智能电动汽车动力性仿真

智能电动汽车动力性仿真
- 简介
- 使用说明

简介

   电动汽车动力性评价指标主要有最高车速、加速能力和坡道起步能力。最高车速是指电动汽车能够往返各持续行驶1km以上距离的最高平均车速；加速能力是指电动汽车从速度u₁加速到u₂所需的最短时间；坡道起步能力是指电动汽车在坡道上能够启动且1min内向上行驶至少10m的最短时间。

使用说明

一、实验目的

建立电动汽车动力性数学模型
绘制电动汽车动力性仿真曲线
分析影响电动汽车动力性的因素

二、仿真数据

完成电动汽车动力性仿真所需参数见表7-2-1。

表 7-2-1 电动汽车动力性仿真所需参数

整车质量/kg	轮胎滚动半径/m	迎风面积／ /m²	总传动比
1575	0.318	2.5	8.3
峰值功率/kW	峰值转矩/N·m	额定功率/kW	额定转矩/N·m
70	210	35	105
传动系统效率	空气阻力系数	滚动阻力系数	旋转质量换算系数
0.9	0.3	0.012	1.1

三、实验步骤

1.建立电动汽车动力性数学模型

原理参见教材第7章实例2

2.绘制电动汽车动力性仿真曲线

根据电动汽车动力性数学模型，编写绘制电动汽车动力性仿真曲线的MWORKS程序。

# 定义所需的参数

m = 1575 # 汽车质量

r = 0.318 # 轮胎半径

Cd = 0.3 # 空气动力学阻力系数

A = 2.5 # 汽车正面投影面积

f = 0.012 # 滚动阻力系数

at = 0.9 # 加速踏板开度

dt = 1.1 # 刹车踏板开度

it = 8.3 # 减速器传动比

g = 9.8 # 重力加速度

Pm = 70 # 发动机最大功率

Tm = 210 # 发动机最大扭矩

Pr = 35 # 发动机额定功率

Tr = 105 # 发动机额定扭矩

aa = 0 # 爬坡角度

nn = Pr * 9550 / Tr # 发动机额定转速

Ff = m * g * f * cos(aa) # 滚动阻力

Fj = m * g * sin(aa) # 上坡阻力

# 初始化变量和数组

v = zeros(1901) # 速度

n = zeros(1901) # 发动机转速

Ft = zeros(1901) # 汽车驱动力

Fw = zeros(1901) # 空气动力学阻力

F = zeros(1901) # 总阻力

a = zeros(1901) # 加速度

angle = zeros(1901) # 爬坡度

vmax = 0 # 最大车速

# 计算不同速度下的驱动力、阻力和加速度

for i in 1:1901

v[i] = 0.1 * i - 0.1

n[i] = it * v[i] / r / 0.377

if n[i] < nn

Ft[i] = Tm * it * at / r

else

Ft[i] = (Pm * 9550 / n[i]) * it * at / r

end

Fw[i] = Cd * A * (v[i]^2) / 21.15

F[i] = Fw[i] + Ff + Fj

if abs(Ft[i] - F[i]) < 1

global vmax = v[i]

end

a[i] = (Ft[i] - F[i]) / dt / m

angle[i] = tan(asin((Ft[i] - Fw[i] - Ff) / m / g)) * 100

end

# 初始化加速度计算所需的变量和数组

va = zeros(1902) # 速度

na = zeros(1901) # 发动机转速

Fta = zeros(1901) # 汽车驱动力

Fwa = zeros(1901) # 空气动力学阻力

Fa = zeros(1901) # 总阻力

acc = zeros(1901) # 加速度

ta = 0 # 百公里加速时间

# 计算百公里加速时间

for j in 1:1901

va[1] = 0

na[j] = it * va[j] / r / 0.377

if na[j] < nn

Fta[j] = Tm * it * at / r

else

Fta[j] = (Pm * 9550 / na[j]) * it * at / r

end

Fwa[j] = Cd * A * (va[j]^2) / 21.15

Fa[j] = Fwa[j] + Ff + Fj

acc[j] = (Fta[j] - Fa[j]) / m / at

va[j+1] = va[j] + acc[j] * 0.1 * 3.6

if abs(va[j] - 100) < 0.5

global ta = (j - 1) * 0.1

end

end

# 绘制图表1：速度和驱动力与行驶阻力之间的关系

figure(1)

