基于Matlab/GUI的電動汽車教學仿真平臺設計

孫少華, 石永軍, 鄒宇鵬, 王新慶, 于蕾艷

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580)

電動汽車因高效率、零排放和低噪聲等優勢,被視為解決能源危機和環境污染兩個全球性難題的重要途徑之一[1-3]。“電動汽車技術”是車輛工程專業的核心課程,也是實踐性和綜合性很強的課程,課程內容涉及機械、材料、動力、電氣和計算機等學科[4]。作為課程的核心內容,電動汽車電驅動系統結構原理、動力傳動系統匹配、整車動力性和經濟性預測及制動能量回收等必須借助電驅動系統試驗臺和電動汽車整車試驗平臺開展實驗教學,提高理論教學的效果[5]。然而由于實驗設備不足,課程實驗常常難以順利進行。近年來對電動汽車的仿真研究很多,包括電動汽車綜合性能仿真測試、選型和控制策略仿真，動力性能仿真，以續駛里程為優化目標的運行模式仿真等[6-9]，但其中缺乏專門服務于車輛工程本科教學的電動汽車仿真模型及虛擬實驗平臺。

以面向本科學生和服務本科教學為導向,基于Matlab便捷的圖形用戶界面(GUI)和強大的建模仿真工具Simulink,設計了一種包括車輛動力學模型、驅動電機模型、變速器模型、車輪模型和動力電池模型在內的電動汽車教學仿真平臺,并涵蓋了“電動汽車技術”課程的主要教學內容。基于該平臺,教師在課堂教學中能以人機交互的方式實現電驅動系統結構方案、動力傳動系統匹配和綜合行駛性能計算等課程核心內容的講解和仿真；學生可自主學習和進行二次開發,提高實踐創新能力。

1 電動汽車教學仿真平臺總體架構

電動汽車教學仿真平臺為電動汽車技術課程教學提供了一個交互式的用戶界面,對課程重要內容進行動態仿真,使學生易于理解和掌握理論知識。該平臺采用層次化和模塊化的設計思路,其系統架構如圖1所示。

圖1 基于GUI的電動汽車教學仿真平臺系統架構

電動汽車教學仿真平臺分為3個層次。

上層為電動汽車GUI仿真界面,其中包括平臺主界面、車輛參數設置界面、運行工況選擇界面和仿真結果顯示界面。用戶可通過GUI界面確定動力系統方案,設置車輛動力參數,選擇車輛運行工況,對電動汽車的動力性和經濟性進行仿真,并將仿真結果以圖形方式顯示。

中間層為模型接口調用層,通過接口M文件中的跨空間傳遞函數完成GUI和Simulink模型數據的共享[10],主要功能有兩點:一是利用GUI界面實現對Simulink模型參數賦值,進行仿真計算；二是將Simulink模型計算仿真結果調用至工作空間,用于GUI仿真界面顯示。

底層為電動汽車Simulink數學模型,主要包括整車動力學模型、驅動電機模型、變速器模型、主減速器模型、車輪模型、動力電池模型和運行工況模型。模型采用模塊化的設計方法,可移植性強；開放二次開發功能,用戶可根據需求自行修改和完善。

2 基于GUI的電動汽車教學仿真平臺的實現

圖形用戶界面開發環境(graphical user interface development environment,GUIDE)向用戶提供一系列創建用戶圖形界面的工具,簡化了GUI設計和生成的過程[11]。GUIDE將GUI設計的內容保存在兩個文件中:一個是FIG文件,包含對GUI和GUI組件的完整描述；另外一個是M文件,包含控制GUI的代碼和組件的回調事件代碼[12]。這兩個文件與GUI顯示和編程任務相對應,在版面設計器中創建GUI時,內容保存在FIG文件中；對GUI編程時,內容保存在M文件中。

本課題基于GUIDE設計了電動汽車教學仿真平臺人機交互界面,用戶既能通過GUI界面嵌入仿真程序、設置仿真參數和編輯底層的仿真模型,又能將仿真的圖形化結果以人機交互的動態方式實時顯示出來,且界面友好、操作便捷。

2.1 車輛參數設置界面設計

電動汽車教學仿真平臺的主界面由標題、封面圖片、“開始”按鈕和“退出”按鈕組成。點擊主界面“開始”按鈕,系統進入車輛參數設置界面,如圖2所示。車輛參數設置界面主要包括1個參數輸入區、1個交互顯示區以及1個命令按鈕區。

