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电动汽车动力性与经济性的优化匹配

宫唤春;孟静

【摘要】万有特性曲线是具有多参数的特性曲线,最内层的等燃油消耗率曲线是最

经济的区域,耗油率最低.曲线愈向外,经济性愈差,从中很容易找出最经济的负荷和转

速.利用Matlab软件,建立了发动机特性模型,绘制了发动机的万有特性曲线,以汽车

原地起步换挡加速时间和等速行驶工况燃油消耗作为衡量动力性和燃油经济性的目

标,分别建立动力性目标函数和经济性目标函数.采用线性加权组合的方法将两个分

目标函数转换成单一目标函数.结果表明:采用Matlab软件进行优化计算,找到最优

的加权因子即得到动力性与经济性的最佳优化匹配方案,曲线结果准确可靠.

【期刊名称】《实验室研究与探索》

【年(卷),期】2014(033)003

【总页数】5页(P33-36,75)

【关键词】Matlab;万有特性曲线;动力性目标函数;经济性目标函数

【作者】宫唤春;孟静

【作者单位】燕京理工学院机电工程学院,北京065201;北京信息科技大学机电工

程学院,北京100192

【正文语种】中文

【中图分类】TK412

0引言

发动机是汽车的动力源，发动机性能的好坏直接影响着整车的动力性与经济性。汽

车的运行工况是个随机的过程，受到很多因素的影响，如道路条件、交通流量、气

候条件以及汽车自身技术性能的变化等［1］。在所有的运行工况下，发动机都应

能够与传动系实现最佳匹配，以使整车动力性、经济性、排放性等方面均处于最佳

状态。因此，在汽车设计中如何选取汽车发动机和传动系的系数以获取最佳动力性

和经济性的匹配点，已成为各大汽车厂家非常关注的问题［2］。万有特性曲线是

具有多参数的特性曲线，以发动机转速为横坐标，以平均有效压力或扭矩为纵坐标，

在坐标系内画出等燃油消耗率曲线和等功率曲线［3］。在万有特性图中，最内层

的等燃油消耗率曲线是最经济的区域，耗油率最低。曲线愈向外，经济性愈差，从

中很容易找出最经济的负荷和转速［4］。

本文在建立发动机万有特性曲面拟合数学模型的基础上，利用Matlab语言的矩阵

运算、三维曲线绘图、等值线法等方法［5］，提出了一种计算绘制发动机万有特

性的新方法，该方法简便快捷，而且会非常准确地计算出发动机的最优工作区域。

1电动汽车发动机特性模型的建立

电动汽车是以内燃机和电动机为动力源的。电动机在低速时具有恒转速的特性，高

速时具有恒功率的特性，可以在转速-转矩特性曲线下区域内的任何一点工作。电

动汽车将电力驱动与传统的内燃机驱动相结合，充分发挥了两者的优势。电动汽车

根据动力源的数量不同以及动力系统结构形式的不同可分为串联式、并联式以及混

联式［6］。

1.1发动机外特性数学模型的建立

如将发动机的功率Pe、转矩Ttq以及燃油消耗率b与发动机曲轴转速n之间的函

数关系以曲线表示，此曲线称为发动机转速特性曲线或简称为发动机特性曲线。如

果发动机节气门全开(或高压油泵在最大供油量位置)，则此特性曲线称为发动机外

特性曲线。

发动机功率与转矩有如下关系:

式中:Ttq为发动机转矩。

汽车动力性能的评价指标是:最高车速uamax，加速时间t，最大爬坡度imax，

综合评定以上3个指标，考虑电动汽车中电动机的动力性能，运用公式［7］:

式中:Tm为电动机转矩，N·m;nm为电动机转速，r/min。拟合系数如下［7-8］:

根据汽车理论中汽车驱动力-行驶阻力平衡方程［9］:

式中:G为汽车重力;f为滚动阻力系数;ig为变速器传动比;i0为主减速器传动比;ηT

为传动系统的机械效率;r为车轮滚动半径;α为道路的坡度角;CD为空气阻力系数;A

迎风面积;ua为车速;δ为旋转质量换算系数;du/dt为整车加速度。

由式(3)可推导出:

则式中:Ft为驱动力;Ff为滚动阻力;Fw为空气阻力;T0为起步加速时间，可由试验

确定;uamax，uamin分别为汽车加速起始及加速终了车速。最佳动力性换档点

为相邻档位加速度曲线的交点所对应车速。若无交点则应在发动机转速达到最高转

速时换入高档。

由以上公式，利用Matlab软件绘制驱动力-行驶阻力平衡图，如图1所示。由图

可见，当车速ua低于20km/h，电动力汽车的驱动力在一定范围保持不变;车速

继续增加时，驱动力开始急剧下降;车速增加到接近最高车速时，驱动力开始缓慢

下降。在汽车的加速过程，行驶阻力一直在缓慢增加。与发动机一样，电动机也有

最高转速的限制，得到最高车速为71km/