（动力机械及工程专业论文）xl纯电动轿车动力总成控制策略研究及软件开发.pdf

摘要 摘要 整车综合管理和驱动控制策略，对纯电动轿车的能量利用率、安全性和可靠 性起着决定性作用。本文工作是国家十五“8 6 3 ”课题“x l 纯电动轿车动力总成 控制系统”中的一部分，开展本课题的研究，对于提高我国电动汽车的电控技术 水平，缩短与发达国家的差距具有重要意义。 本文利用a d v i s o r 的内置模块，采用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立了x l 纯电动轿车的整车动力学仿真模型，包括整车模型、电机模型、电池模型等，对 驱动控制策略进行了仿真研究。 本文提出了x l 纯电动轿车主要运行模式，包括启动、停车、预运行、运行、 故障保护及l o s 模式等。在各个运行模式下，通过软件的状态标志设定安全有 效的切换工况模式。在运行模式，通过对踏板曲线的处理，优化汽车的驾驶感觉 和加速性能。在能量管理上采用了功率保护措施，以防止电池突然切断停车。对 异常情况设计了处理程序，并通过闪码形式在仪表上显示出来。在制动能量回馈 策略上参考国外的设计原则结合本车的硬件的特点，提出了一套简便策略即“有 限的多过程制动能量回馈”。 台架试验和道路试验表明，研发的纯电动轿车运行状态良好。一次充电续驶 里程可达2 5 3 公里，0 1 0 0 k m h 加速时间2 1 s ，最高车速1 2 3 k m h ，并初步实现 了制动能量的回馈，满足了“8 6 3 ”合同要求。 关键词：纯电动轿车、主控制器、控制策略、制动能量回馈、故障诊断 摘要 a b s t r a c t t h ee n e r g ym a n a g e m e n ta n dd r i v i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fe l e c t r i ca u t o m o b i l ea r e v e r yi m p o r t a n t ，b e c a u s et h e yd e c i d et h ea u t o m o b i l e se n e r g ye f f i c i e n c y , s a f e t ya n d r e l i a b i l i t y t h i sp a p e r sw o r ki ss u p p o r t e db yt h en m i o n a l “8 6 3 ”p r o j e c t ，d e v e l o p m e n t o f p o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e mo f x l p u r ee l e c t r i ca u t o m o b i l e t h ep a p e rp r o v i d e sa no v e r v i e wo fa d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r i n c l u d i n g i t s f u n c t i o n ，c o n s t r u c t i o na n ds i m u l a t i o nm e t h o d s b a s e do nt h ea d v i s o rm o d e l ，s o m e m o d e l si n c l u d i n gt h ev e h i c l e ，t h em o t o r , t h eb a t t e r y , a n dt h et r a n s f o r m a t i o nm o d e l s a r es e tu p t h ea c c e l e r a t i o na n d p o w e r a b i l i t i e sh a v eb e e ns i m u l a t e d ad e t a i li n v e s t i g a t i o no nc o n t r o ls t r a t e g ya n ds o f t w a r ea r ea c c o m p l i s h e di nt h i s p a p e r a l lo p e r a t i n gm o d e s ，s u c h a s s t a r t i n g ，s t o p ，p r e c h a r g e ，r u n n i n g ，f a u l t p r o t e c t i o n ，l o sm o d e ，e t c ，a r ec o n t r o l l e db yas p e c i a ls t r a t e g y t h r o u g has o f t w a r e f l a g ，a l lr u n n i n gm o d e c a r lb ec h a n g e df r o mo n et oa n o t h e ri na l la u t o m o b i l e r u n n i n g c o n d i t i o n sa p