CN104504191B - 基于AMESim的四轮驱动电动汽车仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

一种基于AMESim的四轮驱动电动汽车仿真建模方法，属于电动汽车控制技术领域。本发明的目的是为了实现四轮驱动电动汽车有效控制，提供一个控制算法验证平台的基于AMESim的四轮驱动电动汽车仿真建模方法。本发明搭建了整体仿真模型的结构，驾驶员模拟单元、车辆信号测量及控制单元、四轮驱动系统单元、电动汽车底盘单元、车辆运行环境设置单元和电池单元。本发明所述的建模方法是一种模块化建模方法，模型结构清晰简单，易于组合调试。

Description

基于AMESim的四轮驱动电动汽车仿真建模方法

技术领域

本发明属于电动汽车控制技术领域。

背景技术

为应对能源和环境的双重挑战，电动汽车已成为汽车行业研究的重点。四轮驱动电动汽车作为电动汽车发展的新型技术，正逐步受到各大汽车厂商的青睐。四轮驱动电动汽车采用轮毂电机驱动方式，将电机同车轮直接相连，单个电机驱动单个车轮，使得传统的动力控制变为电气连接，省去了传统汽车中大量的传动机构，使得整车结构简化，系统布置更加方便，避免了传动过程中的能量损耗，提高了传动效率，并且各个轮毂电机的独立控制使得整车控制更加灵活、快捷。

然而，电动轮驱动方式也使得控制自由度增加，为保证电动汽车的可靠高效的运行，电动轮之间的协调控制成为控制的难点。为了研究有效地控制算法，研究人员需要进行车辆测试、细致的实验设计和仿真。仿真是验证控制算法有效性的基础。精确地仿真模型为算法的设计和验证提供了保证，研究人员对此有着迫切需求。然而，迄今为止仍没有适当完善的四轮驱动电动汽车仿真模型作为汽车控制研究人员的通用方式。

目前为了解决电动汽车控制算法研究所遇到问题，许多专家在仿真建模方法设计方面进行了许多努力，针对于电动汽车仿真建模问题已经提出了许多成型的方法：

中国专利公开号CN102955866A，公开日2013年3月16日，专利申请号为：201110240092.7，专利申请名称为“用于实现纯电动车整车性能评估及建模的方法”。专利申请中描述了一种用于实现纯电动车整车性能评估及建模的方法，包括：设定整车性能目标数据；设定纯电动车中各子系统的性能参数；对各子系统进行选型；通过仿真和/ 或试验手段构建出各子系统的性能模型；整合所述性能模型以建立它们之间输入和输出数据流，并设立整车性能仿真模型的性能输出目标数据以构建整车性能计算模型，具有适用性强、评估准确等优点。但该发明主要是针对电动汽车性能的评估，并不适用于控制算法的验证。

中国专利公开号CN103192901A，公开日为2013年7月10日，专利申请号为201210065867.6，专利申请名称为“一种新型电动车仿真模型架构”。专利申请中描述了一种针对交流电传输的高压线束研究的电动车仿真模型架构。该方法在一定程度上实现了电动汽车建模，但结构特点仍与传统集中式驱动相同，并且该模型主要针对研究电动汽车内交流电传输的高压线束问题，并不适用于车辆控制算法研究领域。

中国专利公开号CN103647498A，公开日2014年3月19日，专利申请号为201310710930.1，专利申请名称为“一种电动车驱动仿真系统及其方法”。专利申请中描述了一种电动车驱动仿真系统，包括驱动系统仿真设备和控制电路系统仿真设备，所述的驱动系统仿真设备和控制电路系统仿真设备之间通过接口器件连接通信。利用不同软件之间兼容的技术，采用两种有着共同连接接口，使侧重点不同的仿真软件进行联合仿真，将驱动系统的主电路、控制电路来分开建模，采用节点的形式进行信号上的连接，来加快仿真速度并提高仿真精度。该发明主要针对电驱动仿真系统，对于电动汽车其他部分涉及很少，不够全面，难以全面反映电动汽车的完整特性。

发明内容

本发明的目的是为了实现四轮驱动电动汽车有效控制，提供一个控制算法验证平台的基于AMESim的四轮驱动电动汽车仿真建模方法。

本发明搭建了整体仿真模型的结构，驾驶员模拟单元、车辆信号测量及控制单元、四轮驱动系统单元、电动汽车底盘单元、车辆运行环境设置单元和电池单元；

a、驾驶员模拟单元：由J01转向角设置模块、J02理想车速设置模块、J03转矩计算环节、J04转矩命令限幅模块、J05制动扭矩计算环节和J06制动转矩限幅模块构成；驾驶员模拟单元接口“Ja”是检测当前车辆实际车速输入接口，并且驾驶员模拟单元接口“Ja”接车辆信号检测及控制单元接口“Eg”，驾驶员模拟单元接口“Jb”是方向盘转角输出端口，并且驾驶员模拟单元接口“Jb”接车辆信号检测及控制单元接口“Ed”，驾驶员模拟单元接口“Jc”是车辆驱动转矩输出端口，并且驾驶员模拟单元接口“Jc”接车辆信号检测及控制单元接口“Ee”，驾驶员模拟单元接口“Jd”是制动器控制信号输出端口，并且驾驶员模拟单元接口“Jd”接底盘单元接口“Cf”；