圖2 車輛參數設置界面

2.1.1 參數輸入區

參數輸入區包含“系統參數文件管理”“動力系統方案”“Simulink模型”和“各子系統參數設置”4項。

(1) “系統參數文件管理”選項下設有子選單,方便用戶添加、刪除、查看和導入系統參數文件“system_default.m”。“system_default.m”中利用assignin和evalin指令實現工作空間變量賦值和不同M文件工作空間變量的共享。

(2) “動力系統方案”選項為用戶提供多種典型的電動汽車動力系統匹配方案,用戶可根據自身需求選擇和調用。

(3) “Simulink模型”為用戶提供多種典型動力系統方案的電動汽車數學模型。動力系統方案類型確定后,用戶可點擊“Simulink模型”按鈕,系統進入仿真平臺的底層,并打開相應的電動汽車Simulink數學模型。該功能通過以下語句實現:

Function view_block_pushbutton_Callback()

drivetrain=evalin(′base′,′drivetrain′,′;′);

veh_drivetype=evalin(′base′,′veh_drivetype′,′;′);

switch drivetrain

case 1

if veh_drivetype==1

open(′electric_fd′);

else

open(′electric_rd′);

end

case 2

……

otherwise

return

end

典型的電動汽車Simulink數學模型包含整車、驅動電機、變速器、主減速器、車輪、動力電池和運行工況等模塊(見圖3)。圖4為動力電池Simulink子模型。

圖3 典型電動汽車的Simulink數學模型

圖4 動力電池Simulink子模型

模塊化設計理念和標準化模型接口,便于用戶進行編輯、設計、添加、組合和應用,模型具有可移植性強和用戶二次開發便捷等優點,有助于開放性實驗教學的開展和學生創新能力的培養。

(4) “各子系統參數設置”包括整車、電池組、驅動電機、車輪和變速器的參數設置。以驅動電機參數設置為例，在電機參數輸入子界面,可直接輸入電機電壓、電流和電機軸慣性矩參數,對于電機效率MAP、最大輸出轉矩和最大發電轉矩等參數曲線采用導入方式進行設置。亦可通過電機參數文件管理選項實現電機參數文件mc_default.m的編輯,該功能通過Callback函數實現。參數設置完畢后,系統將回到車輛參數設置界面,并將電機參數保存至Workspace中。

2.1.2 交互顯示區

交互顯示區包含“動力系統方案顯示”和 “電機/電池性能曲線顯示”2項。

(1) 動力系統方案顯示。動力系統方案選擇完成后,該區域就會顯示電動汽車動力傳動方案,用戶可以直觀了解和掌握電動汽車動力傳動系統的結構原理和動力傳遞路線。動力系統方案的顯示功能通過M文件中的imread和inshow函數實現。

(2) 電機/電池性能曲線顯示。驅動電機和電池的參數設置完畢后,通過電機/電池性能曲線選單,可將電機效率MAP、外特性曲線、最大功率曲線、電池充放電效率曲線、開路電壓-SOC曲線和內阻-SOC曲線分別顯示到該區域,提高學生對電機和電池關鍵性能的感性認知,加深對課程相關理論知識的理解和掌握。

2.1.3 命令按鈕區

命令按鈕區設置了“下一步”“后退”“保存”和“幫助”4個按鈕。“下一步”和“后退”按鈕分別控制進入下一層和回到上一層的操作；“保存”按鈕用于系統自動保存車輛參數文件；“幫助”按鈕用于解答用戶在車輛參數設置過程中出現的問題。

2.2 運行工況設置界面設計

車輛參數設置完畢后,點擊“下一步”按鈕,進入運行工況設置界面,如圖5所示。該界面設有循環工況參數設置及顯示區、車輛載重工況設置區、電池SOC工況設置區、制動能量回收設置區、動力性能仿真設置區和命令按鈕區。

圖5 運行工況設置界面

(1) 循環工況參數設置及顯示區。針對復雜行駛工況下電動汽車經濟性和能量回收效率的仿真需求,平臺提供多種典型循環工況。用戶可通過“循環工況”下拉選單選擇仿真工況類別,并通過“循環工況數”設置循環次數。若用戶需要多循環工況組合,可點擊“自定義工況”按鈕,通過工況類型、循環次數和排列順序進行設置,如圖6所示。循環工況設置完畢后,該工況對應的車速-時間曲線就會在顯示區右上部顯示。模擬試驗道路的坡度可通過“道路坡度”單選框設置。

圖6 自定義工況設置界面

(2) 車輛載重工況設置區。用戶可根據需求設置車輛運行過程中的載重及其變化。若車輛運行過程中載重量不變,可選中“載重為常數”單選框,通過“載重量”文本框設置一個固定值；對于電動客車和物流車等在運行過程中載重量時常變化的車輛,可設置載重量隨行駛里程的變化規律。