r o t e c t i o nm e t h o di s u s e dt oa v o i dt h es h u td o w n t h ea u t o m o b i l e a c c e l e r a t i o na b i l i t ya n dd r i v i n gf e e l i n ga r ei m p r o v e d b yo p t i m i z a t i o no fa c c e l e r a t i o n p e d a li n p u tc u r v e ，t h ep o w e rp r o t e c t i o ns t r a t e g ya r eu s e di nt h ee n e r g ym a n a g e m e n t ， a n dd e f a u l tc a s e sc a l lb ep r o c e s s e da n de r r o rc o d ei ss h i n e di na ni n s t r u m e n td a n e l a n e w r e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e d t h er e s u l t so f r o a dt e s ts h o wt h a tt h ew h o l e s y s t e mi ss u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：e l e c t r i ca u t o m o b i l e ，m a i nc o n t r o l l e r , c o n t r o l s t r a t e g y , r e g e n e r a t i v e b r a k i n g ，d e f a u l td i a g n o s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一叫援一恸严年文瞅，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名尹事瑷 签字日期：p 1 j 年c ) 、月刈日 一名：谢烨 签字日期吖年乒月纱髫日 第一章序论 第一章序论 1 1 引言 目前全球性的石油危机和日益恶化的环境污染是2 1 世纪人类面临的重要问 题，而在我国这一问题显得更加严重。目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市 中有7 个在中国。按2 0 0 2 我国进口石油7 0 0 0 万吨，预计2 0 0 5 年后将超过1 亿 吨，相当于科威特一年的总产量。按照国家环保中一心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排 放量将占空气污染源的6 4 。显然，汽车的大量使用带来了能源消耗、环境污染 等许多负面影响。进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能源和 环境问题造成巨大的压力。 目前，汽车的主要动力源还是以石油为主，汽车已经成为大气污染的主要来 源。特别对于汽车密集、交通拥挤的大城市而言，汽车的频繁起停和内燃机的怠 速、急加减速运行造成了尾气排放严重，油耗高的原因。进入2 1 世纪，世界随 着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出了越来越高的要求，为了较低 汽车的燃油消耗，减少有害的排放生成物，各国相继出台了更严格的排放法规。 汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技术改造，例如：代用燃料、添加剂、 催化净化器、多气1 7 结构、稀燃、分层燃烧、电控喷射等，这些技术的应用大大 降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。但是传统的内燃机车由于其固有的燃烧和排 放特性，对燃油消耗和排放的解决有一定的局限性。同时复杂的技术改造直接的 后果是使得传统汽车的造价不断上升，利润空间越来越小，长此以往，不利于汽 车工业的发展，也不利于汽车的普及。因此需要寻找一个新型的“清洁”车型来 逐渐取代传统的内燃机车。 电动汽车以电能为能源，通过电动机将电能转化为机械能【“，在运行中接近 “零排放”，发展电动汽车为解决城市环境污染提供了条新的途径。使用电动 汽车，可以使城市干道的噪音由通常的7 5 8 0 d b 降到6 5 d b 左右，达到国家噪音 控制标准；发展电动汽车更重要的意义则在于节省燃油，对保证国家未来的能源 安全与经济安全具有重要的战略意义。同时发展电动汽车将对调整我国产业结 构、提高重点领域的创新能力和市场竞争能力，促进经济社会协调发展产生深远 影响将会带动一系列产业发展。例如利用深夜过剩的“谷电”，提高现有电力 资源的使用效率，平衡负荷，提高电力行业的经济效益；带动动力电池及相关关 键材科行业发展；促进一系列新技术的研究、开发、产业化等，产生巨大的波及 效益。