純電動轎車關(guān)鍵部件建模與控制策略仿真

韓友國 王若飛 陶 穎 吳洪濤 楊玉梅 姚朝華

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241002）

1　整車參數(shù)確定

按照本課題對電動汽車提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)、傳動系參考設(shè)計(jì)參數(shù)、動力性要求等，整車參數(shù)確定如下表：

表1　

2　電機(jī)模型建模

眾所周知，所建模型的正確性與精確性是計(jì)算機(jī)仿真開發(fā)成功的關(guān)鍵，而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電壓、功率的運(yùn)行特性方程和平衡方程是電動機(jī)建模的基礎(chǔ)。在使用計(jì)算機(jī)對電動機(jī)建模過程中，我們不僅考慮電動機(jī)內(nèi)的熱交換，以及電動機(jī)性能的限制。還需要考慮不同類型電機(jī)所具有的特性。其中，所建模型是否符合基本的數(shù)學(xué)關(guān)系關(guān)乎模型的正確性、是否全面正確考慮到實(shí)物運(yùn)行特性的影響因素關(guān)乎模型的精確性。在Matlab/Simulink平臺上實(shí)現(xiàn)實(shí)物的仿真分析，不僅需要模型，還需要編寫與其相配合運(yùn)行的數(shù)據(jù)文件。電動機(jī)的數(shù)據(jù)文件定義了電動機(jī)的性能參數(shù)，如最大電流、最大電壓、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量等，還定義了電機(jī)在不同工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率圖。在仿真分析運(yùn)行過程中模型利用插值計(jì)算的方法；調(diào)用數(shù)據(jù)文件以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的工作過程仿真。電機(jī)順序系統(tǒng)如圖1所示。

3　電池模型建立

本文根據(jù)鋰電池充、放電過程的特性，建立電池模型，不考慮溫度的變化，極化反應(yīng)對電池的影響，建立最簡單的單體電池等效電路Rint模型，。在不考慮各個單體電池的充放電差異時，建立整個電池組模塊的模型如圖 2。

4　整車驅(qū)動控制策略

車輛控制器需要通過信號處理，以分析駕駛員意圖，同時需要滿足整車的動力性、舒適性、駕駛平順性、以及其他基本性能。控制策略的選擇必須滿足以上基本前提。進(jìn)一步地，合適的控制策略需要實(shí)現(xiàn)車輛在不同運(yùn)行工況時，能量在電池與電機(jī)之間的合理且有效的分配，以控制整車系統(tǒng)的效率，在保證平穩(wěn)駕駛性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整車的最大經(jīng)濟(jì)性。基于以上基本原則，制定整車控制策略的思路為：首先，實(shí)時考慮行駛工況，電池SOC值等影響因素，根據(jù)規(guī)則將轉(zhuǎn)矩合理地分配給電機(jī)。同時限定動力電池的SOC值范圍和電機(jī)的工作區(qū)域，以確保動力電池和電機(jī)能夠長時間保持高效的狀態(tài)。當(dāng)行駛過程中出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對純電動車輛系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行判斷和選擇。這樣既能保證駕駛員的駕駛意圖得到充分理解，亦能保證車輛狀態(tài)在有效控制范圍內(nèi)，從而保證車輛行駛的安全性和舒適性。

圖1　電機(jī)順序系統(tǒng)

圖2　等效電路模型

5　加速轉(zhuǎn)矩控制策略

我們知道，整車駕駛的動力性和舒適性主要取決于加速轉(zhuǎn)矩控制策略，而不同的加速轉(zhuǎn)矩控制策略取決于加速踏板開度與加速轉(zhuǎn)矩函數(shù)關(guān)系。我們知道，加速踏板處理策略一般分為三種：踏板策略、軟踏板策略、線性踏板策略。其中硬踏板策略可以滿足駕駛員在中高負(fù)荷時的駕駛感覺，缺點(diǎn)時在低負(fù)荷時操控性欠佳。軟踏板策略在低負(fù)荷時操控性較好，但車輛加速感整體偏軟。而線性踏板策略，控制效果介于踏板策略和軟踏板策略之間，但該策略函數(shù)關(guān)系復(fù)雜，計(jì)算量較大。

6　制動能量回饋控制策略

作為電動汽車（包括純電動車、混合動力車和插電式燃料電池車）的標(biāo)志性功能，制動能量回饋控制的原則是：最大程度提高能量回饋的同時，確保機(jī)械制動與電制動的協(xié)調(diào)控制，從而保證汽車制動力的要求。由于本項(xiàng)目中機(jī)械制動系統(tǒng)不可調(diào)整，因此僅實(shí)施了純軟件的輕度制動能量回饋控制策略。

圖3　回饋制動轉(zhuǎn)矩控制示意圖

如圖3所示，在車速很低的爬行區(qū)，回饋能量與回饋路徑能量損耗保持一致，回饋效率非常低，同時如果進(jìn)行能量回饋將明顯影響制動性，因此該階段不建議進(jìn)行能力回饋。為不影響駕駛員制動感覺，低速區(qū)，由于電機(jī)具有一定的轉(zhuǎn)速，因此可以較低的制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行能量回饋；而在高速區(qū)時，可使用較高制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行能量回收。通常使用該策略時，具體數(shù)值需要通過實(shí)車標(biāo)定得到。同時，為了保護(hù)動力電池，回饋電流必須滿足電池當(dāng)前的最大允許能力。

7　仿真測試

電動汽車起步過程、電動汽車加速、制動過程的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖5為利用xPC的在線調(diào)參功能對仿真模型進(jìn)行仿真過程中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時控制的仿真結(jié)果。仿真過程中，在宿主機(jī)上，利用圖形用戶接口，在程序?qū)崟r運(yùn)行的過程中，實(shí)時調(diào)整界面上的油門踏板和制動踏板信號，跟蹤目標(biāo)驅(qū)動循環(huán)，調(diào)節(jié)輸出的汽車速度仿真結(jié)果。結(jié)果表明，程序的仿真步長采用1ms，在此時間間隔內(nèi)，所有的仿真模型程序運(yùn)行一個周期。由于，在車上的通信周期采用的是 50ms。

圖 4 (a)起步仿真曲線；(b)加速仿真曲線；(c)制動仿真曲線

圖5　(a)xPC實(shí)時仿真界面；(b)利用在線調(diào)參進(jìn)行的實(shí)時仿真曲線

通過建立電動機(jī)模型、電池模型，對整車驅(qū)動控制策略、加速轉(zhuǎn)矩控制策略、制動能量回饋控制策略進(jìn)行分析研究，并且基于Simulink以及xPC進(jìn)行仿真測試驗(yàn)證模型和控制策略準(zhǔn)確性。

8　總結(jié)

本文以某款純電動轎車作為研究對象，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)以及給定的基本參數(shù)，對純電動轎車動力系統(tǒng)進(jìn)行了選型和匹配。分析純電動汽車整車控制系統(tǒng)功能，根據(jù)動力電池組荷電狀態(tài)和行駛工況，協(xié)調(diào)電機(jī)控制器與電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動力電池組各種保護(hù)措施，提高動力電池的安全性和壽命；同時還負(fù)責(zé)整車高壓防護(hù)、漏電檢測、故障診斷及處理等功能。

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