基于Matlab/GUI的电动汽车教学仿真平台设计

孙少华, 石永军, 邹宇鹏, 王新庆, 于蕾艳

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580)

电动汽车因高效率、零排放和低噪声等优势,被视为解决能源危机和环境污染两个全球性难题的重要途径之一[1-3]。“电动汽车技术”是车辆工程专业的核心课程,也是实践性和综合性很强的课程,课程内容涉及机械、材料、动力、电气和计算机等学科[4]。作为课程的核心内容,电动汽车电驱动系统结构原理、动力传动系统匹配、整车动力性和经济性预测及制动能量回收等必须借助电驱动系统试验台和电动汽车整车试验平台开展实验教学,提高理论教学的效果[5]。然而由于实验设备不足,课程实验常常难以顺利进行。近年来对电动汽车的仿真研究很多,包括电动汽车综合性能仿真测试、选型和控制策略仿真，动力性能仿真，以续驶里程为优化目标的运行模式仿真等[6-9]，但其中缺乏专门服务于车辆工程本科教学的电动汽车仿真模型及虚拟实验平台。

以面向本科学生和服务本科教学为导向,基于Matlab便捷的图形用户界面(GUI)和强大的建模仿真工具Simulink,设计了一种包括车辆动力学模型、驱动电机模型、变速器模型、车轮模型和动力电池模型在内的电动汽车教学仿真平台,并涵盖了“电动汽车技术”课程的主要教学内容。基于该平台,教师在课堂教学中能以人机交互的方式实现电驱动系统结构方案、动力传动系统匹配和综合行驶性能计算等课程核心内容的讲解和仿真；学生可自主学习和进行二次开发,提高实践创新能力。

1 电动汽车教学仿真平台总体架构

电动汽车教学仿真平台为电动汽车技术课程教学提供了一个交互式的用户界面,对课程重要内容进行动态仿真,使学生易于理解和掌握理论知识。该平台采用层次化和模块化的设计思路,其系统架构如图1所示。

图1 基于GUI的电动汽车教学仿真平台系统架构

电动汽车教学仿真平台分为3个层次。

上层为电动汽车GUI仿真界面,其中包括平台主界面、车辆参数设置界面、运行工况选择界面和仿真结果显示界面。用户可通过GUI界面确定动力系统方案,设置车辆动力参数,选择车辆运行工况,对电动汽车的动力性和经济性进行仿真,并将仿真结果以图形方式显示。

中间层为模型接口调用层,通过接口M文件中的跨空间传递函数完成GUI和Simulink模型数据的共享[10],主要功能有两点:一是利用GUI界面实现对Simulink模型参数赋值,进行仿真计算；二是将Simulink模型计算仿真结果调用至工作空间,用于GUI仿真界面显示。

底层为电动汽车Simulink数学模型,主要包括整车动力学模型、驱动电机模型、变速器模型、主减速器模型、车轮模型、动力电池模型和运行工况模型。模型采用模块化的设计方法,可移植性强；开放二次开发功能,用户可根据需求自行修改和完善。

2 基于GUI的电动汽车教学仿真平台的实现

图形用户界面开发环境(graphical user interface development environment,GUIDE)向用户提供一系列创建用户图形界面的工具,简化了GUI设计和生成的过程[11]。GUIDE将GUI设计的内容保存在两个文件中:一个是FIG文件,包含对GUI和GUI组件的完整描述；另外一个是M文件,包含控制GUI的代码和组件的回调事件代码[12]。这两个文件与GUI显示和编程任务相对应,在版面设计器中创建GUI时,内容保存在FIG文件中；对GUI编程时,内容保存在M文件中。

本课题基于GUIDE设计了电动汽车教学仿真平台人机交互界面,用户既能通过GUI界面嵌入仿真程序、设置仿真参数和编辑底层的仿真模型,又能将仿真的图形化结果以人机交互的动态方式实时显示出来,且界面友好、操作便捷。

2.1 车辆参数设置界面设计

电动汽车教学仿真平台的主界面由标题、封面图片、“开始”按钮和“退出”按钮组成。点击主界面“开始”按钮,系统进入车辆参数设置界面,如图2所示。车辆参数设置界面主要包括1个参数输入区、1个交互显示区以及1个命令按钮区。