电动汽车从车体到材料，从动力系统到控制系统，从动力供给到计算机应 用，均将现代新技术成果聚集于一身，成为我国实现技术跨越的重点领域之一。 第一章序论 1 2 国内夕l 、电动汽车的发展 美国是全世界对污染限制最严格的国家，也是最早研制成电动汽车的国家。 1 8 7 3 年试制成功第一台电动汽车。美国政府以能源部为中心，对电动汽车的研 制进行了连续的逐年递增投人资金。美国e p r i ( 电力能源研究所) 推行了实用电 动汽车普及活动。1 9 9 1 年美国3 大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用先 进电池，合作刀= 发高性能电动汽车电池。目前三大汽车公司都把自己的几十辆新 型电动汽车投入示范运行。 日本于1 9 7 6 年成立了“日本电动汽车协会”。日本政府制订了鼓励电动汽车 开发与应用的相关政策。1 9 7 1 年曾在通产省领导下制订了一个时间为6 0 年总经 费5 7 亿日元的研究计划。经过2 0 多年的研究，特别是近1 0 年的努力，日本电 动汽车已经取得很大的发展。1 9 7 8 年为了促进电动汽车的推广，日本电动汽车 协会制订了“电动汽车试用制度”，协会将每年给予试用者以试用费。本田公司 自8 0 年代末就开始了电动汽车的研究开发，1 9 9 6 年终于推出了本阳的e v 车 “p l u s ”。该车装备高能镍氢蓄电池，充电一次可行驶2 1 0 - - 3 5 0 k m ，最高时速可 达1 3 0 k m h 。美国和日本是电动汽车技术最先进的国家，代表了当今电动汽车 的最高水平”3 。 欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会，并得到欧洲经济委员会的支持和资助。 英国和法国对电动汽车是应用在先的国家。英、法在大力研究先进电动汽车的同 时积极开发推广应用限定范围的电动汽车。目前已有约十几万辆电动汽车在英国 运行。英国和美国合作，研制成“爱国号”复合电动赛车。由英国赛车工业公司 与美国克来斯勒公司合作研制的这种电动赛车，曾在1 9 9 5 年世界赛车大会上亮 相。 德国的电动汽车的研制比较早。前几年研制出一种新型e 2 电动汽车，车身 用热塑材料制成。最高车速达到1 2 1 k m h ，从零加速到8 0 k m h 只需1 5 6 秒， 充电时间为6 8 h 。该车为后驱动电池为大型钠硫电池。德国以电动道路交通 协会为中心，在联邦政府支持下开展电动汽车的开发试验工作。目前的研究重点 是开发高能量密度电池。a b b 公司在政府的资助下，正在研究钠硫电他。奔驰公 司、b m w 及v w 公司都在开发试验装用钠氧化镍电池的电动汽车。 香港大学( h k u ) 1 9 9 3 年研制的u 2 0 0 1 电动汽车。它是四座电动汽车，采用 功率为4 5 k w 的永磁混合电机和2 6 4 v 的镍镉电池组。该车的电机是特殊设计，它 可以在一个很广的转速范围内高效工作。该车采用了很多先进的电动汽车技术， 如应用热电技术制作的变温座椅减少了空调的能力消耗；采用声频导航系统提高 壳安全性，便于用户驾驶：采用智能管理系统使能量的转化和传递达到最优。 u 2 0 0 1 最高车速为1l o k m h ，o 4 8 k m h 的加速时间为6 3 s ，以8 8 k m h 运行时， 2 第一章序论 续驶里程为1 7 6 k m 。 印度在电动汽车的商业化过程中也起到了积极的作用，其生产的r e v ae v ， 为双车门、溜背式后行李仓门电动汽车，它式印度2 0 0 1 年所推出、首次大批量 生产的电动汽车。该车采用他励直流电机( 7 0 n m ，最大功率1 3 k w ) 和一个4 8 7 的管状铅酸电池组驱动，利用车载充电器( 2 2 0 7 ，2 2 1 9 ) 可以在3 h 内充电8 0 ， 在6 h 内充电1 0 0 。r e v a 车重6 5 0 k g ，最高车速6 5 k m h ，续驶里程为8 0 k m 。该 车最具有诱惑力的是它令人难以置信的低价格和运行成本，其售价为5 0 0 0 美元， 每公里的运行费用不足l 美分。 国内电动汽车的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但当时的研究开发都是零散和 小规模的，投入也很少。自1 9 8 0 年开始，我国开始掀起电动汽车的研究高潮， 电动汽车被国家列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些科研院所和生产 企业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果。如清华大学研制的1 6 座电动 中巴车，东风汽车公司研制的电动轿车，郑州市电动车辆研究所研制的电动轿车， 天津汽车研究所试制了微型厢式电动汽车，华南理工大学研制的轻型电动客车， 远望集团公司研制的电动大客车，长江动力公司研制的电动双层大客车等都具有 一定的水平，但与国外先进电动汽车相比还有一定差距。另外国家还建立电动汽 车试验场和示范区，如广东省汕头国家电动汽车示范区。 1 3 电动汽车的关键技术 电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、通讯技术、和化 学技术等。