CN101819442B - 一种纯电动汽车动力性仿真系统 - Google Patents

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本发明涉及一种纯电动汽车动力性仿真系统。其特征在于包括电池模块、电机模块、整车模块、控制器模块、循环工况模块和显示器模块，整车模块中还包括制动模块，制动模块中包括附着子模块，控制器模块采用PWM斩波进行控制，该系统基于matlab软件对平地和爬坡工况、循环工况进行仿真。上述一种纯电动汽车动力性仿真系统，不仅可以模拟仿真汽车动力性的3个指标：最高车速、加速能力、最大爬坡度，还可以模拟仿真循环工况，以预测汽车的续驶里程，也可以模拟汽车的制动情况，预测出汽车的最小制动距离和制动时间，用户可以通过采用矩阵运算的方式优化出汽车的最佳传动比以提高汽车的动力性和续驶里程。

Description

一种纯电动汽车动力性仿真系统
技术领域
本发明涉及一种纯电动汽车动力性仿真系统。
背景技术
纯电动汽车动力性匹配涉及到电池，电机及其控制器，传动系传动比和整车的一些参数，如何在产品制造出来前，根据整车的总体参数，选择电池，电机及其控制器，传动系传动比，预测纯电动汽车是否满足厂家所要求的动力性和续驶里程要求，从而指导对电池，电机及其控制器，传动系传动比等相关参数的选型，是一个非常重要的问题。
目前主要有两种方法：一种是图解法，这种方法简单快捷，但考虑的因素比较少，不能预测一些具体的电机特性，优化功能薄弱，并且几乎不能有效判断纯电动汽车续驶里程，因此准确性也比较低。另一种是通过理论建模变成软件程序，但因为程序结构不同，具体模型差异等原因，造成不同软件仿真精度的差异。
在目前纯电动汽车动力性仿真领域，几乎所有软件都是以传统内燃机动力性仿真为内核，即其中的电机模块，采用直接输入电机外特性的方式进行仿真，其本质仍然是一个内燃机，没有注意到电机在不同工况下运行时其特性与内燃机的差异，比如外特性浮动较内燃机大等，因此造成在进行纯电动汽车动力性仿真时精度不够高等缺点，同时也不利于优化电机内部的一些参数以优化汽车相关性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种纯电动汽车动力性仿真系统的技术方案。
所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于包括电池模块、电机模块、整车模块、控制器模块、循环工况模块和显示器模块，整车模块中还包括制动模块，制动模块中包括附着子模块，控制器模块采用PWM斩波进行控制，该系统基于matlab软件对平地和爬坡工况、循环工况进行仿真，
对平地和爬坡工况的仿真如下：
系统首先给控制器设定一个固定的占空比，电机根据控制器信号输出转矩和转速，系统判断电机旋转方向正反，当电机旋转方向为反时，说明用户在初始设定参数时发生错误，或者电机输出转矩不能满足工况要求，程序停止，需返回检查原因并进行重新设定；当电机旋转方向为正时，系统根据汽车传动系传动比、轮胎胎径计算出车速，同时根据车速计算出汽车阻力，然后判断车速是否趋于稳定，当车速趋于稳定时，说明汽车此时已达到最大车速，程序结束，输出结果，当车速没有达到稳定时，把计算出来的阻力信号反馈给电机，系统重新判断电机旋转方向，重复上述过程；
对循环工况仿真如下：
系统给控制器设定一个占空比，电机输出转矩转速，并判断电机旋转方向正反，当电机旋转方向为反时，说明用户在初始设定参数时发生错误，或者电机输出转矩不能满足工况要求，程序停止，需返回检查原因并进行重新设定；当电机旋转方向为正时，系统根据汽车传动系传动比、轮胎胎径计算出车速，同时根据车速计算出汽车阻力，并把阻力反馈给电机，接着系统用模型计算出来的汽车实际车速v与循环工况的理论车速v′进行对比，当实际车速v与理论车速v′之差的绝对值小于系统设定值m时，则说明此时加速踏板位置合理，保持占空比不变，如果实际车速v与理论车速v′之差的绝对值大于系统设定值m，系统需再判定实际车速v是否大于理论车速v′，如是，则减小占空比，降低电机转矩转速，如否，则加大占空比，增加电机转矩转速，当系统检测到循环工况运行完毕后，程序结束，输出结果。