plot(v, Ft, v, F)

grid()

text(75, 600, "滚动阻力")

text(100, 2300, "驱动力")

xlabel("速度/(km/h)")

ylabel("电动汽车驱动力-行驶阻力/N")

println("最大车速 vmax==$vmax km/h")

# 绘制图表2：速度和加速度之间的关系

figure(2)

plot(v, a)

axis([0 xlim()[2] 0 3])

grid()

xlabel("速度/(km/h)")

ylabel("加速度/(m/s^2)")

# 绘制图表3：时间和速度之间的关系

figure(3)

t = 0:1901

plot(t * 0.1, va)

grid()

xlabel("时间/s)")

ylabel("速度/(km/h)")

println("百公里加速时间 t=$ta s")

# 绘制图表4：速度和爬坡度之间的关系

figure(4)

plot(v, angle)

axis([0 xlim()[2] 0 35])

grid()

xlabel("速度/(km/h)")

ylabel("爬坡度/%")

println("最大爬坡度 angle=", angle[1], "s")

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，就可得到电动汽车驱动力-行驶阻力平衡图(图7-2-1)、电动汽车最大加速度曲线(图7-2-2)，电动汽车加速时间曲线(图7-2-3)、电动汽车最大爬坡度曲线(图7-2-4)。最高车速为176km/h；百公里加速时间为11.8s；最大爬坡度为32.3%。

图7-2-1 电动汽车驱动力-行驶阻力平衡图

图7-2-2 电动汽车最大加速度曲线

图7-2-3 电动汽车加速时间曲线

图7-2-4 电动汽车最大爬坡度曲线

3.分析影响电动汽车动力性的因素

（1）对最高车速的影响。主要因素有电机峰值功率、整车质量、空气阻力系数等。电机峰值功率与最高车速之间的关系为

根据式(7-2-15)～式(7-2-17)，编写分析电机峰值功率、整车质量、空气阻力系数对电动车最高车速影响的MWORKS程序如下。

# 定义所需的参数

m = 1575 # 汽车质量

Cd = 0.3 # 空气动力学阻力系数

A = 2.5 # 汽车正面投影面积

f = 0.012 # 滚动阻力系数

at = 0.9 # 加速踏板开度

g = 9.8 # 重力加速度

# 绘制图表1：峰值功率与最高车速之间的关系

figure(1)

u = 120:1:180

Pm = (m * g * f * u + Cd * A * u .^ 3 / 21.15) ./ 3600 / at

plot(Pm, u)

xlabel("峰值功率/kW")

ylabel("最高车速/(km/h)")

# 绘制图表2：整车质量与最高车速之间的关系

figure(2)

Pm = 70

u = 120:1:180

m = 3600 * at * Pm ./ (g * u * f) - (Cd * A * u .^ 2) ./ 21.15 / g / f

plot(m, u)

xlabel("整车质量/kg")

ylabel("最高车速/(km/h)")

# 绘制图表3：空气阻力系数与最高车速之间的关系

figure(3)

m = 1575

u = 120:1:180

Cd = 21.15 .* (3600 * at * Pm ./ u .- m * g * f) ./ (A * u .^ 2)

plot(Cd, u)

xlabel("空气阻力系数")

ylabel("最高车速/(km/h)")

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，就可得到电动汽车最高车速与电机峰值功率、整车质量、空气阻力系数的关系曲线。从图7-2-5所示的电动汽车最高车速与电机峰值功率的关系曲线可以看出，电机峰值功率越大，电动汽车最高车速越高。