b、车辆信号测量及控制单元：由E01-E10组成；接口“Ea”、E01到E06依次连接，E01是位移传感器，E02是速度传感器，E03是角度传感器，E04是角速度传感器，E05是加速度传感器，E06是大地坐标系和车身坐标系之间的转换关系模块，E07是轮胎特性模块，E08是轮胎力传感器，E09是轮胎模型状态传感器，E10是AMESim软件和Simulink/Matlab软件联合仿真接口模块；信号测试与控制单元接口“Ea”是车辆状态输入接口，并且信号测试与控制单元接口“Ea”接底盘单元接口“Ck”，信号测量与控制单元接口“Eb”是地面信息输入接口，并且信号测量与控制单元接口“Eb”接环境设置单元接口“Hb”、“Hc”、“Hd”“He”，信号测试与控制单元接口“Ec”是轮胎同车轮模块连接口，并且信号测试与控制单元接口“Ec”接底盘单元接口“Cg”、“Ch”、“Ci”、“Cj”，车辆信号检测及控制单元接口“Ed”是驾驶员转向信号输入接口，并且车辆信号检测及控制单元接口“Ed”接驾驶员模拟单元接口“Jb”，车辆信号检测及控制单元接口“Ee”是车辆驱动转矩输入接口，并且车辆信号检测及控制单元接口“Ee”接驾驶员模拟单元接口“Jc”，信号测试与控制单元接口“Ef”是控制器计算的电机转矩命令和前轮转向命令输出端口，并且信号测试与控制单元接口“Ef”接底盘单元接口“Ca”和四轮驱动系统单元接口“Sa”, 车辆信号检测及控制单元接口“Eg”是车辆纵向速度输出接口，并且车辆信号检测及控制单元接口“Eg”接驾驶员模拟单元接口“Ja”，同时车辆信号检测及控制单元接口“Eg”连接电池单元的电池状态输出接口 “Ba”、“Bb”、“Bc”；

c、四轮驱动系统模型： 由四组相同的驱动部分组成，分别驱动左前轮A、右前轮B、左后轮A和右后轮B；每个轮驱动结构是S01轮毂电机、S02转轴阻尼器、S03转轴转动惯量、S04转轴弹簧减震器构成；四轮驱动系统单元接口“Sa”是电机的转矩驱动命令信号，并且四轮驱动系统单元接口“Sa”接信号测试与控制单元接口“Ef”，四轮驱动系统单元接口“Sb”是电机的转矩输出接口，并且四轮驱动系统单元接口“Sb”接“Cb”，四轮驱动系统电源接口“Sc”是电机的外部电源接口，并且四轮驱动系统电源接口“Sc”接“Bd”；

其中轮毂电机封装模块由D01电机控制器、D02三相逆变器、D03三相电流传感器、D04永磁同步电机本体、D05外部电源电压传感器和D06转速传感器组成，“Da”转矩命令信号接口接四轮驱动系统单元接口“Sa”，“Db”电机机械转矩输出口接S02模块，“Dc” 外部电源接口接电池单元接口“Bd”；

d、电动汽车底盘单元：由C01车身模块、C02机械转向模块、C03制动器组、C04独立悬架组、C05车轮模块和C06车轮弹性模块组成，底盘单元接口“Ca”是控制单元计算的转向角信号输入接口，并且底盘单元接口“Ca”接信号测试与控制单元接口“Ef”，“Cb”、“Cc”、“Cd”、“Ce”四轮驱动单元对车轮的四组驱动力矩输入接口接四轮驱动系统单元接口“Sb”，分别针对左前、右前、左后、右后车轮，底盘单元接口“Cf”是控制单元计算的制动片组命令输入接口，并且底盘单元接口“Cf”接驾驶员模拟单元接口“Jd”，底盘单元接口“Cg”、“Ch”、“Ci”、“Cj”是轮胎力输入接口，并且底盘单元接口“Cg”、“Ch”、“Ci”、“Cj”接信号测试与控制单元接口“Ec”，分别针对左前、右前、左后、右后车轮，底盘单元接口“Ck”是测量单元从车身测得数据的输出端口，并且底盘单元接口“Ck”接信号测试与控制单元接口“Ea”, 底盘单元接口“Cl”是风阻输入端口，并且底盘单元接口“Cl”接环境设置单元接口“Ha”；

e、车辆运行环境设置单元：由H01风速设置模块、H02风阻产生模块、H03轮胎地面附着系数设置模块、H04路面坡度设置模块、H05轮胎表面湿滑情况产生模块和H06轮胎地面连接模块组成，环境设置单元接口“Ha”是风阻输入端口，并且环境设置单元接口“Ha”接底盘单元接口“Cl”，环境设置单元接口“Hb”“Hc”“Hd”“He”为同轮胎模型连接的接口，并且环境设置单元接口“Hb”“Hc”“Hd”“He”接信号测量与控制单元接口“Eb”，分别设置左前、右前、左后、右后四个轮胎的接地；

f、电池单元：由B01电池模型、B02输出电压传感器、B03输出电流传感器和B04电池温度传感器组成，电池单元接口“Ba”是测试电压值输出接口，电池单元接口“Bb”是测量温度值输出接口，电池单元接口“Bc”是测量电流值输出接口，并且电池单元接口“Bc”接信号测量与控制单元接口“Eg”, 电池单元接口“Bd”是电源输出接口，并且电池单元接口“Bd”接四轮驱动系统电源接口“Sc”。

