电动汽车整车控制仿真系统结构设计

图1.电动汽车仿真系统结构

电动汽车仿真系统用于车辆驱动策略评估、能量优化管理以及整车控制性能的分析。根据电动汽车特征和其电子/电气架构，设计的电动汽车仿真系统结构如图1所示。其中图1a）是按功能分解的模块结构，图1b）是仿真系统的组成方式。图1a）中车辆动力学模型、电池模型和电机模型用于仿真车辆动力驱动和行驶特性；传感器与执行机构用于仿真加速踏板、制动踏板、换挡手柄等操作部件以及冷却液温度、冷却水泵等传感器和执行机构的运行状况。图1b）中为满足硬件在回路[4](Hardware-in-the-loop-Simulation,HILS）的仿真要求，在Matlab/Simulink中对动力电池、驱动电机、车辆以及冷却液温度、冷却水泵进行动力学建模，将动力学模型下载到实时仿真系统dSPACE中。通过dSPACE系统的D/A、IO和CAN接口电路以及信号调理电路将车辆状态信息转换成与实际系统类似的物理量，并与整车驱动控制单元连接，实现硬件在回路的仿真。对于钥匙组件、档位手柄、车身电子电气等部件难以通过建模方式描述，采用实际部件以准确反映系统的实际状况。

电动汽车中整车控制单元、电机控制系统、电池管理系统等控制单元根据图2中的CAN总线网络进行信息交互。为模拟实际车辆中各控制单元间CAN总线之间的信息交互，根据总线报文定义，通过实际的物理节点来模拟整车中的CAN总线网络。



图2.CAN网络结构

电动汽车整车控制仿真系统的实现
车辆动力学模型是仿真系统的重要组成部分，对仿真结果有重要的影响。本文设计的纯电动汽车仿真系统中的车辆动力学模型部分选择了德国TESIS公司的ve-DYNA动力学软件.ve-DYNA是在复杂建模概念上建立的非线性和参数化的车辆动力学模型，通过半隐式积分算法和优化的车辆模型国等能够保证仿真的数据稳定性和效率.ve-DYNA中的车辆模型主要由底盘（包括车身和车桥）、前后桥的运动学关系、转向系统、传动系统、发动机、变速器和轮胎模型组成。通过对ve-DYNA动力学软件的结构分析，可得如图3所示的软件结构，其中车辆动力学模块，路面模块，机动控制器模块及驾驶员模块为系统的核心模块，动力学模块又由动力传动系统模块、行驶系统模块、转向系统模块和液压系统模块组成。



图3.ve-DYNA软件结构

ve-DYNA是针对燃油发动机驱动的车辆动力学仿真软件，因而其传动系统模块由燃油发动机模块和变速箱模块组成，这与电动汽车的动力驱动方式不同。为此针对电动汽车仿真要求，对传动系统模块进行了开发，通过对ve-DYNA的结构分析，将开发出的动力传动系统模块取代了原有动力传动模块。开发出的动力传动系统模块由动力电池模块、电机模块和减速器模块组成，如图4所示。



图4.开发出的动力传动系统模块结构



图5电池等效电路

图4中的动力电池的充放电过程是一个受诸多因素影响的复杂的非线性的化学过程，热动力效应或量子效应的影响会导致不同载荷下电压变化率的变化，机理建模方法困难，故电池模型采用基于实验数据为主，理论建模为辅的建模方式。电池的电气模型采用内阻模型即将电池看成一个理想的电压源和一个电阻串联的等效电路，如图5所示。

图5中的开路电压满足下式



式中：Eo为电池恒压电压值（V）；K为分化电压(V）；Qo为电池初始容量（Ah）；A为指数区振幅（V）；B为指数容量（Ah-1）；Eo、K、Qo、A、B的具体计算方法根据实际电池放电曲线图6得到。



图6.单组电池放电曲线

图4中的电机控制系统在整车控制仿真中主要关心电机的输入输出特性。因此在建立电机模型时只考虑其输入输出量之间的关系，并且将电机控制器和电机作为一个整体进行建模。设电机模型的输入为期望力矩Trep，输出扭矩T。根据输入输出响应关系，电机系统可以近似简化为一阶惯性系统.



其中，τ为时间常数。由于多数电动汽车电机输出轴与固定减速比的减速器直接连接，故输出到驱动轴上的力矩与电机输出力矩T之间满足

Te=R*T （3）

式中R为减速比。参考文献[8]将实验结果与（2）式计算结果进行了对比。根据对比结果，这种简化的模型描述是可行的。电动车仿真系统中的传感器或执行机构仿真，主要采用实际的电子/电气部件。但对于冷却系统等难以构建实际环境的部件，采用建模方法解决。由于冷却液温度传感器具有非线性特性，通过机理建模比较困难，因此采用实验得到图7所示的实验曲线，并由此建立数据模型，通过查表方式来模拟真实的温度传感器信号。



图7.冷却液温度传感器曲线

仿真系统的功能与结果分析

开发出仿真系统可模拟驾驶员的操作，采集驾驶员操作信息以及监控整车的状态信息，可进行各种车辆行驶工况和故障状态的仿真，以检验整车控制的性能和故障处理能力。仿真系统具有的主要仿真功能为：
仿真系统具有车辆启动仿真功能，可模拟驾驶员启动车辆操作以及车辆起车时的运行状态；仿真系统可模型驾驶员的各种车辆操纵方式以及车辆的纵向动力学性能、整车控制性能和各控制单元的协调状态；仿真系统可模拟再生制动过程中能量回收过程，评价能量回收的性能和车辆制动状况；为检验仿真系统功能和仿真结果，以一款实际车辆为为背景，进行了仿真系统的验证。仿真参数如表1所示。

电动汽车起车过程的仿真结果如图10所示。仿真过程中换挡手柄始终为D档，保持加速踏板开度为0%。图10中，在6s时刻松开制动踏板，电机输出力矩由0Nm迅速上120Nm,9s时刻车速上升到8km/h时，电机输出力矩又迅速回落；在仿真时间17s，踩下制动踏板，电机输出力矩将为0Nm，车速降为0km/h。由仿真结果可以看出，起车过程中，当松开制动踏板后，仿真系统能够模拟出整车控制单元控制电机的输出力矩使车辆迅速起动，并控制车辆的行驶速度；当制动踏板踩下时，电机输出力矩为0Nm，使车速迅速下降到0km/h.