尽管电源技术至关重要，但电力驱动，能量管理系统和系统的优化也 同样重要，事实上，如果没有很好的能量管理和系统优化，电动汽车难以达到成 功。 电力驱动子系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运 行。另外现代电机的高转矩、低转速和恒功率、高转速的工作范围可以通过电子 控制来获得，使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样。对电机驱动系统的要 求如下：恒功率输出和高功率密度；在汽车起步和爬坡时具有低速高转矩的 输出特性；具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩和恒功率区；快速的转矩响应特 征；在转矩转速特性的较宽范围内具有高的效率；再生制动时的能量回收效率 高：坚固，能在不同的工作条件下可靠地工作；成本低。 目前推广电动汽车的主要障碍是一个充电的续驶里程和初始价格，而电动汽 车的能源系统是引起这些问题的主要原因。在目前以及不久的将来，能源系统是 电动起车实现市场化的关键。对能源系统的要求如下：高的比能量和能量密度： 高的比功率和功率密度：快速充电和深放电的能力；寿命长；自放电率下，充电 3 第一章序论 效率高；安全性好且成本低廉：免维修；对环境无危害，可回收性好。 由于电动汽车的车载能量有限，其续驶里程远远达不到燃油车的水平，能量 管理系统( 动力总成控制系统) 的目的就是要最大限度地利用有限地车载能量， 增加续驶里程。能量管理系统采集从各个子系统输入的信息，来实现以下基本功 能：优化系统的能量分配：预测电动汽车电源的剩余能量和还能继续行驶的里程 数；提供最佳的驾驶模式和驱动力矩；再生制动时，合理地调整再生能量；诊断 系统地故障，并能做故障处理。 电动汽车的再生制动是指：电动汽车的驱动电机以发电机的模式运行，消 耗电动车的动能，提供制动力矩使汽车制动，同时发出的电能被回收到蓄能元件 中。电动汽车再生制动性能直接受限于两方面的因素：( 1 ) 电机本身的性能包括 机械效率、电机效率、额定发电功率等。( 2 ) 电动汽车的蓄能装置( 包括蓄电池、 超级电容等) 的性能和运行状态。 在一定的电机转速下，电机制动所提供的机械制动阻力矩和电机的发电功率 和电机效率直接关联。 制动力矩= 制动功率电机转速 = 电机发电功率电机发电效率电机转速 而电机允许发出的电功率除了受限于电机自身性能外，还受限于车载储能装 置的最大允许充电电流及充电功率。即发电功率不能大于储能装置允许充电功率 及线路损耗之和，发电电流不得大于储能装置最大允许充电电流。否则，有可能 损坏储能元件，或因传输线路发热量过大，导致线路烧坏或者系统过热，从而引 发其它一些问题。 因此电机的再生制动具有以下些特点： ( 1 ) 提供的制动功率及制动力有限。由于车载蓄电他的最大允许充 电电流及充电功率一般都比较小( 即使是性能比较优良的锂电 池一般也只能3 c 充电，约i o o a 左右，对应的功率仅在2 0 一 3 0 k w ，且实际合适的充电电流还要更小一些，故电制动制动力 矩及功率比起机械制动来要小得多。 ( 2 ) 电制动性能动态波动性较大。其一：制动力矩随车速变化，最 大允许制动力与车速成反比。而且当车速比较低时( 一般对应 电机转速低于5 0 0 r m i n 时) ，会因电机上产生的反电势会过 低而导致再生制动功能失效。其二：储能元件及电机有关状态 的动态变化，如储能元件的充电饱和状态、温度，电机温度、 效率等的变化，会直接影响电制动的效能，导致其相应的动态 变化。 4 第一章序论 ( 3 )因电制动属于电力电子系统，其受制因素较多，故其运行可靠 性一般低于机械制动系统。 鉴于上述情况，要实现最多的能量回收是非常复杂的系统，需要多个部件的 协调运作，包括电机、储能元件，液压制动系统，驾驶状况，汽车运行条件等。 各个国家在电动汽车再生制动方面作了大量的研究，首先从回馈能量的吸收及储 能元件上分为纯化学电池，超级电容，飞轮电池：从制动力的分配上可以分为机 械结构的调压方式，如比列阀；电控阀门的调节方式，用电磁阀调节液压力的建 立；纯粹的软件控制电机的制动力。 电动汽车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统，电动汽车的性能受多学科 相关因素的影响，通过系统的优化来改进电动汽车的性能和较低车辆的成本。计 算机仿真是一项很重要的技术，它有利于减少开发时间、降低成本，并能迅速进 行概念评价。因此有必要对能量管理系统进行系统的仿真和分析。 1 4 本文工作的主要内容 本文工作围绕天津大学承担的国家十五“8 6 3 ”重大专项课题“x l 纯电动轿 车动力总成控制系统”( 合同编号：2 0 0 2 a a 5 0 1 6 1 2 ) 来开展的。主要内容包括： 1 在仿真软件a d v i s o r 的基础上，在m a t l a b s i m u i n k 的环境下，建立整 车动力学仿真模型，对整车的控制策略和性能做仿真研究。 2 对驾驶工况包括( 启动、加速、恒速、减速、制动) 研究其判断算法和 分析司机的驾驶需求，研究各种驾驶工况下的驱动力矩控制策略。研究 整车的能量管理策略和故障保护方法。 3 设计动力总成控制器的软件，实现整车驱动控制、能量管理、网络管理 和故障渗断保护等功能。 