本发明所要解决的技术问题是汽车控制算法验证平台缺乏的问题，设计了一种基于AMESim仿真软件的四轮驱动电动汽车结构的仿真建模方法。有益效果是：

1.本发明所述的建模方法主要为了实现四轮驱动电动汽车有效控制，提供一个控制算法验证平台。

2.本发明所述的建模方法选用汽车厂商广泛应用的商用软件AMESim作为平台，进行建模方法研究，易于方法的推广和应用。

3. 本发明所述的建模方法是一种模块化建模方法，模型结构清晰简单，易于组合调试。

附图说明

图 1.为本发明所述的四轮驱动电动汽车模型结构图, 其中箭头表示信号传递方向；

图 2.为本发明所述的驾驶员模拟单元模型图，“J+小写字母”箭头表示信号接口，“J+数字”为组成模块；

图3.为本发明所述的车辆信号测量及控制单元模型图，“E+小写字母”箭头表示信号接口，“E+数字”为组成模块；

图 4.为本发明所述的四轮驱动系统模型图，“S+小写字母”箭头表示信号接口，“S+数字”为组成模块；

图 5.为本发明所述的永磁同步电机控制系统模型图，“D+小写字母”箭头表示信号接口，“D+数字”为组成模块；

图 6.为本发明所述的电动汽车底盘模型图，“C+小写字母”箭头表示信号接口，“C+数字”为组成模块；

图 7.为本发明所述的车辆运行环境单元模型图，“H+小写字母”箭头表示信号接口，“H+数字”为组成模块；

图 8.为本发明所述的电池单元模型图，“B+小写字母”箭头表示信号接口，“B+数字”为组成模块；

图9.为本发明所述的实例1的车辆轨迹曲线图，黑点表示障碍物，其中纵坐标为车辆侧向Y方向位移，单位m，横坐标为车辆行驶X方向位移，单位m；

图10.为本发明所述的实例1的方向盘转角曲线图，其中纵坐标为方向盘转角大小，单位degree，横坐标为时间，单位s；

图11.为本发明所述的实例1的车辆质心侧偏角曲线图，其中纵坐标为车辆质心侧偏角大小，单位degree，横坐标为时间，单位s；

图12.为本发明所述的实例1的车辆横摆角速度曲线图，其中纵坐标为车辆横摆角速度大小，单位degree，横坐标为时间，单位s；

图13.为本发明所述的实例1的车辆纵向速度曲线图，其中纵坐标为车辆纵向速度大小，单位Km/h，横坐标为时间，单位s；

图14.为本发明所述的实例1的车辆爬坡轨迹曲线图，坡度为15%，其中纵坐标为车辆垂向Z方向位移，单位m，横坐标为车辆行驶X方向位移，单位m；

图15.为本发明所述的实例2的车辆纵向速度跟踪曲线图，点划线表示目标车速，实线表示实际车速，其中纵坐标为车辆纵向速度大小，单位Km/h，横坐标为时间，单位s；

图16.为本发明所述的实例2的驾驶员施加给车辆的驱动转矩曲线图，其中纵坐标为驱动转矩大小，单位Nm，横坐标为时间，单位s；

图17.为本发明所述的实例2的驾驶员施加给车辆的制动扭矩曲线图，其中纵坐标为制动扭矩大小，单位Nm，横坐标为时间，单位s；

图18.为本发明所述的实例2的电机转速曲线图，其中纵坐标为电机转速大小，单位rev/min，横坐标为时间，单位s；

图19.为本发明所述的实例2的电池电流曲线图，其中纵坐标为电池电流大小，单位A，横坐标为时间，单位s。

具体实施方式

本发明搭建了整体仿真模型的结构，驾驶员模拟单元、车辆信号测量及控制单元、四轮驱动系统单元、电动汽车底盘单元、车辆运行环境设置单元和电池单元；

a、驾驶员模拟单元：由J01转向角设置模块、J02理想车速设置模块、J03转矩计算环节、J04转矩命令限幅模块、J05制动扭矩计算环节和J06制动转矩限幅模块构成；“Ja”检测当前车辆实际车速输入接口接车辆信号检测及控制单元接口“Eg”，“Jb”方向盘转角输出端口接车辆信号检测及控制单元接口“Ed”，“Jc”车辆驱动转矩输出端口接车辆信号检测及控制单元接口“Ee”，“Jd”是制动器控制信号输出端口接底盘单元接口“Cf”；

b、车辆信号测量及控制单元：由E01-E10组成；接口“Ea”、E01到E06依次连接，E01是位移传感器，E02是速度传感器，E03是角度传感器，E04是角速度传感器，E05是加速度传感器，E06是大地坐标系和车身坐标系之间的转换关系模块，E7是轮胎特性模块，E08是轮胎力传感器，E09是轮胎模型状态传感器，E10是AMESim软件和Simulink/Matlab软件联合仿真接口模块；“Ea”车辆状态输入接口接底盘单元接口“Ck”，“Eb”地面信息输入接口接环境设置单元接口“Hb”“Hc”“Hd”“He”，“Ec”轮胎同车轮模块连接口接接底盘单元接口“Cg”“Ch”“Ci”“Cj”，“Ed”驾驶员转向信号输入接口接驾驶员模拟单元接口“Jb”，“Ee”车辆驱动转矩输入接口接驾驶员模拟单元接口“Jc”，“Ef”控制器计算的电机转矩命令和前轮转向命令输出端口接底盘单元接口“Ca”和四轮驱动系统单元接口“Sa”,“Eg”车辆纵向速度输出接口接驾驶员模拟单元接口“Ja”，“Eg”电池状态输入接口接电池单元接口“Ba”“Bb”“Bc”；