所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于所述的整车模块工作过程如下：整车模块先从电机模块中取得电机转速信号并将其转化成车速，然后车速分3条路径运行，第1条路径对车速进行滤波求导，计算出加速阻力，第2条路径则根据用户输入的迎风面积、风速、风阻系数计算出风阻，第3条路径是把车速信号导入到路面输入模块中，计算出路面坡道总阻力，将上述3条路径最后计算出的总阻力汇总反馈到电机模块中作为电机的外部负载转矩，另外，系统初始运行时会判断程序是否在运行循环工况，如是，则制动模块中会产生相应的制动力反馈到电机模块中作为电机的外部负载转矩，如否，则制动模块不产生制动力。
所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于所述的循环工况模块工作过程如下：循环工况模块先从整车模块中取得车速信号，然后用lookup速度路程表格中的数据与之进行逻辑比较，把计算得出的占空比输入到控制器模块中，另外循环工况模块中对lookup速度路程表格的速度以时间为变量进行求导，判断求导出来的加速度的正负，如加速度为正，则输出逻辑1给制动模块，如加速度为负，则输出逻辑0给制动模块。
所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于所述的制动模块工作过程如下：制动模块从整车模块取得实际车速信号，再从循环工况模块取得理论车速信号，然后在比较子模块中对他们进行比较计算得出初步的制动器制动力，并对它们限值，接着把初步计算得到的制动力输入附着子模块，另外在循环工况模块中给出制动器控制逻辑，当逻辑值为1时，附着子模块的制动力输出到整车模块，当逻辑值为0时，则系统默认输入到整车模块的制动力值为0，接着系统根据制动力输出的实际情况进行逻辑判断，并把逻辑判断值输出到控制器模块作为加速踏板控制逻辑。
所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于所述的附着子模块工作过程如下：附着子模块先从制动器模块中取得制动力信号，然后根据用户输入的前后轮制动力分配系数分别分配给前轮制动器制动力和后轮制动器制动力，系统将前轮制动器制动力、前轮负荷计算子模块输出的前轮附着力的最小值和后轮制动器制动力、后轮负荷计算子模块输出的后轮附着力的最小值相加构成汽车总制动力，输出给整车模块，同时将汽车总制动力除以汽车总重得到的加速度值反馈给前轮负荷计算子模块和后轮负荷计算子模块。
上述一种纯电动汽车动力性仿真系统，不仅可以模拟仿真汽车动力性的3个指标：最高车速、加速能力、最大爬坡度，还可以模拟仿真循环工况，以预测汽车的续驶里程，也可以模拟汽车的制动情况，预测出汽车的最小制动距离和制动时间，用户可以通过采用矩阵运算的方式优化出汽车的最佳传动比以提高汽车的动力性和续驶里程，其仿真精度高，有利于优化电机内部的一些参数以优化汽车相关性能。
附图说明
图1为本发明平地和爬坡工况仿真的结构框图；
图2为本发明平地和爬坡工况仿真的流程图；
图3为本发明循环工况仿真的结构框图；
图4为本发明循环工况仿真的流程图；
图5为本发明整车模块的流程图；
图6为本发明循环工况模块的流程图；
图7为本发明制动模块的流程图；
图8为本发明附着子模块的流程图。
具体实施方式
一种纯电动汽车动力性仿真系统，包括电池模块1、电机模块2、整车模块3、控制器模块4、循环工况模块5和显示器模块6，电机模块2适用于各种永磁无刷电机，整车模块3可以输入传动系传动比、转动惯量、整车质量等相关参数，整车模块3中还包括制动模块，制动模块中包括附着子模块，控制器模块4采用PWM斩波进行控制，各个模块都可进行相关的参数设定以满足使用者的要求。用户可以根据实际设计需要设定电机、电池、整车参数以及路面的相关参数，控制器模拟的是加速踏板，各模块之间的信号传递如下：如图1所示，控制器模块4根据电机模块2提供的3相霍尔信号，给电机输入一定规律的电流，电机模块2给整车模块3提供转矩和转速信号，整车模块3再根据路面和外界环境情况反馈给电机模块2一个负载；在进行循环工况仿真时，如图3所示，循环工况模块5会采集整车模块3中的速度信号，与自身数据进行比较后，再对控制器模块4进行控制，同时也会给整车模块3内的制动模块一个制动逻辑信号，而制动子模块会提供给控制器模块4一个加速踏板控制逻辑，显示器模块6则用于系统程序运行中各模块数据信号的监控。
本发明是基于matlab软件对平地和爬坡工况、循环工况进行仿真，
对平地和爬坡工况的仿真如下：