图7-2-5 电动汽车最高车速与电机峰值功率的关系曲线从图7-2-6所示的电动汽车最高车速与整车质量的关系曲线可以看出，整车质量越大，电动汽车最高车速越小。

图7-2-6 电动汽车最高车速与整车质量的关系曲线从图7-2-7所示的电动汽车最高车速与空气阻力系数的关系曲线可以看出，空气阻力系数越大，电动汽车最高车速越小。

图7-2-7 电动汽车最高车速与空气阻力系数的关系曲线

（2）对加速能力的影响。利用加速时间数学模型，编写分析电机峰值功率、整车质量、空气阻力系数对电动汽车加速时间影响的MWORKS程序如下。

# 定义所需的参数

m = 1575 # 汽车质量

Cd = 0.3 # 空气动力学阻力系数

A = 2.5 # 汽车正面投影面积

f = 0.012 # 滚动阻力系数

at = 0.9 # 加速踏板开度

g = 9.8 # 重力加速度

dt = 1.1 # 时间步长

# 绘制图表1：功率与加速时间之间的关系

fig1 = figure(1)

t = zeros(51)

for i in 1:51

local Pm = 49 + i

local u = 0:100

Ft = 3600 * Pm * at ./ u

F1 = m * g * f .+ Cd * A * u .^ 2 / 21.15

a = (Ft - F1) / (dt * m)

b = 1.0 ./ a

avg_b = b[1:100] + diff(b) / 2

deta_t = diff(u) .* avg_b

t[i] = sum(deta_t) / 3.6

end

Pm = 50:100

T = Float64.(t)

plot(Pm, T)

xlabel("功率/kW")

ylabel("加速时间/s")

# 绘制图表2：整车质量与加速时间之间的关系

fig2 = figure(2)

Pm = 70

t = zeros(701)

for i in 1:701

global m = 1299 + i

local u = 0:100

Ft = 3600 * Pm * at ./ u

F1 = m * g * f .+ Cd * A * u .^ 2 / 21.15

a = (Ft - F1) / (dt * m)

b = 1.0 ./ a

avg_b = b[1:100] + diff(b) / 2

deta_t = diff(u) .* avg_b

t[i] = sum(deta_t) / 3.6

end

m = 1300:2000

T = Float64.(t)

plot(m, T)

xlabel("整车质量/kg")

ylabel("加速时间/s")

# 绘制图表3：空气阻力系数与加速时间之间的关系

fig3 = figure(3)

m = 1575

u = 0:100

t = zeros(81)

for i in 1:81

global Cd = 0.2 + 0.01 * (i - 1)

Ft = 3600 * Pm * at ./ u

F1 = m * g * f .+ Cd * A * u .^ 2 / 21.15

a = (Ft - F1) / (dt * m)

b = 1.0 ./ a

avg_b = b[1:100] + diff(b) / 2

deta_t = diff(u) .* avg_b

t[i] = sum(deta_t) / 3.6

end

Cd = 0.2:0.01:1

T = Float64.(t)

plot(Cd, T)

xlabel("空气阻力系数")

ylabel("加速时间/s")

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，就可得到电动汽车加速时间与电机峰值功率、整车质量、空气阻力系数的关系曲线。从图7-2-8所示的电动汽车加速时间与电机峰值功率的关系曲线可以看出，电机峰值功率越大，电动汽车加速时间越短。

图7-2-8 电动汽车加速时间与电机峰值功率的关系曲线从图7-2-9所示的电动汽车加速时间与整车质量的关系曲线可以看出，整车质量越大，电动汽车加速时间越长。

图7-2-9 电动汽车加速时间与整车质量的关系曲线

从图7-2-10所示的电动汽车加速时间与空气阻力系数的关系曲线可以看出，空气阻力系数越大，电动汽车加速时间越长。

图7-2-10 电动汽车加速时间与空气阻力系数的关系曲线（3）对坡道起步能力的影响。根据最大爬坡度数学模型，编制分析电机峰值功率、整车质量、空气阻力系数对电动汽车最大爬坡度影响的MWORKS程序如下。