c、四轮驱动系统模型： 由四组相同的驱动部分组成，分别驱动左前轮A、右前轮B、左后轮A和右后轮B；每个轮驱动结构是S01轮毂电机、S02转轴阻尼器、S03转轴转动惯量、S04转轴弹簧减震器构成；“Sa”表示电机的转矩驱动命令，接“Ef”，“Sb”表示电机的转矩输出接口，接“Cb”，“Sc”表示电机的外部电源接口，接“Bd”；

其中轮毂电机封装模块由D01电机控制器、D02三相逆变器、D03三相电流传感器、D04永磁同步电机本体、D05外部电源电压传感器和D06转速传感器组成，“Da”转矩命令信号接口接“Sa”，“Db”电机机械转矩输出口接S02模块，“Dc” 外部电源接口接电池单元接口“Bd”；

d、电动汽车底盘单元：由C01车身模块、C02机械转向模块、C03制动器组、C04独立悬架组、C05车轮模块和C06车轮弹性模块组成，“Ca”控制单元计算的转向角信号输入接口接信号测试与控制单元接口“Ef”，“Cb”“Cc”“Cd”“Ce”四轮驱动单元对车轮的四组驱动力矩输入接口接四轮驱动系统单元接口“Sb”，分别针对左前、右前、左后、右后车轮，“Cf”控制单元计算的制动片组命令输入接口接驾驶员模拟单元接口“Jd”，“Cg”“Ch”“Ci”“Cj”轮胎力输入接口接信号测试与控制单元接口“Ec”，分别针对左前、右前、左后、右后车轮，“Ck”为测量单元从车身测得数据的输出端口接接信号测试与控制单元接口“Ea”,“Cl”为风阻输入模块接环境设置单元接口“Ha”；

e、车辆运行环境设置单元：由H01风速设置模块、H02风阻产生模块、H03轮胎地面附着系数设置模块、H04路面坡度设置模块、H05轮胎表面湿滑情况产生模块和H06轮胎地面连接模块组成，“Ha”风阻输入端口接底盘单元接口“Cl”，“Hb”“Hc”“Hd”“He”为同轮胎模型连接的接口接信号测量与控制单元接口“Eb”，分别设置左前、右前、左后、右后四个轮胎的接地；

f、电池单元：由B01电池模型、B02输出电压传感器、B03输出电流传感器和B04电池温度传感器组成，“Ba”测试电压值输出接口，“Bb”测量温度值输出接口，“Bc”测量电流值输出接口接信号测量与控制单元接口“Eg”,“Bd”电源输出接口接四轮驱动系统电源接口“Sc”。

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明不同于其他发明的电动汽车建模方法，主要解决电动汽车控制算法验证问题，为控制算法有效性提供验证平台，基于汽车厂商广泛使用的商用软件AMESim环境，采用模块化建模思想，设计了一种采用轮毂电机的四轮驱动电动汽车仿真建模方法。

本发明涉及的四轮驱动电动汽车采用轮毂电机驱动方式，单个电机驱动单个车轮，使得电机同车轮直接相连，将传统的动力控制变为电气连接，省去了传统汽车中离合器、变速箱、传动杆差速器等传动机构，简化了整车底盘结构。参阅图1，依据四轮驱动电动汽车驱动结构特点，搭建了整体仿真模型的结构，包括驾驶员模拟单元、车辆信号测量及控制单元、四轮驱动系统单元、电动汽车底盘单元、车辆运行环境设置单元和电池单元，共6个部分。模型工作时，首先，驾驶员模拟单元实时监控车辆信号测量及控制单元传输的车辆运行状态09（车速信息），产生驾驶员动作命令01（油门加速信号、制动踏板信号、方向盘转向角信号）提供给车辆信号测量及控制单元。然后，车辆信号测量控制单元根据驾驶员的命令将02（四组电机控制信号）和03（线控前轮转角信号、制动信号）分别输入四轮驱动系统单元和电动汽车底盘单元。四轮驱动系统单元为电动汽车底盘单元提供04（四组车轮驱动转矩），驱动电动汽车运行。最后，电动汽车底盘单元运行过程中，车辆信号测量及控制单元通过传感器测量得到车辆状态信息05（纵向车速、纵向线加速度、侧向线加速度、横摆角速度、侧倾角速度、轮胎滑移率、车轮转速等）。作为辅助部分，车辆运行环境单元模拟道路环境，设定环境信息08（风速、车轮在道路上的附着率、坡度）输入到电动汽车底盘单元中。电池单元主要为四轮驱动系统单元提供能量06（电压、电流），并回收电机制动时产生的回馈能量07（电压、电流）。

