明显的减小。在进行任务书Cycle Run设定时,取电池组初始荷电状态为100% ,设定到20% 时结束循环。输入相关参数计算得NEDC工况下电动汽车续驶里程为171 km。通过修改NEDC工况下的任务书进行匀速工况下电动汽车续驶里程计算,不同车速时续驶里程如图10 所示,60 km·h- 1匀速工况下电动汽车续驶里程为233 km,低速状态行驶可达到更高的续驶里程。结果表明,续驶里程计算结果满足设计指标要求。
4 结束语
针公司研发中城市用纯电动快递车的设计指标,重点结合坡道起步能力等指标进行传动系统参数匹配; 结合该款电动样车滑行试验结果分析,在Cruise中进行动力性及经济性能仿真计算,并重点分析了电动汽车在NDEC工况下的能量消耗; 结果表明,传动系统匹配满足设计指标,为后期电动汽车性能开发及优化提供参考。
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电动汽车仿真 第10篇
电动汽车系统主要有三个模块研究:电池研究,车体研究,电机的研究。电动汽车用SRM系统以其无污染,噪声低,能源转换效率高,结构简单等优点成为将来汽车研究的主要方向。其中关于电动汽车用SRM的研究包括对SRM设计中高效电磁机间的相互转换的研究[1],对SRM功率变换器拓扑电路结构研究[2],SRM各种控制策略的研究[3,4,5]。本文针对电动汽车上用的8/6双凸极SRM非对称桥主电路中的各种控制策略、不同速度段的运行状况进行分析并对各阶段结合控制策略,应用MATLAB进行验证,说明了方案的有效性。
1 电动汽车用SRM整体模型
电动汽车调速系统的配置如图1所示,主要由外围输入设备、控制器、功率变换器、SRM、动力蓄电池作为主要部分。
(1)输入指令,代表对不同路况车速情况的调整,包括启动阶段(转速从零开始加速至给定)、前进指令(稳定转速后的加速、调速和制动)、后退(车速的反向阶段)。总之,能够控制SRM运行于四象限的各种指令[6]。
(2)控制器,即图1中依指令或反馈信号,应用DSP选择控制策略并输出驱动信号的模块,电路根据不同的输入指令、反馈信号结合电机运行状况选择CCC控制、APC控制、电压PWM控制等换相策略和模糊控制、神经网络控制、自适应控制等控制方法。
(3)功率变换器主电路及驱动电路,功率主电路的结构可根据是否有回馈电能的能力分为NERCC和ERCC方式,也可根据每相中电力电子器件的数目分为每相两个开关管,每相一个开关管,每相少于两个开关管的拓扑结构的功率变换器。根据负载状况与电机控制的拓扑结构选择电力电子器件容量及相应的驱动、保护电路等。
(4)开关磁阻电机,主要的控制对象反馈一些控制调节信号,主要包括电流、转速、转子位置、电压等相关参量,为构成转速电流双闭环控制或直接转矩控制需要的位置、电流控制提供参量[7]。
(5)动力蓄电池,主要提供电动汽车动力能源,以及通过采集将自身的状况反馈给控制器处理,防止过充过放电以提高寿命,以及再生回馈能量等过程[8,9]。
2 非对称桥单相工作过程及器件的定额
系统采用8/6极的开关磁阻电机,为减少转矩脉动,采用单双拍工作方式,即AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB,其中A和C互斥,B和D互斥。
不对称半桥式A相励磁变换器如图2所示。BCD相均具有逾期相同的原理。
Q1、Q2分别为同一桥臂电路的A相励磁控制电路上主开关管,D1和D2为续流二极管。当Q1、Q2均导通时,全相电压夹在A相绕组两端;当Q1导通Q2截止或Q1截止Q2导通时,此时D1或D2续流,A相电压两端为零,实现电压斩波效果;当Q1、Q2均截止时,线圈电流经由D1、D2向电容回馈能量。