4 通过台架试验和道路实验，对控制策略和软件进行了完善和测试，并开 展了参数标定工作。 第二章x l 纯电动轿车建模仿真 第二章x l 纯电动轿车建模仿真 2 1x l 纯电动轿车动力系统构成 x l 纯电动汽车是以夏利2 0 0 0 型轿车为基本原型，采用交流电动机驱动， 以功率锂电池为动力，保留了原车的传动系统。驱动系统可分为3 个子系统，即 电力驱动子系统、主能源管理子系统和电池管理子系统。其中，电力驱动子系统 由电机控制系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成：主能源管理子系 统由总成控制器构成，是实现能源监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件； 电池管理子系统是管理监控电池能源的。动力系统构成及其控制图如下2 1 ： 整车系统保留了原来的传动系统、制动系统、中控门控制系统、转向灯 指示灯等。交流电机取代了原来的汽油机，功率为2 q k w ，额定扭矩输出为5 4 n m ， 最大过载能力3 倍，持续时间3 0 s 。电池是高性能锂电池，最大放电倍数为 3 c ，功率最大6 0 多k w ，最大充电电流是3 0 a ，电压最高3 5 2 g v ，放电最大为 2 5 0 a ，整个电池由8 4 节单体电池组成，单体电压最高是4 2 v ，最低为2 3 v ， 总重为3 6 0 k g 。整车信息交换采用c a n 总线机制，抗干扰能力强，传输速度快， 采用c a n 2 0 b 格式，波特率为2 5 0 k b s 。传感器增加了车速传感器，踏板位置 传感器，制动踏板传感器。仪表由主控制器控制来显示工况信息。主回路上 串有主继电器和成组继电器、d c d c 模块和d c a c 模块以及空调继电器。 2 2x l 纯电动轿车建模 2 2 1 建模软件 d r i $ o g a d v i s o r 建模软件是a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r 的简称，它最初于19 9 4 6 第二章x l 纯电动轿车建模仿真 年在美国国家能源再生实验室发布，原来的目的是帮助美国能源部与福特、戴母 思勒等大公司合作开发电动汽车技术。其主要功能是帮助设计人员研究电动汽车 子系统的协同性，以及子系统的变化对汽车动力性和经济性的影响。 a d v i s o r 软件模型包括了汽车动力总称结构的全部，包括电池能源模型，电 机模型( 发电机和电机) 、变速箱模型、主减速器模型、车轮模型，汽车的动力 学模型，其中动力能源模型包括内燃机模型、燃料电池模型、蓄电池模型【8 】。 a d v i s o r 是基于m a t l a b s i m u l i n k 环境下开发的，数据计算是以矩阵的方 式进行的，模块的实现则是采用s i m u l i n k 的模块库来构造的，因此用户完全可 以自行对a d v i s o r 的模型改造和借用。 a d v i s o r 基本使用3 个用户界面( g u i ) 引导用户完成仿真工作。在这些用 户界面下，用户可以初步评估车辆参数和循环工况对汽车的动力性能，比如加速 度，最高车速，燃油的经济性，排放性能的影响。在g u i 的环境下，数据的交 换和输入、输出是通过m a t l a b 的w o r k s p a c e 来完成的，从w o r k s p a c e 中读取 输入的数据，计算后的输出数据存放在w o r k s p a c e 中，可以用来绘图处理。 用户进入a d v i s o r 环境下首先看到它的第一个g u i ，汽车模型的创建，这里 所说的是子系统的创建，所以这个g u i 可以称为模型的输入，如图2 - 2 所示： 图2 - 2a d v i s o r 参数输入窗口 用户可以在这个界面中选择汽车的构造类型，( 串联、并联和普通) ，和各个 子系统的配置。a d v i s o r 的数据库对每一个子系统都存有很多的实例，供用户选 择，当然如果没有完全合适的，用户也可以在这个界面下修改参数以保证仿真的 准确性。 第二个g u i 界面是仿真界面，如图2 3 所示： 7 一兰童茎兰丝皇垫堑至垄堡堕塞 j _ 一_ _ - 一 一 图2 - 3a d v i s o r 仿真界面 用户可以在这个界面里选择仿真事件，如一个驱动循环，工况循环，加速和 最高车速，爬坡测试等，用户可以设置仿真参数，选择工况类型等。一旦仿真参 数设置完毕，就可以进行仿真计算。a d v i s o r 调用m a t l a b 的算法进行计算， 给出仿真结果，如图2 4 ： h g3a d v 瞄o rm t l l sw j ，虹” 图2 4a d v i s o r 仿真结果输出 第三个g u i 是仿真结果输出的窗口，用户可以看到完整的工况测试下汽车 的性能表现，也可以得到工况每一个点性能的结果。同时g u i 给出了关于能量 利用的统计，也给出汽车性能与时间的关系曲线。用户可以选者显示需要的性能 图以获碍更为详细的结果( 如电机的转速，电机的扭矩、电池的电压等) 。 完整的a d v i s o r 的汽车模型由多个子系统相互作用构建而成，如图2 5 。