本发明涉及的软件为AMESim，这是比利时LMS公司旗下的一款多学科领域复杂系统建模仿真平台软件，英文全称Advanced Modeling Environment for performingSimulation of engineering systems。用户可以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可以在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。采用最小单元模块搭建工程系统的方式，使得用户可以在模型中描述所有系统和零部件的功能，而不需要书写任何程序代码，现已广泛应用于车辆研究领域中。下面针对模型的6个部分进行详细说明。

(1) 驾驶员模拟单元

根据车辆行驶路径计算得到驾驶员转向动作命令，并根据理想车速和实际测量的车速差值计算得到施加的车辆驱动转矩命令，由此搭建驾驶员模拟单元。参阅图2，该单元主要由J01转向角设置模块、J02理想车速设置模块、J03转矩计算环节、J04转矩命令限幅模块、J05制动扭矩计算环节和J06制动转矩限幅模块共6个部分组成。图中箭头表示系统的输入输出接口，接口包括“Ja”检测当前车辆实际车速输入接口接车辆信号检测及控制单元接口“Eg”，“Jb”方向盘转角输出端口接车辆信号检测及控制单元接口“Ed”，“Jc”车辆驱动转矩输出端口接车辆信号检测及控制单元接口“Ee”，“Jd”是制动器控制信号输出端口接底盘单元接口“Cf”。J01主要根据期望车辆行驶路径设置方向盘转向角变化形式，具体形式由路径决定，参见实例1，通过“Jb”口输出到控制单元，决定着车辆的运动方向。J02设置车辆理想的运行车速，同“JA”接口检测的当前车速做差。J03转矩计算环节是通过比例系数，由速度差直接计算得到施加的车辆驱动转矩命令，放大系数为，计算公式为

， (1)

式中，表示车辆驱动转矩，单位Nm，表示表示期望车速，单位m/s, 表示实测车速，单位m/s。然后再经由限幅模块J04，由“Jc”端口输出给入控制单元，其中转矩限幅1000Nm。J05制动扭矩计算环节也是通过比例系数，由速度差直接计算得到施加到制动器的制动扭矩命令，放大系数为100，计算公式为

, (2)

式中，表示制动扭矩，单位Nm，表示期望车速，单位m/s, 表示实测车速，单位m/s。然后再经由限幅模块J06，由“Jd”端口输出给入电动汽车底盘单元的制动器，其中制动扭矩限制在0.1Nm到90Nm范围内。该单元模拟了车速保持情况下，驾驶员转向命令、制动命令和加速命令的产生方式。

(2) 车辆信号测量及控制单元

电动汽车安装了许多传感器，测量车辆运动信息，使得驾驶员和车辆内部控制器随时监控车辆运行状态。根据实际车辆安装传感器情况，本发明搭建车辆信号测量单元，测量电动汽车控制算法研究过程中主要需求的状态信息，包括速度、加速度、姿态、角速度、车轮转速和滑移率等信息，同时需要为不同软件间信息交互创建接口，为后续控制算法验证做准备，由此搭建控制单元。参阅图3，车辆信号测量及控制单元由E01-E10共10个部分组成。图中箭头表示系统的输入输出接口，接口包括“Ea”车辆状态输入接口接底盘单元接口“Ck”，“Eb”地面信息输入接口接环境设置单元接口“Hb”“Hc”“Hd”“He”，“Ec”轮胎同车轮模块连接口接接底盘单元接口“Cg”“Ch”“Ci”“Cj”，“Ed”驾驶员转向信号输入接口接驾驶员模拟单元接口“Jb”，“Ee”车辆驱动转矩输入接口接驾驶员模拟单元接口“Jc”，“Ef”控制器计算的电机转矩命令和前轮转向命令输出端口接底盘单元接口“Ca”和四轮驱动系统单元接口“Sa”,“Eg”车辆纵向速度输出接口接驾驶员模拟单元接口“Ja”，“Eg”电池状态输入接口接电池单元接口“Ba”“Bb”“Bc”。接口“Ea”、E01到E06，7个模块依次连接。E01是位移传感器，可测量得到大地坐标系下车辆的x、y、z三轴方向的位移信息。E02是速度传感器，可测量得到车辆自身坐标系下车辆x、y、z三轴方向的线速度信息。E03是角度传感器，可测量得到车辆坐标系下车辆绕x、y、z三轴方向的姿态信息，包括侧倾、俯仰、横摆角度。E04是角速度传感器（虚拟陀螺仪），可测量得到车辆坐标系下车辆绕x、y、z三轴方向的角速度信息，包括侧倾、俯仰、横摆三个角速度。E05是加速度传感器，可测量得到车辆自身坐标系下车辆x、y、z三轴方向的加速度信息。E06是大地坐标系和车身坐标系之间的转换关系模块。E7是轮胎特性模块，可反映轮胎同地面接触情况下轮胎受到的轮胎坐标系下纵向力、侧向力和回正力矩，内部使用的是荷兰代尔夫特理工大学Pacejka教授提出的轮胎魔术公式，计算方法为

，(3)

, (4)

, (5)