功率管的选择与开关磁阻电机的容量大小、额定电压、额定电流有关。开关磁阻电机依靠磁拉力工作[10],因此驱动电路要求有较大输出电流,造成驱动电路损耗较大,IGBT的特性较符合这种场合的应用。续流二极管应满足最大电流、电压震荡和电压尖峰的电路要求。考虑过载、电网波动和瞬态尖峰电压和一定的安全裕量,一般选用工作电压的2~3倍。
3SRM控制策略
3.1 SRM反馈信号
(1)位置监测
转子位置的测量包括两种方法:一种是位置传感器测量,位置的检测是确定转子和定子的相对位置,即用固定在电机上的位置传感器检测转子相对位置,根据位置信号控制相应绕组通断。它需根据电机的适用场合选择精度、可靠性较高的传感器。但安装位置传感器增加了电机的结构复杂性,成本增加。
另外一种无位置传感器测量转子位置,它依据测得SRM的角位移和一相或几相的励磁电流,由电压理论方程算出瞬时磁链,通过磁链的大小查表存储于控制器中的预存表对转子瞬时位置进行估算。无位置传感器的方法需根据转速运行高低,选择不同的计算方法;同时对预先存储的磁链-位置表格依赖性较大,位置估算精度受其影响较大。
(2)电流检测
因采用双拍控制方式,则通电电压A相与C相互斥和B相与D相互斥,由于相电流在换相的死区时间内已经降为零,故互斥的相可以共用一个电流互感器。电流传感器选用LEM(磁场平衡式霍尔电流检测器,它集成互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起)对电流采集,实现CCC控制和过电流保护。
(3)速度监测
可以通过直流测速发电机测速,也可以通过根据测得的转子位置对转速进行估算。为考虑成本一般选用估算方法。
3.2 SRM电动、发电状态对开关管的控制
当SRM由恒定电源Us供电时,电路方程可化为:
将其写成电动和发电模式,分别为:
电动模式:
发电状态:
其中
电动运行方式对开通角的要求是电感上升阶段到来之前,关断角是在电感到达最大值之前。之所以这样是因为定子极上的集中绕组电流上升需要时间,故提前开通;又因为在下一相电压导通之前,必须保证前一相电流降到零,所以提前关断。开通角影响电流的幅值和有效值,关断角仅影响电流的有效值。
发电运行方式下,需有励磁情况下,在外部原动力的作用下将机械能转换成电能回馈给电源。由于发电过程中电磁转矩起阻碍转子运动的作用,因此主要工作在电感变化为负的情况下,同理也需要提前开通、提前关断。
3.3 SRM运行过程及相应控制策略
在SRM未达到指定速度时,电源电动势高于绕组电动势,绕组电流会持续增长,固定位置角的磁链与电流成比例增加,但磁链有最大值限制,通常采取恒流控制,称此阶段控制为恒转矩调速。
当转速达到指定速度,此时电源电压不变,但绕组反电动势有可能接近甚至超过电源电压,此时若维持速度在一定范围内调节,需要调节关断角,减少导通时间,降低绕组电流大小,使电机由恒转矩过渡到恒功率状态;但当速度增加到不能通过控制导通时间来有效调节时,电机进入与直流电机运行特性相似的串励特性区。
根据上述SRM运行特点制定如下控制策略:
(1)启动过程 电流斩波的控制策略。保持开关器件的导通时间不变,对励磁提供的电流进行稳定控制,转换至励磁电压PWM占空比调节,实现电机的稳定启动。
(2)中高速调速过程 主要以角度位置的控制(APC)策略。励磁电压为全压,控制开关时间的长短,依据最小磁阻原理和电机的结构,确定开关管的开通位置,导通时间,实现电机转矩较大纹波系数较小的运行。
(3)高速调速过程 通过APC与电流斩波相结合的控制。
(4)制动过程 此过程通过延迟开关管的导通角控制。对电机运行特性进行转换,由电动状态运行到发电状态,通过再生制动将能量回馈给蓄电池或并联的超级电容,从而使能量利用率达到最大。
