问大家一个问题,你认为要做一个车辆的仿真模型最大的难点是什么?
最近后台有铁子问,“我零基础,需要做一个简单的车辆仿真模型,我该从哪些方面入手?”
我告诉他,“
你先别愁,建立这种基础的模型其实简单的很,不需要多高深的理论基础,也不需要多精通软件使用技巧。”
这个铁子一个鲤鱼打挺,
“真的吗?”
“那当然”
“那你快告诉我,完成一个仿真模型需要怎么做呢?”
“你听我慢慢……”
在这个系列,我打算做成基于simulink车辆动力经济性仿真建模的基础教程。
有多基础?手把手让你从不会到……到什么程度我就不好说了,我会尽可能把完整建模过程展示出来。你们照着葫芦画瓢,应该能把模型搞出来。
将通过10篇左右的文章详细介绍通过Matlab/Simulink建立车辆模型的方法, 大概的内容是这样的。当然,以实际更新内容为准。
说明一下哈,这个系列是Matlab/Simulink车辆建模基础教程、基础教程、基础教程。介绍的是以纯电车为例的车辆仿真模型建立的理论及方法,只实现基本的仿真逻辑。
零基础接触车辆仿真,或者因为搞毕设疯狂挠头的铁子可以看一下,比较熟悉仿真或者做工程仿真应用的铁子可以关了。
不关是吧,那你看到最后给我点个“在看”吧。
本文先介绍需要了解的基础知识,这里我将其分两类:一是汽车理论的相关知识,二是仿真软件使用的相关知识。
汽车理论基础知识
既然介绍基础知识,我就从最基础的开始讲。
什么?汽车理论你都倒背如流了?那你也可以关了。
你不关是吧,那你接着看吧。
汽车是一个复杂系统,为了充分描述其运动特性,需要用大量的力学及运动学方程。
我知道你一听到力学及运动学就头秃,但是你先别秃。
我们只讨论车辆驱动的基本原理,而动力经济性仅限于纵向的一维运动。所以别慌,真用不到几个公式。
在介绍公式之前你需要先了解下你做模型最终的目标-即模型的输出是什么。
“
汽车动力性定义与评价指标
汽车动力性概括来讲,是指汽车在良好路面上直线行驶时,由汽车受到的纵向外力决定、所能达到的平均行驶速度。通常用最高车速、爬坡能力、加速时间表征。
①最高车速
指在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度。
对于纯电动汽车,最高车速又分为1km最高车速及30min最高车速。
1km最高车速:电动汽车能够往返各持续行驶1km以上的距离的最高车速的平均值,衡量的是车辆的瞬态能力。通常受限于两方面的因素:一是车辆牵引力与阻力的平衡状态;二是驱动系统最高转速与传动系统传动比的匹配状态。
30min最高车速:电动汽车能够持续行驶30min以上的最高平均车速,衡量的是车辆的稳态能力。除上述两方面因素外,还受驱动系统稳态工作能力、储能系统稳态输出能力的限制。
你们做毕设或者课设通常用不到30min最高车速,当然也不绝对,所以可以简单了解下。
②爬坡能力
指车辆以某一恒定速度所能克服的最大坡度。
坡度通常用百分比(%)表示,即坡度角的正切(tan)值。将坡度及坡度角概念混淆,这也是许多初学者容易犯的错误。
③加速时间
指车辆在水平良好的路面上从速度V1加速到速度V2所需要的时间,通常包括起步加速时间(V1=0)和超越加速时间(V1≠0)。
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汽车经济性定义与评价指标
汽车的经济性是指车辆行驶一定距离所消耗的能量,或者车辆消耗单位能量所能行驶的距离,通常用能耗和续驶里程表征。
对于燃油汽车,通常用行驶100km的油耗(L/100km)来评价车辆经济性。
对于纯电动汽车,通常用行驶100km的电耗(kwh/100km)和纯电续驶里程(km)来评价车辆经济性。
对于混合动力汽车,通常用行驶100km的加权油耗(L/100km)和纯电纯电续驶里程(km)来评价车辆经济性。
了解了车辆的评价指标,在建立模型时你就知道你建模的终极目的—即模型的最终输出是什么了。
当然,这个系列里我们只用到纯电动车的指标,其他的稍微了解下即可。
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车辆的行驶阻力
车辆阻力包含空气阻力、轮胎滚动阻力、传动系阻力、坡道阻力和加速阻力。这里只讨论基本的汽车运动方程,不讨论传动系阻力。
当车辆在路面上匀速行驶,所受阻力用公式描述如下。(这个公式挠破头也得背下来!)
看到这里,可能有铁子要问了,我要考虑车辆动态特性,加速时受到的阻力呢?先别急,我们放在后面谈。
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车辆的驱动力
假设你站讲台上开始答辩了,这时候老师问了个问题:车辆的直接驱动力来自于什么?
你想这题我会,然后脱口而出:发动机或驱动电机!
恭喜你,歪沟里去了,准备好接受老师春风化雨般的谆谆教诲吧。
车辆的驱动力由驱动单元的转矩产生,通过传动系传递到驱动车轮后,由地面对驱动轮产生的反作用力驱动车轮,此外力称为汽车的驱动力。
车辆纵向的运动状态,取决于车辆驱动力Ft和阻力Fr之间的关系,有以下三种情况:
车辆的驱动力按下式计算(这个公式也得背下来):
同时车辆的驱动力受限于轮胎与地面的附着力,对于简单的模型,可以不考虑滑转状态。
车辆运动状态描述
那么我们知道了车辆的阻力、知道了车辆的驱动力,车辆的运动状态怎么描述呢。
这时候我们就要请出牛大爷,哦不,牛顿第二定律了。
物体的加速度怎么求?
对于运动的车辆来说,这个F等于什么呢?
等于驱动力-行驶阻力,即
质量m又等于什么呢?等于车辆质量?
你如果点头,那恭喜你又翻沟里去了。
这里的m应该是惯性质量,它等于车辆质量+旋转部件的等效惯量质量。
车辆质量是已知的,等效惯量质量怎么求呢?
复杂点的,我们可以计算汽车旋转部件等效惯量质量的和。当然做这种简易模型没必要,可以通过下式计算:
这里δ是等效旋转质量换算系数,通常取0.05~0.1。
所以车辆加速公式就可以写成:
车速呢?对加速度求积分。
里程呢?对车速求积分。
简单吧!是不是感觉自己又行了?
可以说,汽车理论中你只要了解动力经济性的定义及评价指标的定义,掌握阻力与驱动力的公式,就足够你完成一个基础的车辆纵向动力学模型时使用了。
那电机与电池呢?也这么简单吗?