式中，表示轮胎纵向力，单位N，表示轮胎侧向力，单位N，表示轮胎回正力矩，单位Nm，表示轮胎纵向滑移率，单位无，表示轮胎侧偏角，单位弧度rad， 表示公式系数，具体形式和数值请参见Pacejka的著作《tyre andvehicle dynamics》。E08是轮胎力传感器，可测得轮胎纵向力和侧向力。E09是轮胎模型状态传感器，可测的轮胎侧偏角、纵向滑移率、侧向滑移率和外倾角。E10是AMESim软件和Simulink/Matlab软件联合仿真接口模块，接收来自 “Ed”“Ee”接口的驾驶员操作信号，以及来自E01到E09传感器的测量信号，使得AMESim搭建的仿真模型通过Simulink中搭建控制器通信连接，实现软件间数据交互，从而验证控制算法。

(3) 四轮驱动系统模型

依据四轮驱动电动汽车的驱动方式，即电机直接驱动车轮，不通过离合器、变速箱、差速器等传动机械机构传输驱动转矩，搭建四轮驱动系统模型，并反映驱动轴输出端的阻尼、弹性和转动特性。参阅图4，模型由四组相同的驱动部分组成，分别驱动左前轮A、右前轮B、左后轮A和右后轮B。以曲线框圈定的左前轮A的驱动结构为例，包括S01轮毂电机、S02转轴阻尼器、S03转轴转动惯量和S04转轴弹簧减震器4个器件。S01是封装好的轮毂电机模型，具体结构参阅图5。S02转轴阻尼器反映电机输出轴转动过程中所受到的阻尼特性，可防止电机出现高速低转矩情况。S03转轴转动惯量反映电机绕输出轴转动过程中惯性特性。S04用于反映电机输出轴的扭转弹性和震动特性，计算公式为

, (6)

, (7)

式中，表示电机输出轴转矩，单位Nm，表示输出轴扭转刚度，，单位Nm/degree，表示输出轴转动角度，单位度degree，表示阻尼系数，，单位Nms/degree, 表示输出轴转动惯量，单位，表示电机励磁转矩，单位Nm，表示电机输出转速，单位。图中箭头表示系统的输入输出接口。“Sa”表示电机的转矩驱动命令，这是电机的控制信号接口，接收控制模块的输出命令，接“Ef”。“Sb”表示电机的转矩输出接口，连接着电动汽车底盘系统单元，接“Cb”。S01按照控制命令运转产生的电机转矩，经过S02、S03、S04的连接，完整的体现输出轴的阻尼、弹性、转动特性，最后输出给车身，驱动车轮运转。“Sc”表示电机的外部电源接口，接收来自电池的电压和电流信号，接“Bd”。

本发明的轮毂电机选配的永磁同步电机，这是现大多数汽车厂商实际选用的电机类型。针对永磁同步电机，采用矢量控制方案，实现电机输出转矩对来自整车控制器计算的的目标转矩的跟踪控制，由此搭建的电机控制系统模型，参阅图5，这是图4中轮毂电机封装模块的内部模型结构。该模型由D01电机控制器、D02三相逆变器、D03三相电流传感器、D04永磁同步电机本体、D05外部电源电压传感器和D06转速传感器共6个部分组成。图中箭头表示系统的输入输出接口，包括“Da”转矩命令信号接口接“Sa”，“Db”电机机械转矩输出口接S02模块，“Dc” 外部电源接口接电池单元接口“Bd”，接收来自电池的电压和电流信号。D01依据目标转矩命令，接收D03检测的三相电流值和D06检测的电机转速，通过双比例积分（简称PI）控制方法，计算得到矢量电压，

, (8)

, (9)

式中和均表示矢量电压，单位V，和均表示实测矢量电流，单位A，和表示期望矢量电流值，单位A，其中，，表示转矩命令，表示电机的转矩和电流比例关系，与电机本体参数相关。然后由坐标转化为D02三相逆变器的开关电压，操纵逆变器内部晶闸管通断，使得外部直流电源转换成正弦波形式的三相交流电，传递给D04永磁同步电机本体，驱动电机运转。D05电压传感器测量外部直流电源电压，传递给D01控制器，实时监测电源情况，保护电机安全运行。

(4) 电动汽车底盘单元

依据四轮驱动电动汽车机械结构构成，底盘单元除去驱动系统，主要由车身、转向、刹车、悬架和车轮共5个部分组成，其中车身将车体架子和乘客看做一个整体，质心位置与车体的中心位置重合。由此搭建的电动汽车底盘单元，参阅图6，由C01车身模块、C02机械转向模块、C03制动器组、C04独立悬架组、C05车轮模块和C06车轮弹性模块共6个部分组成。图中箭头表示系统的输入输出接口，接口包括“Ca”控制单元计算的转向角信号输入接口接信号测试与控制单元接口“Ef”，“Cb”“Cc”“Cd”“Ce”四轮驱动单元对车轮的四组驱动力矩输入接口接四轮驱动系统单元接口“Sb”，分别针对左前、右前、左后、右后车轮，“Cf”控制单元计算的制动片组命令输入接口接驾驶员模拟单元接口“Jd”，“Cg”“Ch”“Ci”“Cj”轮胎力输入接口接信号测试与控制单元接口“Ec”，分别针对左前、右前、左后、右后车轮，“Ck”为测量单元从车身测得数据的输出端口接接信号测试与控制单元接口“Ea”,“Cl”为风阻输入模块接环境设置单元接口“Ha”。C01车身模块可充分体现车辆运行时，外部作用力和力矩作用下车体十五个自由度的运动变化，包括车身纵向、侧向、垂向、侧倾、俯仰、横摆、四个车轮处的垂向、四个车轮的旋转，以及前轮转向角。C02机械转向模块将方向盘转向角信号通过机械连杆转换为扭转车辆前轮偏转的力，使得车辆改变运行方向，计算公式为