4 SRM电机仿真
4.1 单相电路仿真与分析
应用MATLAB/Siumlink对开关磁阻电机的A相仿真,对于磁阻电机的A相模拟负载用电感和电阻等效,具体原理如图3所示。仿真过程按照Q1、Q2导通(状态1)-Q1导通Q2截止(状态2)—Q1截止Q2导通(状态3)-Q1截止Q2截止(状态4)进行触发。表1给出开关不同状态下电路工作情况。触发脉冲如图4所示。图4还给出状态1-4过程中续流二极管端电压情况。图5给出了负载电压及电源电流情况。由图5可以看出电源电流为负,说明此电源吸收功率,即开关磁阻电机运行发电状态向电源侧反馈能量。同时由状态2转换到状态3的过程中,有电流突变现象会给系统带来谐波污染,所以在功率较大的场合应考虑软开关的应用。
4.2 系统电路仿真及分析
对四相8/6极SRM系统进行仿真,仿真包括:电压PWM启动过程,SRM按给定转速运行,电机稳定运行向下调速制动过程。具体过程如图6所示。在0.02 s开始电压占空比由0.5开始逐步以0.13的步长增加,当转速超过1 600 r/min时,在0.05 s将供电电压升到正常电压,达到转速稳步上升、电流保持恒定的恒转矩启动目的。1 600 r/min-1 900 r/min的调速范围,通过APC控制,使开通时间在30°,调节导通角固定22.5°它调节至30°。转子在0.09 s时已经到到达近给定速度1 900 r/min,但由于机械惯性转子于0.1 s超调至2 000 r/min。
经过一段时间到0.15 s处稳定运行于给定速度,在0.2 s出将系统由1 900 r/min调速到1 400 r/min。此时开关管的导通角保持18°,但导通、关断角22.5°,使电机处于回馈制动状态。
由仿真可得到结论:
(1)空载启动时,负载电流变化较大。为保护器件同时防止磁饱和采用电压PWM控制,降低了励磁电流,同时降低转矩纹波系数。
(2)带负载运行时,转矩脉动跟输入直流电压大小有关。输入电压越大,转矩脉动越小。仿真过程中为减小脉动,增大SRM控制回路开关管导通时间,增大对SRM励磁电流,是转矩瞬速提升满足负载要求,稳定转速。
(3)额定转速以下调速,采用回馈制动方式。将导通截止角均滞后正常角度的22.5°,SRM由电动状态转入到发电状态,有效地利用反馈制动降速。
5 结束语
本文对电动汽车用SRM的运行状况和控制策略进行详细的介绍和分析。介绍了电动汽车不同运行情况下的应该使用的控制策略。对不对称电路拓扑结构进行状态分析和器件定额做出选择标准,同时对开关磁阻电机中控制角的导通、截止以及导通角进行介绍分析并对闭环回路中所需要的采集量进行分析和使用介绍。文章最后给对SRM单相拓扑电路进行仿真,阐述各种控制方式所应有条件基础,最后系统结合不同运行阶段使用控制策略进行仿真,并得出相应的结论,证明了系统中控制策略的有效性。
参考文献
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汽车仿真实训教学系统开发及应用 第11篇
关键词 汽车实训；虚拟仿真；教学系统
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2012）33-0044-02
1 引言
