纯电动汽车整车建模仿真研究

纯电动汽车整车建模仿真研究

马建龙

长城汽车股份有限公司，河北省汽车技术创新中心 河北保定 071000

摘要：随着社会的发展和科技的进步，各个城市的汽车用户数量不断增加。由于传统内燃机汽车消耗大量燃油并排放大量废气，城市空气质量持续恶化。纯电动汽车不使用传统化石能源，不会造成污染环境，因此受到人们的青睐。随着科技的发展，电动汽车的核心技术不断创新和突破，对逐渐完善的城市基础设施提供了有益的帮助。电动汽车已成为潜在存量，并且逐渐取代传统汽车。

关键词：关键词：纯电动汽车；系统匹配；仿真建模

引言

相比于传统的整车控制结构，纯电动汽车的控制结构非常复杂，结构多种多样。电控结构是实现纯电动汽车整车控制和开发的主要部分。是保证纯电动汽车各项功能实现的基本条件。纯电动汽车的所有操作装置都可以操作。在最合适的条件下，进行相应的电动汽车控制策略设计和硬件开发。纯电动汽车的整车控制结构通常包括整车控制器的主控芯片、数据通信电路和传感器信号调理。

1.纯电动汽车概述

电动汽车是复杂的物理系统，包括液压、机械、控制、能源、电子、热力学等领域，是一个典型的多学科多领域混合系统。传统的汽车分析软件通常是针对汽车局部或某个子系统设计的，车辆的全系统多领域建模仿真很少实现，难以考虑不同领域之间的耦合关系，无法进一步提高系统性能的可靠性。例如，ADAMS 可以有效地分析机械系统的受力。学习特性主要用于汽车悬架系统的设计和研究。 Matlab/Simulink 专注于控制系统的研究。液压系统仿真软件包括AMESim，主要用于汽车制动系统的研究。但是，由于电动汽车涉及各个领域，需要实现多领域模型的集成，才能准确、完整地对电动汽车进行建模和仿真。目前的多领域建模与仿真分析方法主要有两种，一种是基于不同领域专业软件之间的接口，缺点是每个软件都必须提供与其他软件的接口关系。该系统涉及多个学科，随着参与协同仿真软件数量的增加，无疑会增加协同仿真的实现难度，另外由于其他学科采用了统一的表示方法，统一建模语言基于.它在多领域建模中显示出很大的优势，因为它自然地描述了不同领域的耦合关系。

2.纯电动汽车整车控制系统结构

纯电动汽车利用动力电池提供与车辆对应的动能，再通过车辆控制系统将动能转化为机械能，保证纯电动汽车的安全运行。纯电动汽车控制系统的内部结构通常包括汽车控制器的主控芯片、数据通信电路和传感器信号调理。车辆控制系统可以根据用户的操作发出相关指令，电机控制器可以响应，有效地调整车辆的输出，实现车辆运转的各种功能。

3.整车控制系统分析与设计

3.1 车辆控制系统分析

混合动力汽车整车控制系统主要由整车控制器、能源管理系统、整车通信网络和整车信息显示系统组成。首先，纯电动汽车的整车控制器采集启动、踏板等传感器信号，通过与电机控制器、能量管理系统等实时信息交互，获取整车实时数据，然后车辆控制器使用所有当前数据进行驱动控制。通过进入不同的工况和运行模式，向电机控制系统或制动系统发出控制指令，并接收各个子控制器的反馈，判断用户的意图和车辆行驶状态。

整车控制器是纯电动汽车整车控制系统的核心设备，保障纯电动汽车安全稳定运行，对各个子控制器进行控制和管理。车辆控制器实时接收通过传感器传输的数据和行驶驾驶指令，根据给定的控制策略判断工作状态和模式，实现对车辆行驶状态和参数的实时监控或开启车辆控制车上和下车以通信中心节点为中心通信节点的车载通信网络，实现了快速可靠的数据传输。

3.2 车辆控制系统设计

复合电源的结构设计选择了超级电容与DC/DC串联的结构，双向DC/DC跟踪动力电池的电压，调整超级电容的电压，使两者电压相匹配。为了车辆行驶和运行的安全，动力电池和IGBT组在组合动力系统中形成双向可控开关，防止超级电容更好地吸收纯电动汽车的再生制动能量，防止纯电动汽车进入再生系统。在运动过程中，动力电池持续供电，降低了再生制动能量的吸收效率。

