纯电动汽车动力总成匹配技术研究五部曲—软件在环仿真技术研究

作者：Alex，豪华车企高级工程师（知乎id：坚果0904）

纯电动汽车动力总成匹配技术研究五部曲—

首篇 纯电动汽车关键技术研究现状

第二篇 动力总成关键部件特性分析

第三篇 软件在环仿真技术研究

纯电动汽车结构和设计不同于传统的内燃机驱动汽车，同样是一个复杂系统工程，需要将动力电池技术，电机驱动技术，汽车技术，现代控制理论相集成，实现最优化的控制过程。国家在电动汽车科技发展规划中，继续坚持“三纵三横”的研发布局，根据“纯电驱动”技术转型战略，进一步突出“三横”共性关键技术研究，即研究驱动电机及其控制系统、动力电池及其管理系统、动力总成控制系统。各大厂家依据国家发展战略制定各自的业务发展策略。

笔者在梳理新能源动力总成开发过程中的关键技术，为动力总成的设计和测试生产提供理论基础和参考。计划分为5个篇章来整纯电动汽车动力总成开发中关键技术，今天首先聊一下第三篇章 软件在环仿真技术研究：

图1 动力总成开发中的关键环节

在电动汽车开发初期，软件在环仿真技术可以在脱离台架和整车试验的条件下，用软件取代部分硬件，对动力总成系统的关键部件选型，控制策略开发及整车性能进行评价。模拟仿真技术得出的数据和结果可以为后续的台架试验和实车测试过程提供技术支持。软件仿真技术可缩短开发周期，降低开发成本。

图2 动力总成仿真系统在环仿真技术研究过程

1.1 软件在环仿真系统开发

软件在环仿真系统包含七大部分模块，如图3。

图3 软件在环仿真系统

1.1.1城市道路工况模块

该模块主要用于选择不同城市道路行驶工况，读入行驶工况车速的时间序列，并按照时间间隔依次输出给车辆行驶动力学模块。

1.1.2 车辆行驶动力学模块

车辆行驶动力学模块计算车辆实际行驶过程中车辆行驶阻力，该阻力由滚动阻力、空气阻力、加速阻力及坡度阻力四部分组成。通过仿真界面可以对车轮半径，整车质量，迎风面积及空气阻力等参数进行设计匹配。

1.1.3 整车控制器模块

整车控制器模块采集三方面的信息，电池组模块的端电压，电流信息，电机控制器模块获得驱动转速和扭矩信息，车辆行驶控制信息包括加速，减速，制动信号。综合判断汽车处于的运行模式，确定电机系统目标转速的输出数值。

1.1.4 动力系统关键部件选型模块

该模块要结合车辆传动系统参数，进行关键部件初步选型。将初步电机系统与电池组进行台架试验，结合道路工况模块，分析车辆实际工作点的分布区间。优化传动系统参数，尽量将车辆实际工作点与电力驱动系统区域吻合。

1.1.5 驱动电机模块

交流异步电机体积较小、成本低、响应快速、调速范围宽且成熟可靠，目前大部分纯电动汽车釆用了异步电机驱动系统。异步电机模块包括定、转子电磁子系统、气隙磁链子系统、转矩和运动子系统、坐标变换及中间量计算五个子系统，对以上各个子系统进行参数优化匹配。

1.1.6 电机控制器模块

在交流异步电机中，电压、电流、磁通及电磁转矩相互关联，属于强耦合状态，其电磁转矩正比于磁通和电流，而这两个物理量是同时变化的。根据电机模块输出的转矩和车辆行驶动力学模块输出的实时车速信息，电机系统效率和目标功率推求模块计算、输出电机系统整体效率，同时向电池组模块发送总线功率需求信息，车辆行驶动力学模块根据电机系统模块发送的实际转矩信息，再计算、输出实时车速信息。

1.1.7 动力电池组模块

电池组模块以电机的实际需求功率为输入，以电池组充放电效率、电池组、电池组幵路电压及实际工作时端电压等信息为输出。通常利用Simulink自定义函数，构建电池组开路电压，充放电效率等参数的计算模型。

图4 动力总成软件系统控制过程

2.动力总成系统在环仿真系统验证

动力总成系统在环仿真验证通常包含动力电池组充放电过程仿真，驱动电机工作过程仿真，整车性能仿真。在充放电电流较低的情况下，仿真精度较高。纯电动汽车整车仿真模型，该模型由整车控制、驾驶工况、变速箱、驱动电机及动力电池组等模型组成，其中每个模型都可通过修改相对应的文件完成有关参数的输入。开发的电池组和电机模型中需要考虑热模型对电池组电流的影响。

3. 动力总成系统参数匹配研究

在试验台架建设、动力总成关键部件特性测试、车辆行驶工况构建及动力总成在环仿真系统开发完成的基础上，对动力总成系统参数匹配研究进行试验。利用动力总成在环仿真系统进行关键部件的初步选型、将选型结果进行台架试验，最终确定动力总成系统关键部件，结合车辆常用工况区域匹配传动系统，可以利用底盘测功机对匹配结果进行试验验证。

动力总成系统参数匹配包括驱动电机选择，电池组电压选择，电池组容量选择，传动系统挡位选择。车辆的性能测试包含车辆动力性能测试，百公里能耗及续航里程测试，新匹配纯电动汽车与原车技术参数对比。

总结：

开发过程中，基于所建立的仿真系统，结合台架试验和底盘测功机试验，对纯电动轿车动力总成系统中电池组、电机及传动系统参数进行选型匹配，实现电力驱动系统高效区与车辆实际道路行驶工况点密集区域相吻合，能够为后续整车的投产提供理论指导。搭建了动力总成在环仿真系统，系统包括道路工况描述模块、车辆行驶动力学模块、整车控制器模块、动力总成关键部件选型模块、驱动电机模块、电机控制器模块以及动力电池组模块等部分。对于整车成本开发的降低和后续整车试验作用意义重大。