汽车工业的飞速发展使社会对汽车专业人才的需求不断增长，越来越多的各类高校开设了车辆工程专业。职业教育强调以就业为导向的“就业教育”，担负着为社会培养具有较强实践能力的应用型、技能型、工艺型人才的重任[1]。然而，高校培养出的应用型车辆工程专业人才与社会实际需要并不相符，其主要原因在于现有的教育体系不适应社会发展需要，过分强调理论知识的灌输，缺乏实践技能训练方面的培养。因此，只有革新现有教学体系，突出实践教学，才能培养出理论和实践层面均出色的应用型人才。但是由于受到教育资金投入、场地、师资等诸多因素的影响，多数院校在实践教学环节上并无太大的改善，教育教学设施、实训手段的不足制约着高职教育的发展。在汽车制造技术日新月异的时代，必须在汽车教学中根据学生的实际学习情况，紧跟现代汽车工业发展的步伐，不断探索新的教学方法，寻找新的亮点，不断进行汽车实训教学改革，使学生更快、更好地掌握新的知识点，才能培养出社会所需要的高技能、应用型人才。
仿真教学是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术、多媒体技术结合的产物，也是教育领域应用信息技术的一种创新。仿真教学模式的应用，不仅可以解决以上问题，还能充分体现“学生为主体，能力为本位”的指导思想，为学生提供大量实践性和操作性的现场教学情境，可有效提高教学质量。本文对汽车专业课程和实践特点进行分析后，在Visual C++ 6.0平台下，结合多种软件技术开发了汽车仿真实训教学系统。
2 系统设计思路与功能
2.1 系统功能设计思路
汽车专业的课程和实践有不同的特点，本文分别针对这些特点对汽车仿真实训教学系统进行模块化构建。
1）汽车专业理论课程体系。汽车专业的理论课程体系中有很多课程（如汽车构造、自动变速器结构原理等）具有很强的实践性，在传统的理论教学过程中，汽车的某些结构部件在教学过程中不易展示，特别是一些内部构造，只能通过教师板书或静态图片演示。这种教学方式缺点在于：很难直观地体现汽车构造部件的运动方式及原理；讲解过程中非常耗时耗力，效率非常低；缺乏生动和立体感，对学生来说难于理解、不易接受，学生虽然学习了理论课，但对汽车的内部结构和原理、故障诊断还是模糊不清。本文设计的教学系统通过大量的立体动画（3D建模）、平面图像与动画等视频或虚拟仿真技术来演示汽车原理及结构，使原本枯燥、机械的教学模式得以丰富和生动化，对学生而言就变得更加容易理解与接受。
2）汽车专业实践教学。各高职院校汽车专业的实训内容普遍采用“发动机总成拆装实训”“底盘拆装实训”“电喷发动机故障排除实训”“车身电器实训”“维修实训”等，但是由于受设备、场地、师资等的限制，在有限的实训期间不可能把这些实训内容都学深学透。现在的汽车修理模式已由传统的拆卸修理型转变为诊断型，知识密集性和技能综合性已成为现代汽车维修职业技能的重要特点[2]。所以应该转变传统的教学观念，将汽车校内实训基地作为一个系统来建设，将实训室与教室、仿真装置与实际装置、理论与实践相结合，体现教、学、做一体化，建立基础技能实训平台、专项技能实训平台和具有真实工厂氛围的综合技能平台，形成完整的汽车专业职业技能培养链[3]。
例如，“发动机总成拆装实训”教学应该是在特定的实训环境中，以真实的汽车或汽车零部件为载体，同时以仿真软件为辅助手段，利用汽车仿真技术，让学生先熟悉各拆装步骤及拆装工具，然后在仿真模块里进行模拟拆装，使学生在规范的汽车拆装过程中真正理解汽车的结构原理，用汽车专业理论知识及检测设备去分析汽车故障产生的原因，正确使用维修设备及工具去排除故障，并进一步拓展和深化汽车专业知识的运用，使学生的汽车维修技能更加熟练化。
汽车专业的课程大多数实践性很强，很多内容学生难以理解消化，学生学习起来也比较枯燥。为了培养学生的学习兴趣，在本文开发的汽车仿真实训教学系统中还增加一个汽车文化模块，让学生理解汽车的发展、汽车的新技术，同时把往届学生参加各类创新大赛的作品以视频方式收录进来，激发学生对汽车的热爱和创新精神。
2.2 系统具有的功能