# 定义所需的参数

m = 1575 # 汽车质量

Cd = 0.3 # 空气动力学阻力系数

A = 2.5 # 汽车正面投影面积

f = 0.012 # 滚动阻力系数

at = 0.9 # 加速踏板开度

g = 9.8 # 重力加速度

# 绘制图表1：峰值功率与最大爬坡度之间的关系

fig1 = figure(1)

Pm = 50:1:100

u = [50, 70, 90]

gss = ["-", ":", "--"]

nas = ["爬坡速度 50km/h", "爬坡速度 70km/h", "爬坡速度 90km/h"]

I1 = []

for i in 1:3

Ft = 3600 * Pm * at ./ u[i]

Fw = Cd * A * u[i] .^ 2 / 21.15

D = (Ft .- Fw) ./ (m * g)

I = asin.((D .- f .* (-D .^ 2 .+ f .^ 2 .+ 1) .^ 0.5) ./ (f .^ 2 .+ 1))

push!(I1, tan.(I) * 100)

end

plot(Pm, I1[1], gss[1], Pm, I1[2], gss[2], Pm, I1[3], gss[3])

xlabel("峰值功率/kW")

ylabel("最大爬坡度/%")

legend(nas)

# 绘制图表2：整车质量与最大爬坡度之间的关系

fig2 = figure(2)

Pm = 70

m = 1300:1:2000

u = [50, 70, 90]

I1 = []

for i in 1:3

Ft = 3600 * Pm * at ./ u[i]

Fw = Cd * A * u[i] .^ 2 / 21.15

D = (Ft .- Fw) ./ (m * g)

I = asin.((D .- f .* (-D .^ 2 .+ f .^ 2 .+ 1) .^ 0.5) ./ (f .^ 2 .+ 1))

push!(I1, tan.(I) * 100)

end

plot(m, I1[1], gss[1], m, I1[2], gss[2], m, I1[3], gss[3])

xlabel("整车质量/kg")

ylabel("最大爬坡度/%")

legend(nas)

# 绘制图表3：空气阻力系数与最大爬坡度之间的关系

fig3 = figure(3)

m = 1575

Cd = 0.2:0.01:1

u = [50, 70, 90]

I1 = []

for i in 1:3

Ft = 3600 * Pm * at ./ u[i]

Fw = Cd * A * u[i] .^ 2 / 21.15

D = (Ft .- Fw) ./ (m * g)

I = asin.((D .- f .* (-D .^ 2 .+ f .^ 2 .+ 1) .^ 0.5) ./ (f .^ 2 .+ 1))

push!(I1, tan.(I) * 100)

end

plot(Cd, I1[1], gss[1], Cd, I1[2], gss[2], Cd, I1[3], gss[3])

xlabel("空气阻力系数")

ylabel("最大爬坡度/%")

legend(nas)

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，就可得到电动汽车最大爬坡度与电机峰值功率、整车质量、空气阻力系数的关系曲线。从图7-2-11所示的电动汽车最大爬坡度与电机峰值功率的关系曲线可以看出，电机峰值功率越大，电动汽车最大爬坡度越大；爬坡速度越高，最大爬坡度越小。

图7-2-11 电动汽车最大爬坡度与电机峰值功率的关系曲线

从图7-2-12所示的电动汽车最大爬坡度与整车质量的关系曲线可以看出，整车质量越大，电动汽车最大爬坡度越小。

图7-2-12 电动汽车最大爬坡度与整车质量的关系曲线

从图7-2-13所示的电动汽车最大爬坡度与空气阻力系数的关系曲线可以看出，空气阻力系数越大，电动汽车最大爬坡度越小。

图7-2-13 电动汽车最大爬坡度与空气阻力系数的关系曲线