每 一个子系统都以库模型的形式存在，这些独立的子模型可以插入汽车模型中并与 8 第二章x l 纯电动轿车建模仿真 它连接，可以定义子系统之间的功率、力矩等的流向。因此每一个子系统模块都 是可以重用的，可以在同一个汽车模型中使用不同的子系统，也可咀在多个汽车 模型中使用同一个子系统。图中模块的输入箭头和输出箭头表明了功率和扭矩的 传输方向，同时也是两种不同算法的需要。 i j 55 d v t 船r m o d e ld c n ，“d m4 删娜u 删1 伽哪a r k 觚 图2 - 5a d v i s o r 模块库的连接结构 2 2 2a d v i s o g 的仿真算法 a d v i s o r 采用了一种特殊的后向算法和前向算法相结合的策略来计算仿真 结果。后向算法以汽车的车速为出发点，通过串联体系，即汽车车轮传动 系发动机实时计算从x 车速到y 车速在z 时间内的变化，以计算对下个 子系统的力矩和功率的需求，取其最大的功率需求。而前向算法则独立的计算各 个子系统的实际输出，以修正实际的功率输出与要求的功率之间的误差。每个 算法都有各自的优缺点。下面介绍两种算法吼 后向算法：汽车模型仿真采用后向算法回答了“如果汽车需要达到预定的性 能，各个子系统应该如何执行“的问题。在这里不考虑汽车的驾驶行为，实际驱 动汽车加速的力矩是通过要求得车速曲线在单位时间步长上计算出来的，然后考 虑功率的损失和系统的效率直接传递到下一个子系统，按照功率传输流的方向依 次向后计算。这种方法很方便的在实验室内测试汽车动力系统，可以评估系统的 效率与功率输出的m a p 图。这样的测试可以在很大的时间步长上计算出来( 如 1 s ) ，仿真的速度会很快。 后向算法的缺点在于它假设每一个子系统都可以满足所需要的功率，因此它 不能很好的计算出实际的性能，如当它的加速需求超过子系统的能力时便会失 真。另外它不考虑汽车的控制信号，如加速踏板和节气门的信号，所以在动态特 q 第二章x l 纯电动轿车建模仿真 性上效果不会很好。 前向算法：汽车仿真采用前向算法考虑了驾驶模式，一般是通过p i 控制器 根据要求的车速和当前的车速来控制节气门和加速踏板的位置。节气门指令转化 为发动机的力矩需求和能量利用率，由发动机提供的力矩传输到传动机构，结合 传动机构的效率和传动比输出到车轮，然后根据道路的状况得到牵引力矩。加速 度是通过公式a = f m e f f 计算出来的，m e f f 包括动力系统的转动惯量。 前向算法可以优化控制器的设计，因为这种算法考虑了控制信号，扭矩的输 出是实际的发动机扭矩，可以得到更为真实的仿真结果，自然动态模型可以很好 的加入汽车模型内，从而可以很好的仿真实际的最大加速度。 它的最大不足在于仿真速度太慢。通过微小时间步长积分算出的子系统的速 度决定了这一点。 a d v i s o r 采用的算法更多的接近于后向算法，只是在子系统的能力上采用前 向算法限制了后向算法的输入，以保证输入的要求功率和扭矩不会超过实际的输 出。两者的关系如下： 1 动力总成子系统不能要求它的下一级提供超过自身能力的功率需求。 2 个子系统在前向算法和后向算法中的能力是相同的。 2 ，3 电动汽车仿真环境和模块的建立 本仿真是在p c 机上，运行的系统软件是w i n d o w s 2 0 0 0 ，在m a t l a b 6 1 和 a d v i s o r 2 0 0 0 的基础上完成的，主要的仿真模块包括汽车动力学模型、车轮模型、 变速箱、电机模型、电池模型。以下逐一论述模型建立的数学关系和s i m u l i n k 模块的构造。 2 3 1 汽车动力学模型的建立 汽车在运动过程中，主要承受来自3 个方面的阻力，即车轮的阻力f r ，汽 车迎风阻力f d ，爬坡阻力f g ，和汽车的驱动力f a 总的构成汽车的动力学平衡方 程：【9 】 f a = f r + f g + f d ( 1 ) 其中f a = m * a = m + d v d rm 汽车的重量 f r = m 4 9 + u + c o s a u 道路的摩擦阻力系数，g 重力加速度常量 f d 。c d 4 a 4 v 2 c d 风阻系数，a 汽车的迎风面积，v 车速 f g ：m + g + s i n aa 是坡度 这样我们就可以建立汽车动力学模型，模型方框图如2 - 6 ： 1 0 第二章x l 纯电动轿车建模仿真 倒2 - 6 整军仿翼模型 2 3 2 电机模型的建立 因为我们的重点是动力学上的仿真研究，所以在电机模型上没有考虑电机本 身的工作过程，电机的扭矩和速度是通过m a p 图的形式加以调用的，电机的效 率也是m a p 图的方式查表计算的。对电机运行的限制来自其最高转速和最低工 作电压。由于电机发热过程中电机的效率会下降，所以在仿真过程中考虑了电机 的热力学模型。电机的仿真模型框图如2 7 ： 图2 7 电机仿真模型 第二章x l 纯电动轿车建模仿真 2 3 3 电池模型的建立 当前电池模型有两种主要的模型描述，一种是根据p e u k e r t 方程式所确定的模 型，把电池看作是带有内阻的电源；一种是比较复杂的r c 模型。两种模型的框 图如2 - 8 9 】： 上、 。t晒ghmged。lscftsoc n 删；。 i 、 。 h a 。翟砖) i一岜x l c r n m o v 脚叫l 厂霄“ r 商嘲撇e - c 。