如图1所示，根据汽车专业课程和实践的特点和设计思想，将汽车仿真实训教学系统总体分为三大模块：理论课程体系、实训仿真教学、汽车文化。各模块对应相应的功能：理论课程体系主要以立体动画（3D建模）、平面图像与动画等视频或虚拟仿真技术来演示汽车原理及内部结构；实训仿真教学又细分为实践教学和汽车仿真两部分，以经验丰富的专业教师现场指导视频动画，让学生熟悉实践教学内容，并利用汽车仿真技术使学生模拟操作，让学生产生一定的现场教学情境；汽车文化模块中收纳大量汽车新技术、汽车车展、汽车奇闻趣事及本校学生各类创新大赛的视频作品。
3 汽车仿真实训教学系统的技术实现
3.1 开发平台所需的软件
软件包括Visual C++ 6.0、DirectX9.0 SDK、Vega、CATIA、3Dmax等。
3.2 软件特点
1）系统采用基于对话框技术，大部分操作通过鼠标进行，用户操作方便。
2）以VC++6.0作为开发语言，应用CATIA、3Dmax作为三维建模工具，DirectX作为图形音效等多媒体引擎[4]，Vega作为动态仿真渲染工具，使该教学系统具有视频演示、仿真等实践教学功能。同时，该教学系统具有一定的移植性和可扩展性，能随着后期技术的提高进一步开发与完善。
3）系统分为理论课程体系、实训仿真教学、汽车文化等多个模块，可以从多方面加强学生对学习内容的理解，激发学生的学习兴趣。
3.3 软件实现界面
本文所提汽车仿真实训教学系统部分主要界面如图2、图3所示。通过这套汽车仿真实训教学系统，能以动画、视频播放、仿真等多种方式使学生更深入理解汽车专业的理论课程及实践教学内容，培养学生的学习兴趣，取得较好的教学效果。但是也应该让学生明白，仿真技术只是一种辅助教学手段，仿真与实际操作有较大的差别，以避免学生过分依赖仿真系统。
4 结束语
仿真技术已成为当前先进的手段，本文在VC++平台下开发的汽车仿真教学系统具有多个功能模块，能应用于汽车专业的理论和实践教学环节，对培养学生的学习兴趣、提高教学质量有较明显的作用。但是汽车专业教学涉及的内容比较庞大，对汽车专业仿真教学的研究是个长期的过程，拟在后期对该汽车仿真实训教学系统进行进一步改进，将内容细化，增加故障检测、维修及诊断仿真，同时增强操作界面的美观及便捷度。
参考文献
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电动汽车仿真 第12篇
关键词：增程式电动车,动力匹配,系统建模,模式切换控制,性能仿真
增程式电动汽车(extended-range electric vehicle,E-REV)是一种特殊的混合动力电动汽车,其动力系统由动力电池系统、动力驱动系统、整车控制系统和辅助动力系统(APU)组成,由整车控制器完成运行控制策略,是传统内燃机汽车向纯电动汽车的过渡车型[1,2]。
增程式电动汽车的基本性能在道路试验之后进行评价,存在开发周期长,研发成本不可控等问题。而且在产品开发阶段,对方案确定与参数匹配等都具有一定的盲目性,甚至可能遗漏最优方案,从而造成浪费。张翔等[3]针对Advisor在电动汽车上的应用进行了研究,解决了电动汽车开发周期长,研发成本高的问题。汪永嘉等[4]以Advisor为平台,对纯电动赛车动力系统进行参数设计与仿真研究,为电动汽车的设计、性能预测和分析提供了参考。李宪民[5]以Advisor为研究平台,对混合动力电动汽车的传动系统和控制策略进行仿真建模,为开发增程式电动汽车提供了依据与参考。
本文尝试以Matlab/Simulink为平台,在Advisor串联式混合动力电动汽车模型的基础上,对增程式电动汽车进行参数匹配,对整车动力学模型、发电机模型以及蓄电池模型等进行修改,同时建立多模式切换控制策略,并在CYC_1015循环工况对动力性和经济性进行研究,以达到缩短产品开发周期,节约研发成本的目的。
1 增程式电动汽车动力系统参数匹配