图2 车辆参数设置界面

2.1.1 参数输入区

参数输入区包含“系统参数文件管理”“动力系统方案”“Simulink模型”和“各子系统参数设置”4项。

(1) “系统参数文件管理”选项下设有子选单,方便用户添加、删除、查看和导入系统参数文件“system_default.m”。“system_default.m”中利用assignin和evalin指令实现工作空间变量赋值和不同M文件工作空间变量的共享。

(2) “动力系统方案”选项为用户提供多种典型的电动汽车动力系统匹配方案,用户可根据自身需求选择和调用。

(3) “Simulink模型”为用户提供多种典型动力系统方案的电动汽车数学模型。动力系统方案类型确定后,用户可点击“Simulink模型”按钮,系统进入仿真平台的底层,并打开相应的电动汽车Simulink数学模型。该功能通过以下语句实现:

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

典型的电动汽车Simulink数学模型包含整车、驱动电机、变速器、主减速器、车轮、动力电池和运行工况等模块(见图3)。图4为动力电池Simulink子模型。

图3 典型电动汽车的Simulink数学模型

图4 动力电池Simulink子模型

模块化设计理念和标准化模型接口,便于用户进行编辑、设计、添加、组合和应用,模型具有可移植性强和用户二次开发便捷等优点,有助于开放性实验教学的开展和学生创新能力的培养。

(4) “各子系统参数设置”包括整车、电池组、驱动电机、车轮和变速器的参数设置。以驱动电机参数设置为例，在电机参数输入子界面,可直接输入电机电压、电流和电机轴惯性矩参数,对于电机效率MAP、最大输出转矩和最大发电转矩等参数曲线采用导入方式进行设置。亦可通过电机参数文件管理选项实现电机参数文件mc_default.m的编辑,该功能通过Callback函数实现。参数设置完毕后,系统将回到车辆参数设置界面,并将电机参数保存至Workspace中。

2.1.2 交互显示区

交互显示区包含“动力系统方案显示”和 “电机/电池性能曲线显示”2项。

(1) 动力系统方案显示。动力系统方案选择完成后,该区域就会显示电动汽车动力传动方案,用户可以直观了解和掌握电动汽车动力传动系统的结构原理和动力传递路线。动力系统方案的显示功能通过M文件中的imread和inshow函数实现。

(2) 电机/电池性能曲线显示。驱动电机和电池的参数设置完毕后,通过电机/电池性能曲线选单,可将电机效率MAP、外特性曲线、最大功率曲线、电池充放电效率曲线、开路电压-SOC曲线和内阻-SOC曲线分别显示到该区域,提高学生对电机和电池关键性能的感性认知,加深对课程相关理论知识的理解和掌握。

2.1.3 命令按钮区

命令按钮区设置了“下一步”“后退”“保存”和“帮助”4个按钮。“下一步”和“后退”按钮分别控制进入下一层和回到上一层的操作；“保存”按钮用于系统自动保存车辆参数文件；“帮助”按钮用于解答用户在车辆参数设置过程中出现的问题。

2.2 运行工况设置界面设计

车辆参数设置完毕后,点击“下一步”按钮,进入运行工况设置界面,如图5所示。该界面设有循环工况参数设置及显示区、车辆载重工况设置区、电池SOC工况设置区、制动能量回收设置区、动力性能仿真设置区和命令按钮区。

图5 运行工况设置界面

(1) 循环工况参数设置及显示区。针对复杂行驶工况下电动汽车经济性和能量回收效率的仿真需求,平台提供多种典型循环工况。用户可通过“循环工况”下拉选单选择仿真工况类别,并通过“循环工况数”设置循环次数。若用户需要多循环工况组合,可点击“自定义工况”按钮,通过工况类型、循环次数和排列顺序进行设置,如图6所示。循环工况设置完毕后,该工况对应的车速-时间曲线就会在显示区右上部显示。模拟试验道路的坡度可通过“道路坡度”单选框设置。

图6 自定义工况设置界面

(2) 车辆载重工况设置区。用户可根据需求设置车辆运行过程中的载重及其变化。若车辆运行过程中载重量不变,可选中“载重为常数”单选框,通过“载重量”文本框设置一个固定值；对于电动客车和物流车等在运行过程中载重量时常变化的车辆,可设置载重量随行驶里程的变化规律。