, (10)

式中，表示扭转车辆前轮偏转的力，单位N，表示转轴扭转刚度，，单位Nm/degree，表示转轴转动角度即方向盘转角，单位度degree，表示阻尼系数，，单位Nms/degree, 表示方向盘转速，单位，表示转轴半径，单位m。C03依据控制单元传输的命令，使得制动器机械工作，车轮减速，实现制动，保持车辆安全。C04独立悬架组，有四组悬架组成，使得车辆在单个车轮的垂向运动方面自如松弛有度，保持车辆良好的舒适度。C05车轮模块，反映在电机提供的驱动力矩、地面提供的回转力矩和车体垂向载荷作用下车轮的旋转特性，进而影响整体车辆的运动特性。C06车轮弹性模块表征车辆运行时车轮同车体连接端的弹性变化状态。这些模块机理过于复杂，所以均采用AMESim软件成型模块组合而成的。

(5) 车辆运行环境设置单元

车辆在运行过程中主要受风速、路面坡度、路面光滑程度的影响，为了全面分析不同环境下的车辆行驶状态，需要设置路况信息，由此搭建车辆运行环境单元。参阅图7，该单元由H01风速设置模块、H02风阻产生模块、H03轮胎地面附着系数设置模块、H04路面坡度设置模块、H05轮胎表面湿滑情况产生模块和H06轮胎地面连接模块共6个部分组成。图中箭头表示系统的输入输出接口，接口包括“Ha”风阻输入端口接底盘单元接口“Cl”，“Hb”“Hc”“Hd”“He”为同轮胎模型连接的接口接信号测量与控制单元接口“Eb”，可以分别设置左前、右前、左后、右后四个轮胎的接地情况。H01风速设置模块可以设置车辆在x、y、z三个方向自然风的绝度风速大小，传输给H02，该模块根据自然风速和车辆自身速度，根据公式

(11)

计算得到风阻大小。式中表示空气密度，通常为，S为迎风面积，单位，表示风阻系数，V表示自然风相对车辆的风速大小，单位。H04设置路面坡度，0到100%变化范围。H03设置轮胎和地面接触面的附着系数，在0到1变化范围，根据车辆行业规定，其中0.6到1表示干燥路面，0.4到0.5为湿滑路面，更小为冰雪路面。该单元是作为一个辅助部分，为电动汽车测试提供一个多工况运行环境。

(6) 电池单元

电动汽车同传统汽车相比，直接采用电能，储能性能更好的电池作为能源的载体可以充分保障车辆的长期安全运行。为了验证研究的电池管理算法的功能，本发明搭建了基于等效电路原理的电池单元。参阅图8，电池单元由B01电池模型、B02输出电压传感器、B03输出电流传感器和B04电池温度传感器共4个部分组成。图中箭头表示系统的输入输出接口，接口包括“Ba”测试电压值输出接口，“Bb”测量温度值输出接口，“Bc”测量电流值输出接口接信号测量与控制单元接口“Eg”,“Bd”电源输出接口接四轮驱动系统电源接口“Sc”。基于电池等效电路原理搭建B01电池模型，计算公式为

， (12)

式中表示电池输出电压，单位V， 表示电池输出电流，单位A，表示电池电压，单位V，表示电池内阻，单位。B02和B03实时测量电池输出两端电压和电流值，B04测量电池的温度，为电池管理控制算法的研究提供监测平台。。

为了检验本发明的基于AMESim的四轮驱动电动汽车仿真建模方法的性能，依据所述的建模方法搭建AMESim模型，进行仿真实验。下面给出两组实验实例，从不同角度验证本发明所述的建模方法。

实施例1：

本实例从车辆转向角度验证本发明建模方法的正确性和完整性。

参数设置：依据国际标准工况ISO3888-1进行车辆转向性能测试，保持车速80km/h，地面附着系数设置为0.8模拟城市干燥的沥青路面，同时车辆前行200m后爬15%缓坡，风速为3m/s，仿真时间15s，仿真步长0.01s。

仿真实验结果参阅图9至图14。图9为车辆行驶轨迹，图中黑点为所设置的障碍物，驾驶员操作方向盘使车辆能够避开障碍物，安全运行，方向盘转角设置曲线参阅图10，设置方法为起步阶段方向盘转角为0度，车辆直线通过第一个通道，当车辆前行75m时，为使车辆越过障碍物进入左侧第二个通道，调节方向盘向左，其中方向盘左为正方向，开始左转，逐渐加大方向盘转角，当车辆运动到85m处时，达到最大转向角52度，反向调节方向盘转角，调整车头方向，准备进入左侧通道，当车辆运动到100m处时，达到最大负向转向角-52度，开始回正方向盘至0度，摆正车头进入通道，进行直线运动，进入第三处通道方向盘转角设置方法同前一阶段方向相反。车辆主要状态参阅11和12所示质心侧偏角和横摆角速度依据转向角的变化而变化，在附着系数0.8的路面下，最大质心侧偏角幅值为1.1度，最大横摆角速度幅值为13度/s，车辆处于稳定状态。参阅图13，车辆在驾驶员操纵下，在转弯过程中车速会有略微下降，下降最大幅值为0.06Km/h，基本维持在80Km/h。参阅图15，车辆在前行200m后，爬上15%的坡面，继续直线运行，同时参阅图14，对应的时间阶段，车速下降0.15Km/h，变化不大，在上坡瞬间车速存在波动，这是车轮接触起坡点时发生弹性形变造成的，上坡后仍能保持较高车速前进。从车辆转向角度分析，以上仿真结果的变化趋势和幅度同真实车辆实际运行情况相符，说明该建模方法能够正确反映四轮驱动电动汽车转向特性。