1.1 驱动电机参数匹配
驱动电机是增程式电动汽车行驶的动力源,增程式电动汽车要求驱动电机在爬坡或低速时能够提供大转矩,在加速时提供大功率,同时需要较大的调速范围,所以电机的峰值转矩必须满足整车相应的爬坡需求。整车动力要求见表1。
峰值功率Pemax应达到最高车速、加速时间及爬坡性能分别对应的最大功率需求[6]:
式中,Pm1为最高车速所需电动机功率;ηt为传递系统传递效率;Pm2为最大爬坡度所需电机功率;Pm3为加速时间所需电机功率;uf为加速结束后的最终车速;ub为额定转速对应的车速;up为爬坡时车速;ta为预期加速时间;umax为最高行驶车速;δ为旋转质量转换系数;αmax为最大坡度角;m为汽车质量;A为迎风面积;f为滚动阻力系数;CD为风阻系数。
综合考虑动力性的各项指标,电动机额定功率和峰值功率为[7]:
电动机的额定转矩与峰值转矩为:
驱动电机参数初步确定之后,还需验证是否满足最高车速与定速最大爬坡度的要求[8]。
式(8)中,λ为电动机过载系数;ne为电动机额定转速。
1.2 蓄电池参数匹配
蓄电池是电动汽车的主要能量来源,电池参数匹配包括电池类型选择、单体电池个数确定等。对增程式电动汽车而言,要求电池的电压等级与电动机的电压等级相一致,且符合电机电压变化要求。
蓄电池能量应满足条件[9,10]:
蓄电池最大放电功率Pbat_max需满足:
电池数量n为:
式中,EB为蓄电池能量(k W·h);Um为蓄电池端电压(V);CE为蓄电池容量(A·h);ηmc为电动机效率;ηdis为蓄电池放电效率;ηa为汽车附件能量消耗比例系数;S1为纯电动行驶里程(kw);DOD为蓄电池的放电深度。
1.3 增程器参数匹配
增程器采用车载模式,与纯电动汽车的动力系统固定在一起,在蓄电池SOC值低于设定值时或蓄电池出现故障时,可保持平均行驶车速匀速行驶,在增程模式下,发动机驱动发电机为蓄电池充电,所以要求具有相当的动力性,故需要匹配发动机/发电机参数。
通常以满足最高车速为标准初选发动机功率。发动机额定功率的选择应大于该理论值,以承载连续非牵引负载。同时根据发动机燃油消耗MAP图,可计算油箱容积[11,12]:
式中,S2为增程续驶里程;fc为发动机高效工作时的油耗(L/h);PRE为发动机额定功率理论值。
由1.1、1.2、1.3计算选型,可得驱动电机、蓄电池以及增程器参数匹配结如表2所示。
2 E-REV动力系统主要部件模型
2.1 车身仿真模型
车身仿真模型如图1所示,包括滚动阻力、坡度阻力、迎风阻力、加速阻力计算子模块,以及汽车车速计算子模块。
2.2 永磁同步电动机仿真模型
电动汽车用的交流电动机/控制器如图2所示,包括转动惯量影响子模块、转速评价器、转矩限制子模块以及温度控制子模块等。
此模块可以计算牵引电机转矩、转速、输入功率以及对电动机的转矩、转速进行限制,并控制牵引电动机的温度;输入控制电动机特性,并对转动惯量以及电动机温度的影响进行计算,最后得到电动机输出的有效驱动转矩和转速,以及电动机输入的能量。
图1增程式电动汽车车身模型Fig.1 Simulink model of E-REV
2.3 发动机仿真模型
发动机采用的是直列四缸汽油发动机,要求模型具有较高的精确性,因为发动机工作性能的好坏与电动汽车经济性和动力性直接相关,将其万有特性曲线倒入ADVISOR的image2 map中。
3 E-REV驱动系统切换控制及性能研究
3.1 动力驱动切换控制系统设计
当汽车的SOC降至最低值时,电动汽车进入增程模式运行,此时能量有两条传递路线。一条为发动机—发电机—传动系—电动机;另一条路线是经过蓄电池环节的能量传递。