4.纯电动汽车建模

4.1 模型概述

基于MWorks构建的纯电动汽车仿真模型是基于一辆真实的电动汽车。该模型由电池、制动系统、底盘、电机、驱动器、传动系统、空调等电子配件，以及环境、坐标系和道路组成，其中电池提供动力，电机为驱动装置，实现动力转换驱动提供行驶条件，即车辆的速度，并根据底盘中的实际车速确定特定时刻的油门或制动踏板开度信号。控制器部分对电机进行计数，或根据循环条件处理制动系统所需的扭矩信号和传动系统的反馈信号。此外，为了实现不同组件之间的信号传输和相互通信，组件模型均采用Modelica标准化的总线接口来实现不同领域组件模型的数据交换功能。标准化的接口允许各种子系统的无缝连接，而无需担心子系统的详细内部模型，增加了模型的可重用性和互换性。

4.2 动力电池建模

该电动车采用磷酸铁锂电池作为动力源，在构建电池模型时，电池的充放电过程被认为是一个复杂的非线性过程，受多种因素影响，需要充分考虑内部因素。电池对充电状态SOC 的热和化学影响以及电压和电流的影响。在各种电池建模方法中，等效电路建模方法可以根据电池的工作原理，利用电阻、电容等电路元件构成电路，有效地进行物理仿真，以及电池的动态特性。 Modelica 包含丰富的电子元件库，并允许基于Modelica 语言构建PNGV 等效电路电池模型。

4.3 电机模型建模

众所周知，所建模型的准确性和准确性是计算机仿真能否成功开发的关键，而电机的转矩、电压、功率运行特性方程和平衡方程是电机建模的基础。在用计算机对电机建模的过程中，不仅要考虑电机的热交换，还要考虑电机性能的局限性，其他类型电机的特性也需要考虑。其中，所建模型是否符合基本数学关系关系到模型的精度，是否完整、准确地考虑了物理运行特性的影响因素，关系到模型的精度。在Matlab/Simulink平台上实现物理对象的仿真分析，不仅需要编写模型，还需要编写与之配合的数据文件。电机数据文件定义了电机的性能参数，例如最大电压、最大电流、质量和转动惯量。还定义了电机在不同工作条件下的转矩、速度和功率图。在仿真分析过程中，模型采用插值计算方法，调用数据文件实现电机运行过程模拟。

5. 车辆驱动控制策略

车辆控制器必须通过信号处理来分析驾驶员的意图，同时满足车辆的动力性、舒适性、行驶平顺性等基本性能。控制策略的选择必须满足上述基本前提。此外，还需要一种合适的控制策略，在车辆的各种工况下实现电池和电机之间合理有效的能量分配，从而控制整个车辆系统的效率，并在此基础上实现整个系统。确保平稳的驾驶性能。基于以上基本原理创建车辆控制策略的思路是：首先，实时考虑驾驶条件、电池等影响因素，并据此合理分配扭矩给电机。同时，限制动力电池的SOC值范围和电机的工作区域，使动力电池和电机能够长时间保持高效。当行驶中出现问题时，系统可以根据预设的规则判断和选择纯电动汽车系统的运行模式。这不仅可以充分了解驾驶员的驾驶意图，还可以通过确保车辆状况在有效控制范围内，从而确保车辆的安全性和舒适性。

6. 仿真测试

垦局电动汽车启动过程和电动汽车加速制动过程的仿真结果，在仿真模型的仿真过程中，利用xPC的在线参数调整功能，通过实时控制参数得到的仿真结果。在仿真过程中，在上位机上通过图形用户界面实时运行程序的过程中，实时调整界面中的油门踏板和制动踏板信号，跟踪目标行驶工况。调整输出的车速仿真结果。结果表明，该程序的仿真时长为1 ms，在此时间间隔内，所有仿真模型程序运行一个周期。这是因为电动车的通信周期是50ms。通过建立电机模型和电池模型，对整车驱动控制策略、加速力矩控制策略、制动能量反馈控制策略进行分析研究，并基于Simulink和xPC进行仿真试验，验证模型和控制的准确性。

结语

本文研究了某纯电动汽车根据设计指标和给定的基本参数，对纯电动汽车的电力系统进行选择和匹配。分析纯电动汽车整车控制系统的功能，根据动力电池组的荷电状态和行驶工况调整电机控制器和电池管理系统，实现和完善动力电池组的各项保护措施。

参考文献：

[1]邱会鹏.纯电动汽车整车控制器的研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

[2]张华清.纯电动汽车的整车布置[J].汽车工程师，2018（09）

[3]董伟.纯电动汽车整车控制策略研究[J].现代制造技术与装备，2018（07）

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