如图2所示，加速踏板信号采用占空比来模拟，一定的占空比代表一定的加速踏板行程，系统首先给控制器设定一个固定的占空比，电机根据控制器信号输出转矩和转速，系统判断电机旋转方向正反，当电机旋转方向为反时，系统断定，用户在初始设定某些参数时发生错误，或者电机所输出转矩不能满足工况要求，程序停止，需返回检查原因并进行重新设定；当电机旋转方向为正时，系统根据汽车传动系传动比、轮胎胎径及其它相关参数计算出车速，同时根据车速计算出汽车阻力，然后判断车速是否趋于稳定，当车速趋于稳定时，系统认定汽车此时已达到最大车速，程序结束，输出结果，当车速没有达到稳定时，把计算出来的阻力信号反馈给电机，系统重新判断电机旋转方向，重复上述过程；
对循环工况仿真如下：
如图4所示，系统给控制器设定一个占空比，电机输出转矩转速，并判断电机旋转方向正反，当电机旋转方向为反时，系统断定，用户在初始设定某些参数时发生错误，或者电机所输出转矩不能满足工况要求，程序停止，需返回检查原因并进行重新设定；当电机旋转方向为正时，系统根据汽车传动系传动比、轮胎胎径及其它相关参数计算出车速，同时根据车速计算出汽车阻力，并把阻力反馈给电机，接着系统用模型计算出来的汽车实际车速v与循环工况的理论车速v′进行对比，当实际车速v与理论车速v′之差的绝对值小于系统设定值m时，则说明此时加速踏板位置合理，保持占空比不变，如果实际车速v与理论车速v′之差的绝对值大于系统设定值m，系统需再判定实际车速v是否大于理论车速v′，如是，则减小占空比，降低电机转矩转速，如否，则加大占空比，增加电机转矩转速，当系统检测到循环工况运行完毕后，程序结束，输出结果。
具体地，整车模块3工作过程如下：如图5，整车模块3先从电机模块2中取得电机转速信号，把它转化成车速，然后车速分3条路径运行，第1条路径对车速进行滤波求导，计算出加速阻力，第2条路径则根据用户输入的迎风面积、风速及其它参数计算出风阻，第3条路径是把车速信号导入到路面输入模块中，计算出路面坡道总阻力，将上述3条路径最后计算出的总阻力汇总反馈到电机模块2中作为电机的外部负载转矩，另外，系统初始运行时会判断程序是否在运行循环工况，如是，则制动模块中会产生相应的制动力反馈到电机模块2中作为电机的外部负载转矩，如否，则制动模块不产生制动力。
循环工况模块5工作过程如下：如图6，循环工况模块5先从整车模块3中取得车速信号，然后再用lookup速度路程表格中的数据与之进行逻辑比较，再把计算得出的占空比输入到控制器模块4中，另外循环工况模块5中对lookup速度路程表格的速度以时间为变量进行求导，判断求导出来的加速度的正负情况，如加速度为正，则输出逻辑1给制动模块，表明汽车制动踏板不起作用，制动力为0，如加速度为负，则输出逻辑0给制动模块，表明汽车制动踏板可能起作用，制动力可以不为0。
制动模块工作过程如下：如图7，制动模块从整车模块3取得实际车速信号，再从循环工况模块5取得理论车速信号，然后在比较子模块中对他们进行比较计算得出初步的制动器制动力，并对他们限值，以免制动力超过系统设定的最大值，接着把初步计算得到的制动力输入附着子模块，附着子模块的作用是考虑汽车制动时轴荷转移可能导致的轮胎抱死情况，制动器控制逻辑来自于循环工况模块5，当逻辑值为1时，附着子模块的制动力输出到整车模块3，当逻辑值为0时，则系统默认输入到整车模块3的制动力值为0，接着系统会根据制动力输出的实际情况再进行逻辑判断，并把逻辑判断值输出到控制器模块4作为加速踏板控制逻辑，汽车制动时，加速踏板控制逻辑为0，即控制器占空比为0，加速踏板不起作用；而当加速踏板起作用时，汽车不产生制动力。
附着子模块工作过程如下：如图8，附着子模块先从制动器模块中取得制动力信号，然后根据用户输入的前后轮制动力分配系数分别分配给前后轮不同的制动力，系统取前轮制动器制动力和前轮负荷计算子模块输出的前轮附着力的最小值，再取后轮制动器制动力和后轮负荷计算子模块输出的后轮附着力的最小值，两个最小值相加构成汽车总制动力，汽车总制动力输出给整车模块3，同时将汽车总制动力除以汽车总重得到的加速度值反馈给前轮负荷计算子模块和后轮负荷计算子模块，本模块在总体结构上有两个闭环。
上述一种纯电动汽车动力性仿真系统，不仅可以模拟仿真汽车动力性的3个指标：最高车速、加速能力、最大爬坡度，还可以模拟仿真循环工况，以预测汽车的续驶里程，也可以模拟汽车的制动情况，预测出汽车的最小制动距离和制动时间，用户可以通过采用矩阵运算的方式优化出汽车的最佳传动比以提高汽车的动力性和续驶里程，其仿真精度高，有利于优化电机内部的一些参数以优化汽车相关性能。

Claims (5)

