纯电动轿车关键部件建模与控制策略仿真

韩友国　王若飞　陶颖　吴洪涛　杨玉梅　姚朝华

【摘 要】本文以某款纯电动轿车作为研究对象，根據设计指标以及给定的基本参数，对纯电动轿车动力系统进行了选型和匹配。其中，整车控制器系统能够实现可实现驾驶员的驾驶意图，并采用相应的控制策略，实现驱动、再生制动功能；亦可根据动力电池组荷电状态和行驶工况，协调电机控制器与电池管理系统，实现动力电池组各种保护措施，以提高动力电池的安全性和寿命；同时还负责整车高压防护、漏电检测、故障诊断及处理等功能。

【关键词】纯电动汽车；参数匹配；仿真；控制策略

中图分类号： U469.7 文献标识码： A 文章编号： 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 整车参数确定

按照本课题对电动汽车提出的设计目标、传动系参考设计参数、动力性要求等，整车参数确定如下表：

表1

2 电机模型建模

众所周知，所建模型的正确性与精确性是计算机仿真开发成功的关键，而电机的转矩、电压、功率的运行特性方程和平衡方程是电动机建模的基础。在使用计算机对电动机建模过程中，我们不仅考虑电动机内的热交换，以及电动机性能的限制。还需要考虑不同类型电机所具有的特性。其中，所建模型是否符合基本的数学关系关乎模型的正确性、是否全面正确考虑到实物运行特性的影响因素关乎模型的精确性。在Matlab/Simulink平台上实现实物的仿真分析，不仅需要模型，还需要编写与其相配合运行的数据文件。电动机的数据文件定义了电动机的性能参数，如最大电流、最大电压、质量及转动惯量等，还定义了电机在不同工作状态下的转矩、转速、功率图。在仿真分析运行过程中模型利用插值计算的方法；调用数据文件以实现电动机的工作过程仿真。电机顺序系统如图1所示。

3 电池模型建立

本文根据锂电池充、放电过程的特性，建立电池模型，不考虑温度的变化，极化反应对电池的影响，建立最简单的单体电池等效电路Rint模型，。在不考虑各个单体电池的充放电差异时，建立整个电池组模块的模型如图2。

4 整车驱动控制策略

车辆控制器需要通过信号处理，以分析驾驶员意图，同时需要满足整车的动力性、舒适性、驾驶平顺性、以及其他基本性能。控制策略的选择必须满足以上基本前提。进一步地，合适的控制策略需要实现车辆在不同运行工况时，能量在电池与电机之间的合理且有效的分配，以控制整车系统的效率，在保证平稳驾驶性能的基础上，实现整车的最大经济性。基于以上基本原则，制定整车控制策略的思路为：首先，实时考虑行驶工况，电池SOC值等影响因素，根据规则将转矩合理地分配给电机。同时限定动力电池的SOC值范围和电机的工作区域，以确保动力电池和电机能够长时间保持高效的状态。当行驶过程中出现问题时，系统可根据预先设定的规则对纯电动车辆系统的工作模式进行判断和选择。这样既能保证驾驶员的驾驶意图得到充分理解，亦能保证车辆状态在有效控制范围内，从而保证车辆行驶的安全性和舒适性。

5 加速转矩控制策略

我们知道，整车驾驶的动力性和舒适性主要取决于加速转矩控制策略，而不同的加速转矩控制策略取决于加速踏板开度与加速转矩函数关系。我们知道，加速踏板处理策略一般分为三种：踏板策略、软踏板策略、线性踏板策略。其中硬踏板策略可以满足驾驶员在中高负荷时的驾驶感觉，缺点时在低负荷时操控性欠佳。软踏板策略在低负荷时操控性较好，但车辆加速感整体偏软。而线性踏板策略，控制效果介于踏板策略和软踏板策略之间，但该策略函数关系复杂，计算量较大。

6 制动能量回馈控制策略

作为电动汽车（包括纯电动车、混合动力车和插电式燃料电池车）的标志性功能，制动能量回馈控制的原则是：最大程度提高能量回馈的同时，确保机械制动与电制动的协调控制，从而保证汽车制动力的要求。由于本项目中机械制动系统不可调整，因此仅实施了纯软件的轻度制动能量回馈控制策略。

如图3所示，在车速很低的爬行区，回馈能量与回馈路径能量损耗保持一致，回馈效率非常低，同时如果进行能量回馈将明显影响制动性，因此该阶段不建议进行能力回馈。为不影响驾驶员制动感觉，低速区，由于电机具有一定的转速，因此可以较低的制动转矩进行能量回馈；而在高速区时，可使用较高制动转矩进行能量回收。通常使用该策略时，具体数值需要通过实车标定得到。同时，为了保护动力电池，回馈电流必须满足电池当前的最大允许能力。

7 仿真测试

电动汽车起步过程、电动汽车加速、制动过程的仿真结果如图4所示。

图5为利用xPC的在线调参功能对仿真模型进行仿真过程中的參数进行实时控制的仿真结果。仿真过程中，在宿主机上，利用图形用户接口，在程序实时运行的过程中，实时调整界面上的油门踏板和制动踏板信号，跟踪目标驱动循环，调节输出的汽车速度仿真结果。结果表明，程序的仿真步长采用1ms，在此时间间隔内，所有的仿真模型程序运行一个周期。由于，在车上的通信周期采用的是50ms。

通过建立电动机模型、电池模型，对整车驱动控制策略、加速转矩控制策略、制动能量回馈控制策略进行分析研究，并且基于Simulink以及xPC进行仿真测试验证模型和控制策略准确性。

8 总结

本文以某款纯电动轿车作为研究对象，根据设计指标以及给定的基本参数，对纯电动轿车动力系统进行了选型和匹配。分析纯电动汽车整车控制系统功能，根据动力电池组荷电状态和行驶工况，协调电机控制器与电池管理系统，实现动力电池组各种保护措施，提高动力电池的安全性和寿命；同时还负责整车高压防护、漏电检测、故障诊断及处理等功能。

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