(3)電池SOC工況設置區。該區包括電池初始SOC、最大SOC、最小SOC、穩定SOC和SOC波動值5個參數,用戶可根據仿真需求進行相應的設置。

(4) 制動能量回收設置區。用戶可通過“制動能量回饋”單選框選擇是否進行制動能量回收功能的仿真。進行制動能量回收功能仿真時,用戶可利用該區右側3個文本框對制動能量回收的制動減速度最大值、中間值和最小值進行設置。

(5) 動力性能仿真設置區。采用最高車速、加速時間和最大爬坡度評價電動汽車的動力性能[13]。仿真加速時間時,用戶可選中“加速性能參數”單選框,并對仿真初速度和末速度進行設置。仿真最大爬坡度時,用戶可選中“爬坡度參數”單選框,并對爬坡車速和路面附著系數進行設置。

(6) 命令按鈕區。設置了“計算”“后退”和“幫助”3個按鈕。點擊“計算”按鈕,系統將執行仿真指令；點擊“后退”按鈕,系統將回到上一層界面；點擊“幫助”按鈕,可了解運行工況設置界面的相關注意事項。

2.3 仿真結果顯示界面設計

車輛參數和運行工況設置完畢后,用戶點擊運行工況設置界面中的“計算”按鈕,系統將根據預設參數和模型進行仿真,仿真結果顯示界面如圖7所示。

圖7 仿真結果顯示界面

在仿真顯示界面設置了仿真曲線選擇/顯示區、仿真數值顯示區、仿真警告顯示區和命令按鈕區。界面形象生動、使用方便、交互性強,為用戶提供直觀的仿真結果數據和曲線。

(1) 仿真曲線選擇/顯示區。用戶通過仿真曲線選擇功能區選擇要顯示的部件、曲線類型和顯示窗口,顯示區的窗口即呈現相應的仿真曲線。用戶還可利用選擇功能區的“放大”“hold on”“顯示網格”單選框和“恢復”按鈕,實現對仿真曲線的相關操作。

(2) 仿真數值顯示區。分為經濟性能、動力性能和能量回收3個計算結果顯示窗口。經濟性能指標包括“百公里能耗”“電池SOC變化量”“最大續駛里程”和“每公里電費”；動力性能指標包括“最高車速”“0—100 km/h加速時間”“最大加速度”“最大爬坡度”和“30 km/h爬坡度”；能量回收指標包括“制動能量回收效率”“前輪制動能量所占百分比”“后輪制動能量所占百分比”和“前輪可用再生制動能量所占百分比”。

(3) 仿真警告顯示區。用于提示用戶仿真過程中出現的錯誤和發出警告。

(4) 命令按鈕區。設置了“后退”“退出”和“幫助”3個按鈕。點擊“后退”按鈕,回到上一層界面；點擊“退出”按鈕,退出仿真平臺；點擊“幫助”按鈕,用戶可了解仿真結果選擇/顯示的相關問題及解決方法。

3 仿真結果分析

利用電動汽車教學仿真平臺對汽車行駛性能進行仿真,圖8為CYC_UDDS(城市循環工況)下的車速-時間變化曲線和動力電池SOC值-時間變化曲線,圖9為CYC_EUDC(市郊循環工況)下的車速-時間變化曲線和動力電池SOC值-時間變化曲線。

圖8 CYC_UDDS仿真曲線

圖9 CYC_EUDC仿真實驗曲線

電動汽車部分性能指標仿真結果及目標車輛實車數據如表1所示。

表1 電動汽車整車性能指標仿真結果及目標車數據

通過表1數據對比可見,車輛性能仿真結果與量產目標車型實車數據基本相同,誤差均在7%以內,屬于合理范圍。這表明所建立的電動汽車教學仿真平臺準確性較好,可應用于本課程的理論和實驗教學,促進學生理論知識的掌握和實踐創新能力的培養。

4 結語

計算機仿真是“電動汽車技術”課程教學的有效手段,既可輔助理論教學,也可輔助實驗教學。電動汽車教學仿真平臺涵蓋了電動汽車整車、驅動電機、動力電池、變速器、主減速器、車輪和運行工況等大部分教學內容,具有電驅動系統結構設計、動力傳動系統匹配、整車及核心部件參數值設置、車輛動力性和經濟性預測、制動能量回饋功能仿真、仿真結果顯示和分析功能。該平臺有利于開展研究性和開放性實驗教學,培養學生的創新意識、激發學生的科研興趣,更好地推廣討論式教學、案例教學等教學方法和合作式教學方式。