簿j 咖 r ob 瑚e | ym 国醴e j 地蛹c 蝴剜墩蚴l i c 图2 - 8 电池的两种模型结构 当然r c 模型更接近于电池的真实状态，但是因为过于复杂，在仿真过程采 用的是电池内阻模型，它的数学函数如下： 根据p e u k e r t 方程式：i “ t = c o n s t ( 1 ) 式中：i 为蓄电池恒流放电电流：t 为代表蓄电池电动势降至终止电压 2 3 v 时，单体电池的放电时间。 由i + t = c 代入方程( 1 ) 中得到 c * i = k l * c r * i r 式中：c 为蓄电池容量：k 1 为修正系数，以修f 在不同放电电流i 下，系数n 第二章x l 纯电动轿车建模仿真 的偏差，其值为i 的函数；i r 为额定电流；c r 为电池额定容量。 电池内阻r = v i = f ( s o c ，t ，c h a r g e d i s c h a r g e ) 电源电压v o c = f ( s o c ，t ) 电流的计算：电池的输出功率p = v * i ，又有电流平衡方程式p i = v o c 一( r * i ) ，可以 得到关系式：p = ( v o c * i ) 一r * i * i ，这样在放电过程中i 就可以得到确定。 在充电过程中，电池的最高电压不允许超过，最大的充电电流可以由公式 i = ( v o cv m a x ) r 确定。 开路电压的计算：v = v o c r * i s o c 的计算：s o c 是由电池的初始条件和冲放电过程中电流的积分得到的 电池的仿真模型如下图2 9 ： 图2 - 9 电池仿真模型 2 4 本章小结 本章主要论述了电动汽车仿真参数的设置，仿真模块模型的数学描述和模块 的建立以及对仿真软件a d v i s o r 的介绍，最后利用该软件的模块库给出了整车、 电机和电池的模块的建立。 1 3 第三章x l 纯电动轿车动力控制策略设计及仿真研究 第三章l 纯电动轿车动力控制策略设计及仿真研究 电动汽车驱动系统中除电机驱动装置，传动系统，动力电池外，还有很多的 辅助电力设备，包括空调系统，转向装置、真空泵等，所以必须有一个性能优越、 安全可靠的动力总成控制器，它从动力链的各个环节上进行合理控制车辆的运行 状态、能源分配和协调功能，以充分协调和发挥各部分的优势、获得汽车整体的 最佳运行状态。动力总成控制器的控制和管理策略包括： 汽车驱动控制：根据司机的驾驶要求、车辆状态、道路及环境状况，经分 析和处理，向电机控制器发出指令，满足驾驶工况要求。 制动能量回馈控制：根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、 蓄电池状态信息，计算动力矩，向电机控制器发出指令。 整车能量优化管理：通过对其它车载能源动力系统( 如空调、电动泵等) 的管理，提高整车能量利用效率，延长纯电动车的续驶里程。 网络管理：整车控制器作为信息控制中心，负责组织信息传输，网络状态 监控，网络节点管理，信息优先权的动态分配等功能。 故障诊断及保护：连续监视整车电控系统，进行故障诊断，并及时进行相 应安全保护处理。 车辆状态监视：各e c u ( 如主控制器、电机控制器、电池管理器等将各自管 辖对象的状态信息和故障诊断信息发布至总线，由主控制器通过综合数字仪表 显示出来。 电动汽车是多变量输入且难以用一个准确的数学模型来描述如加速踏板给 出的信号与车速的关系，它不仅与路况有关，还与环境有关同时与蓄电池当前 储能状况有关。这些难以用数学模型表示的系统，在国外提出用模糊控制系统来 解决。模糊控制实际上是一种专家系统的控制方法，能模仿人对被控系统的控制 操作：模糊逻辑控制推理的基础就是知识库，电动汽车在不同工况下的不同运行 规则可在运行过程中逐条调整，逐条修改知识库实现电动汽车优化控制。 但是这需要积累大量的试验数据，并进行很好的优化算法的处理，耗费的时间和 人力物力过大，所以在本系统中没有采用，而是仿照内燃机的控制策略，采用 m a p 图的控制方式f 3 j 】。 3 1 整车驱动策略的研究 上面已经指出电动汽车是多变量的输入，输入变量的情况比较复杂，所以很 难用一个准确的数学模型来描述所有的工况变化。我们在这里给出一个比较简单 的数学模型，整车驱动力矩主要和加速踏板信号、加速踏板的加速度、电机转速 1 4 第三章x l 纯电动轿车动力控制策略设计及仿真研究 电池的电压、电流和车速相关。至于道路状况，因为在车上没有装置相应的传感 器，在这里不考虑。整个驱动模型数学函数为： f d r i v e = f ( a c c ，d a e c ，b p p ，m o t o r _ s p e e d ，m o t o r t e m p ，s p e e d ，vi , s o c ) 式中a c c 表示加速踏板的位置 d a c c 表示加速踏板的加速度 b p p 表示制动缸内的压力 m o t o rs p e p a 表示电机转速 m o t o rt e m p 表示电机温度 s p e e d 表示车速 v 、i 表示电池的电压和电流 s o c 表示电池的荷电状态 加速踏板的位置和加速度决定了司机的驱动力矩需求，制动缸内的压力反映 了制动力矩的需求，电机转速范围决定了电机的力矩曲线和工作特性，电机温度 则决定了电机的过载能力，车速作为反馈量修正驱动力矩，电池的电压、电流、 s o c 则反映了电池的状态，作为功率的输出源它限制了驱动力矩的输出。 