电池放电效率、放电功率与电池内部存储的功率有关,根据发动机万有特性曲线,标记出发动机燃油经济性的最优工作区,并计算蓄电池的充电效率与放电效率[13,14]。电池放电效率为:
放电功率为:
电池充电效率为:
充电电流为:
电动机转速为:
式中,Pdis为放电功率;Pstore为电池内部存储功率,Preq为汽车需求功率,Pch为充电功率,Idis,Ich分别为放电电流、充电电流,Rdis,Rch分别为放电内阻、充电内阻,Uch为充电电压,k(t)为车辆传动比。
通过以上计算公式,结合匹配参数,得出发动机高效工作区域在1 800~4 500 r/min,两种能量传递路线发动机的临界值是4.9 k W,发动机的最优工作区域为15.9~42.7 k W。蓄电池在SOC值为0.32~0.75时是高效放电区,所以将该区域设为工作区域。将驱动模式下的工作状态分为6个区域,并将需求功率小于0的状态,定义为制动能量回收阶段。
根据以上的工作状态,得出控制流状态转换逻辑框图,如图3所示。
3.2 循环工况的选择
选择Advisor中由美国环境保护署制定的城市道路循环CYC_1015作为循环工况对整车性能进行仿真[15]。
在Advisor原有的串联式混合动力电动汽车顶层模块的基础上,修改相应的控制策略、整车以及驱动电动机等脚本文件,设置加速试验与坡度试验参数。
3.3 动力性与经济性分析
3.3.1 动力性分析
图4是优化后电动汽车在CYC_1015循环工况下电动机工作点图和电动机工作效率图,图5是优化前电动汽车在CYC_1015循环工况下电动机工作效率图,从图5中看出,电动机扭矩集中在-50~200 N·m之间,峰值转矩接近170 N·m,而所选电动机的峰值转矩是178 N·m,所以电动机可以正常工作。同时电动机工作时综合效率为82.8%,比优化前提高了3%。由此可见电动机满足峰值时对车辆的动力性要求。
图6是优化后电动汽车在CYC_1015循环工况下发动机的工作点图和发动机工作效率图,图7是优化前电动汽车在CYC_1015循环工况下发动机的工作效率图,从图中可看出发动机扭矩输出图集中在50~100 N·m,峰值扭矩接近100 N·m,发动机选型最大功率为43 k W,最大扭矩为125 N·m,满足车辆的动力性要求。同时发动机工作时综合效率为19.4%,比优化前提高了29%。
综上所述,发动机与电动机的选型都是合理并且可以满足电动汽车动力性的要求。
3.3.2 经济性分析
CYC_1015循环工况下SOC变化情况如图8所示。SOC值始终在高效放电区内波动。在该循环工况下,车辆油耗为6.3 L/km,节油率达到37%。图9为蓄电池充放电效率分布点图,从图中可看出蓄电池放电效率大都维持在97.3%左右,再生制动时的充电效率也维持在88.7%以上。
3.3.3 排放性分析
整车在CYC_1015循环工况下,废气排放情况如表4所示。从表中可看出,在CYC_1015循环工况下,优化后的废气排放情况得到明显改善,HC、CO、NOx排放量分别减少75%、69.3%、100%。
4 结论
(1)对增程式电动汽车电动化底盘进行了参数设计与理论计算,得出了发动机的高效工作区域为1 800~4 500 r/min,蓄电池在SOC值为0.32~0.75时是高效放电区,并在此基础上对整车进行建模。
(2)以铃木Alto为例,对整车进行CYC_1015循环工况性能仿真,结果表明整车的动力性、经济性和排放性能都满足预期设计目标,电动机工作效率集中在82.2%,比优化前提高3%。发动机工作效率19.4%,比优化前提高29%,百公里油耗下降了37%,HC、CO与NOx排放量分别减少75%、69.3%、100%。
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