純電動(dòng)轎車(chē)關(guān)鍵部件建模與控制策略仿真

韓友國(guó)　王若飛　陶穎　吳洪濤　楊玉梅　姚朝華

【摘 要】本文以某款純電動(dòng)轎車(chē)作為研究對(duì)象，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)以及給定的基本參數(shù)，對(duì)純電動(dòng)轎車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了選型和匹配。其中，整車(chē)控制器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)可實(shí)現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖，并采用相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、再生制動(dòng)功能；亦可根據(jù)動(dòng)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(dòng)力電池組各種保護(hù)措施，以提高動(dòng)力電池的安全性和壽命；同時(shí)還負(fù)責(zé)整車(chē)高壓防護(hù)、漏電檢測(cè)、故障診斷及處理等功能。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)汽車(chē)；參數(shù)匹配；仿真；控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)： U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）03-0009-002

Pure electric car key components modeling and simulation control strategy

HAN You-guo WANG Ruo-fei TAO Ying WU Hong-tao YANG Yu-mei YAO Zhao-wu

（Chery New Energy Vehicle Technology Co.， Ltd.， Wuhu， Anhui 241002， China）

【Abstract】In this paper， a kind of pure electric cars as the research object， according to the design index and the given basic parameters， pure electric car power system for the selection and matching.Analysis of pure electric vehicle control system function， the control system can realize the driver's intentions， and adopt corresponding control strategy， realize the driving and regenerative braking function；According to the state of power battery charged and running condition， the vehicle control system can coordinate motor controller and battery management system， to achieve a variety of power battery protective measures， improve the safety of the power battery and life；The vehicle controller is responsible for the whole car high voltage protection， leakage detection， fault diagnosis and treatment， and other functions.

【Key words】Electric vehicles； Parameters matching； Simulation； Control strategy

1 整車(chē)參數(shù)確定

按照本課題對(duì)電動(dòng)汽車(chē)提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)、傳動(dòng)系參考設(shè)計(jì)參數(shù)、動(dòng)力性要求等，整車(chē)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(kāi)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(dòng)機(jī)建模的基礎(chǔ)。在使用計(jì)算機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)建模過(guò)程中，我們不僅考慮電動(dòng)機(jī)內(nèi)的熱交換，以及電動(dòng)機(jī)性能的限制。還需要考慮不同類(lèi)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(tái)上實(shí)現(xiàn)實(shí)物的仿真分析，不僅需要模型，還需要編寫(xiě)與其相配合運(yùn)行的數(shù)據(jù)文件。電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)文件定義了電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，如最大電流、最大電壓、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)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(dòng)機(jī)的工作過(guò)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(guò)程的特性，建立電池模型，不考慮溫度的變化，極化反應(yīng)對(duì)電池的影響，建立最簡(jiǎn)單的單體電池等效電路Rint模型，。在不考慮各個(gè)單體電池的充放電差異時(shí)，建立整個(gè)電池組模塊的模型如圖2。

4 整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制策略

車(chē)輛控制器需要通過(guò)信號(hào)處理，以分析駕駛員意圖，同時(shí)需要滿足整車(chē)的動(dòng)力性、舒適性、駕駛平順性、以及其他基本性能?？刂撇呗缘倪x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(chē)輛在不同運(yùn)行工況時(shí)，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(chē)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(chē)的最大經(jīng)濟(jì)性。基于以上基本原則，制定整車(chē)控制策略的思路為：首先，實(shí)時(shí)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(shí)限定動(dòng)力電池的SOC值范圍和電機(jī)的工作區(qū)域，以確保動(dòng)力電池和電機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間保持高效的狀態(tài)。當(dāng)行駛過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對(duì)純電動(dòng)車(chē)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(chē)輛狀態(tài)在有效控制范圍內(nèi)，從而保證車(chē)輛行駛的安全性和舒適性。

5 加速轉(zhuǎn)矩控制策略

我們知道，整車(chē)駕駛的動(dòng)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(kāi)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(shí)的駕駛感覺(jué)，缺點(diǎn)時(shí)在低負(fù)荷時(shí)操控性欠佳。軟踏板策略在低負(fù)荷時(shí)操控性較好，但車(chē)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(dòng)能量回饋控制策略

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

如圖3所示，在車(chē)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(shí)如果進(jìn)行能量回饋將明顯影響制動(dòng)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(dòng)感覺(jué)，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(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行能量回饋；而在高速區(qū)時(shí)，可使用較高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行能量回收。通常使用該策略時(shí)，具體數(shù)值需要通過(guò)實(shí)車(chē)標(biāo)定得到。同時(shí)，為了保護(hù)動(dòng)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(cè)試

電動(dòng)汽車(chē)起步過(guò)程、電動(dòng)汽車(chē)加速、制動(dòng)過(guò)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(duì)仿真模型進(jìn)行仿真過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的仿真結(jié)果。仿真過(guò)程中，在宿主機(jī)上，利用圖形用戶(hù)接口，在程序?qū)崟r(shí)運(yùn)行的過(guò)程中，實(shí)時(shí)調(diào)整界面上的油門(mén)踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)，跟蹤目標(biāo)驅(qū)動(dòng)循環(huán)，調(diào)節(jié)輸出的汽車(chē)速度仿真結(jié)果。結(jié)果表明，程序的仿真步長(zhǎng)采用1ms，在此時(shí)間間隔內(nèi)，所有的仿真模型程序運(yùn)行一個(gè)周期。由于，在車(chē)上的通信周期采用的是50ms。

通過(guò)建立電動(dòng)機(jī)模型、電池模型，對(duì)整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制策略、加速轉(zhuǎn)矩控制策略、制動(dòng)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(cè)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(dòng)轎車(chē)作為研究對(duì)象，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)以及給定的基本參數(shù)，對(duì)純電動(dòng)轎車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了選型和匹配。分析純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)功能，根據(jù)動(dòng)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(dòng)力電池組各種保護(hù)措施，提高動(dòng)力電池的安全性和壽命；同時(shí)還負(fù)責(zé)整車(chē)高壓防護(hù)、漏電檢測(cè)、故障診斷及處理等功能。

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