驱动力和制动力的和，就是司机所要求的输出力矩：控制图如3 1 图： 图3 - 1 驱动力矩算法 3 1 1 加速踏板的加速特性曲线 从加速踏板采集的0 - 5 v 的信号经过标定程序的转换得到相对踏板位置的 比率，对于电动汽车的加速特性就取决于以加速踏板信号为变量的曲线函数的特 性：y = f ( n c c ) ，函数关系可以是线性的，也可以是曲线。线性函数关系处理比 较简单，但是在汽车的加速性上偏慢，复杂的函数关系在处理的过程中计算量过 大，通过归一化的处理方法，我们采用的是如图3 2 所示的函数，这样可以初 步得到一些加速曲线。 t 1 5 第三章x l 纯电动轿车动力控制策略设计及仿真研究 力 矩 系 数 图3 - 2 踏板加速曲线 通过道路试验我们选取了曲线a ，这条曲线基本满足加速的需求。在中负荷 司机的驾驶感觉也良好，在小负荷时考虑到力矩的需求比较小，踏板的行程很小。 如果按照这条曲线，司机的操控性不好，所以通过试验修改了曲线在小负荷状态 下的曲线特性，以保证低速行驶的稳定性。 结合电机的外特性曲线和加速踏板回零的制动需求，电机驱动的范围可以 取定如图3 3 。 电机扭矩( n m ) 图3 - 3 电机驱动力矩图 图中电机扭矩曲线是电机的外特性曲线，也就是电机在额定功率下运行的理 想曲线，分为恒扭矩和恒功率两个区间，额定转速为3 6 0 0 r m i n 。曲线a b c 是在 踏板回零时电机制动的曲线，a 点时制动回馈的结束标志点；b c 段是制动力恒 定段，制动力大小应使车辆滑行感觉与原车相近。 1 6 第三章x l 纯电动轿车动力控制策略设计及仿真研究 3 1 2 电机过载管理 上面提到设定的电机额定功率为2 0 k w , 基本可以满足电动汽车在城市的道路 运行，当司机需要急加速运行时，功率的需求就不能满足，在此基础上可以让电 机短暂的过载运行，过载的倍数最大为2 倍，即6 0 k w 的功率，提供电动汽车急 加速所需要的大功率需求。电机过载的特性如图3 - 4 3 0 1 。 电机扭矩( n m ) 时间( s ) 圈34 电机过载特性 从图中可以看到电机过载的时间比较短，而且不能频繁过载运行，这主要是 由于电机电流过大，内部定子线圈的温度过高，容易产生故障，因此在利用这一 部分功率的时候必须加以时间上的控制。 在过载力矩的时间控制上我们分别采用了两种策略：一种方法是根据电机的 过载时间特性：一种方法是监测电机的温度。 时间特性：按照电机的过载特性曲线，过载2 倍持续3 0 秒，然后回到额定 力矩一下3 分钟，可以再次过载，过载程度不同过载时间和回复时间也不同，在 控制上由电机控制器监测电机过载承受能力，主控制器根据电机的反馈信息调整 过载力矩大小和时间。当不能过载时，在一定的时间内将电机扭矩降至额定点以 下。 电机温度特性：电机过载存在持续时间的问题，原因在于大电流工作发热量 大，电机温度上升，定子线圈可能会被烧毁等故障，因此可以考虑监测电机的温 度来调整过载的力矩大小。电机控制器通过传感器监测电机的温度，发送给主控 制器，根据反馈信息，主控制器设定最高电机温度，根据此温度用p i d 算法调 整过载力矩，这种方法要求监测电机温度，传感器的安装比较麻烦。 3 2 整车能量管理策略 整车能量管理在电动汽车管理系统中占有重要的地位，提高整车能量利用率 可以提高一次充电的续驶里程，维护整车的安全性。 其目标是： 1 在没有电池能量限值的条件下，在所有工况下，如何获得最优的动力系 三 第三章x l 纯电动轿车动力控制策略设计及仿真研究 统的加速性能； 2 确保可以接受的驾驶感觉； 3 在有电池能量限制的条件下，如何避免“切断”。 其任务有： 1 在系统性能限制条件和司机驾驶力矩需求的条件下，计算和调整实际输 出的驱动力矩； 2 ，计算最佳的传动比； 3 管理动力总成的工况模式和过渡工况的平滑。 3 2 1 电动汽车工况的控制流程和切换 从整个电动汽车运行系统的角度将运行工况设计为停车、上电初始化、预驾 驶模式，驱动模式、故障切断和能量不足运行等6 个方面。整车管理系统采集钥 匙信号、故障信息、电机和电池状态信息和汽车运行状况，判断系统的运行模式 以及系统工况彼此之间的切换。图3 - 5 是各个系统模式的运行顺序和切换条件。 图3 - 5 工况的切换 从上面的图中，可以清楚的了解电动汽车的工况模式变换过程。其中上电初 始化、预驾驶模式、驱动模式、停车时运行等主要工况和传统汽车没有太多区别， 故障切断和能量不足运行是电动汽车的电池和电机等电力系统所带来的问题，尤 1 8 第三章x l 纯电动轿车动力控制策略设计及仿真研究 其是电池和燃油不同，它有放电能力和工作电压的限制。在电池有故障时必须切 断，当其能量不足时切换到能量不足运行模式，也就是“跛行”回家的概念。 3 2 2 驱动力的钱量限制 上面已经提到了在能量不足的条件下，司机需求的力矩和实际系统的输出能 力不符时，必须限制输出的力矩，以避免突然的“切断”，造成事故。电池是电 动汽车能源供给主要来源，电机的驱动能量和各种辅助电力设备的能量都来源于 电池。因此从功率平衡上来说： p b a t t e r y = p m o t o r + p s u b + p l o s t 根据这个方程，由单片机实时采集电池的电压