1.一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于包括电池模块(1)、电机模块(2)、整车模块(3)、控制器模块(4)、循环工况模块(5)和显示器模块(6)，整车模块(3)中还包括制动模块，制动模块中包括附着子模块，控制器模块(4)采用PWM斩波进行控制，该系统基于matlab软件对平地和爬坡工况、循环工况进行仿真，
对平地和爬坡工况的仿真如下：
系统首先给控制器设定一个固定的占空比，电机根据控制器信号输出转矩和转速，系统判断电机旋转方向正反，当电机旋转方向为反时，说明用户在初始设定参数时发生错误，或者电机输出转矩不能满足工况要求，程序停止，需返回检查原因并进行重新设定；当电机旋转方向为正时，系统根据汽车传动系传动比、轮胎胎径计算出车速，同时根据车速计算出汽车阻力，然后判断车速是否趋于稳定，当车速趋于稳定时，说明汽车此时已达到最大车速，程序结束，输出结果，当车速没有达到稳定时，把计算出来的阻力信号反馈给电机，系统重新判断电机旋转方向，重复上述过程；
对循环工况仿真如下：
系统给控制器设定一个占空比，电机输出转矩转速，并判断电机旋转方向正反，当电机旋转方向为反时，说明用户在初始设定参数时发生错误，或者电机输出转矩不能满足工况要求，程序停止，需返回检查原因并进行重新设定；当电机旋转方向为正时，系统根据汽车传动系传动比、轮胎胎径计算出车速，同时根据车速计算出汽车阻力，并把阻力反馈给电机，接着系统用模型计算出来的汽车实际车速v与循环工况的理论车速v′进行对比，当实际车速v与理论车速v′之差的绝对值小于系统设定值m时，则说明此时加速踏板位置合理，保持占空比不变，如果实际车速v与理论车速v′之差的绝对值大于系统设定值m，系统需再判定实际车速v是否大于理论车速v′，如是，则减小占空比，降低电机转矩转速，如否，则加大占空比，增加电机转矩转速，当系统检测到循环工况运行完毕后，程序结束，输出结果。
2.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于所述的整车模块(3)工作过程如下：整车模块(3)先从电机模块(2)中取得电机转速信号并将其转化成车速，然后车速分3条路径运行，第1条路径对车速进行滤波求导，计算出加速阻力，第2条路径则根据用户输入的迎风面积、风速、风阻系数计算出风阻，第3条路径是把车速信号导入到路面输入模块中，计算出路面坡道总阻力，将上述3条路径最后计算出的总阻力汇总反馈到电机模块(2)中作为电机的外部负载转矩，另外，系统初始运行时会判断程序是否在运行循环工况，如是，则制动模块中会产生相应的制动力反馈到电机模块(2)中作为电机的外部负载转矩，如否，则制动模块不产生制动力。
3.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于所述的循环工况模块(5)工作过程如下：循环工况模块(5)先从整车模块(3)中取得车速信号，然后用lookup速度路程表格中的数据与之进行逻辑比较，把计算得出的占空比输入到控制器模块(4)中，另外循环工况模块(5)中对lookup速度路程表格的速度以时间为变量进行求导，判断求导出来的加速度的正负，如加速度为正，则输出逻辑1给制动模块，如加速度为负，则输出逻辑0给制动模块。
4.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于所述的制动模块工作过程如下：制动模块从整车模块(3)取得实际车速信号，再从循环工况模块(5)取得理论车速信号，然后在比较子模块中对他们进行比较计算得出初步的制动器制动力，并对它们限值，接着把初步计算得到的制动力输入附着子模块，另外在循环工况模块(5)中给出制动器控制逻辑，当逻辑值为1时，附着子模块的制动力输出到整车模块(3)，当逻辑值为0时，则系统默认输入到整车模块(3)的制动力值为0，接着系统根据制动力输出的实际情况进行逻辑判断，并把逻辑判断值输出到控制器模块(4)作为加速踏板控制逻辑。
5.根据权利要求4所述的一种纯电动汽车动力性仿真系统，其特征在于所述的附着子模块工作过程如下：附着子模块先从制动器模块中取得制动力信号，然后根据用户输入的前后轮制动力分配系数分别分配给前轮制动器制动力和后轮制动器制动力，系统将前轮制动器制动力、前轮负荷计算子模块输出的前轮附着力的最小值和后轮制动器制动力、后轮负荷计算子模块输出的后轮附着力的最小值相加构成汽车总制动力，输出给整车模块(3)，同时将汽车总制动力除以汽车总重得到的加速度值反馈给前轮负荷计算子模块和后轮负荷计算子模块。
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