(3)电池SOC工况设置区。该区包括电池初始SOC、最大SOC、最小SOC、稳定SOC和SOC波动值5个参数,用户可根据仿真需求进行相应的设置。

(4) 制动能量回收设置区。用户可通过“制动能量回馈”单选框选择是否进行制动能量回收功能的仿真。进行制动能量回收功能仿真时,用户可利用该区右侧3个文本框对制动能量回收的制动减速度最大值、中间值和最小值进行设置。

(5) 动力性能仿真设置区。采用最高车速、加速时间和最大爬坡度评价电动汽车的动力性能[13]。仿真加速时间时,用户可选中“加速性能参数”单选框,并对仿真初速度和末速度进行设置。仿真最大爬坡度时,用户可选中“爬坡度参数”单选框,并对爬坡车速和路面附着系数进行设置。

(6) 命令按钮区。设置了“计算”“后退”和“帮助”3个按钮。点击“计算”按钮,系统将执行仿真指令；点击“后退”按钮,系统将回到上一层界面；点击“帮助”按钮,可了解运行工况设置界面的相关注意事项。

2.3 仿真结果显示界面设计

车辆参数和运行工况设置完毕后,用户点击运行工况设置界面中的“计算”按钮,系统将根据预设参数和模型进行仿真,仿真结果显示界面如图7所示。

图7 仿真结果显示界面

在仿真显示界面设置了仿真曲线选择/显示区、仿真数值显示区、仿真警告显示区和命令按钮区。界面形象生动、使用方便、交互性强,为用户提供直观的仿真结果数据和曲线。

(1) 仿真曲线选择/显示区。用户通过仿真曲线选择功能区选择要显示的部件、曲线类型和显示窗口,显示区的窗口即呈现相应的仿真曲线。用户还可利用选择功能区的“放大”“hold on”“显示网格”单选框和“恢复”按钮,实现对仿真曲线的相关操作。

(2) 仿真数值显示区。分为经济性能、动力性能和能量回收3个计算结果显示窗口。经济性能指标包括“百公里能耗”“电池SOC变化量”“最大续驶里程”和“每公里电费”；动力性能指标包括“最高车速”“0—100 km/h加速时间”“最大加速度”“最大爬坡度”和“30 km/h爬坡度”；能量回收指标包括“制动能量回收效率”“前轮制动能量所占百分比”“后轮制动能量所占百分比”和“前轮可用再生制动能量所占百分比”。

(3) 仿真警告显示区。用于提示用户仿真过程中出现的错误和发出警告。

(4) 命令按钮区。设置了“后退”“退出”和“帮助”3个按钮。点击“后退”按钮,回到上一层界面；点击“退出”按钮,退出仿真平台；点击“帮助”按钮,用户可了解仿真结果选择/显示的相关问题及解决方法。

3 仿真结果分析

利用电动汽车教学仿真平台对汽车行驶性能进行仿真,图8为CYC_UDDS(城市循环工况)下的车速-时间变化曲线和动力电池SOC值-时间变化曲线,图9为CYC_EUDC(市郊循环工况)下的车速-时间变化曲线和动力电池SOC值-时间变化曲线。

图8 CYC_UDDS仿真曲线

图9 CYC_EUDC仿真实验曲线

电动汽车部分性能指标仿真结果及目标车辆实车数据如表1所示。

表1 电动汽车整车性能指标仿真结果及目标车数据

通过表1数据对比可见,车辆性能仿真结果与量产目标车型实车数据基本相同,误差均在7%以内,属于合理范围。这表明所建立的电动汽车教学仿真平台准确性较好,可应用于本课程的理论和实验教学,促进学生理论知识的掌握和实践创新能力的培养。

4 结语

计算机仿真是“电动汽车技术”课程教学的有效手段,既可辅助理论教学,也可辅助实验教学。电动汽车教学仿真平台涵盖了电动汽车整车、驱动电机、动力电池、变速器、主减速器、车轮和运行工况等大部分教学内容,具有电驱动系统结构设计、动力传动系统匹配、整车及核心部件参数值设置、车辆动力性和经济性预测、制动能量回馈功能仿真、仿真结果显示和分析功能。该平台有利于开展研究性和开放性实验教学,培养学生的创新意识、激发学生的科研兴趣,更好地推广讨论式教学、案例教学等教学方法和合作式教学方式。