实施例2：

本实例从车辆直线加速减速角度验证本发明建模方法的正确性和完整性。

参数设置：依据新欧洲行驶工况（英文全称New European Driving Cycle，简称NEDC）进行车辆加速减速性能测试，车辆直线行驶方向盘转角始终保持为0，目标车速依据测试工况进行设置，地面附着系数设置为0.8模拟城市干燥的沥青路面，坡度为0，风速为0，仿真时间1200s，仿真步长0.05s。

仿真实验结果参阅图15至图19。参阅图15，车辆纵向速度跟踪情况，点划线表示目标车速，实线表示实际车速，该NEDC工况模拟城市驾驶环境车辆频繁的启停、加速减速的情况，由曲线可以看出，实线与点划线重合，实际车速完全跟踪上目标车速，可说明模型中电动车在驾驶员的操作下加速减速运行流畅。参阅图16，这是驾驶员在运行过程中需要加速车辆时施加给电机的驱动转矩，可以看出并不连续，这模拟了车辆驾驶时加速踏板操作情况。参阅图17，这是驾驶员在运行过程中需要减速车辆时施加给制动器的制动扭矩，与图15减速阶段对应。参阅图18，在车辆加速减速不断变化过程中，电机转速变化频繁，并且与车速的变化趋势相同，最大转速为1100rev/min。参阅图19，电池输出电流曲线随车速变化而变化，为电机不同转速提供相应能量。从车辆加速性能角度分析，以上仿真结果的变化趋势和幅度同真实车辆实际运行情况相符，说明该建模方法能够正确反映四轮驱动电动汽车加速减速运行特性。

本发明所述的基于AMESim的四轮驱动电动汽车仿真建模方法达到了本发明的设计目标，能够真实的反映四轮驱动电动汽车运行时的转向和加速减速特性，可以为电动汽车控制算法的研究提供一个有效的验证平台。

Claims (1)

1.一种基于AMESim的四轮驱动电动汽车仿真建模方法，其特征在于：搭建了整体仿真模型的结构，该仿真模型的结构包括：驾驶员模拟单元、车辆信号测量及控制单元、四轮驱动系统单元、电动汽车底盘单元、车辆运行环境设置单元和电池单元；

a、驾驶员模拟单元：由J01转向角设置模块、J02理想车速设置模块、J03转矩计算环节、J04转矩命令限幅模块、J05制动扭矩计算环节和J06制动转矩限幅模块构成；驾驶员模拟单元接口“Ja”是检测当前车辆实际车速输入接口，并且驾驶员模拟单元接口“Ja”接车辆信号测量及控制单元接口“Eg”，驾驶员模拟单元接口“Jb”是方向盘转角输出端口，并且驾驶员模拟单元接口“Jb”接车辆信号测量及控制单元接口“Ed”，驾驶员模拟单元接口“Jc”是车辆驱动转矩输出端口，并且驾驶员模拟单元接口“Jc”接车辆信号测量及控制单元接口“Ee”，驾驶员模拟单元接口“Jd”是制动器控制信号输出端口，并且驾驶员模拟单元接口“Jd”接底盘单元接口“Cf”；

b、车辆信号测量及控制单元：由E01-E10组成；车辆信号测量及控制单元接口“Ea”分别与E01到E06依次连接，E01是位移传感器，E02是速度传感器，E03是角度传感器，E04是角速度传感器，E05是加速度传感器，E06是大地坐标系和车身坐标系之间的转换关系模块，E07是轮胎特性模块，E08是轮胎力传感器，E09是轮胎模型状态传感器，E10是AMESim软件和Simulink/Matlab软件联合仿真接口模块；车辆信号测量及控制单元接口“Ea”是车辆状态输入接口，并且车辆信号测量及控制单元接口“Ea”接底盘单元接口“Ck”，车辆信号测量及控制单元接口“Eb”是地面信息输入接口，并且车辆信号测量及控制单元接口“Eb”接环境设置单元接口“Hb”、“Hc”、“Hd”、“He”，车辆信号测量及控制单元接口“Ec”是轮胎同车轮模块连接口，并且车辆信号测量及控制单元接口“Ec”接底盘单元接口“Cg”、“Ch”、“Ci”、“Cj”，车辆信号测量及控制单元接口“Ed”是驾驶员转向信号输入接口，并且车辆信号测量及控制单元接口“Ed”接驾驶员模拟单元接口“Jb”，车辆信号测量及控制单元接口“Ee”是车辆驱动转矩输入接口，并且车辆信号测量及控制单元接口“Ee”接驾驶员模拟单元接口“Jc”，车辆信号测量及控制单元接口“Ef”是控制器计算的电机转矩命令和前轮转向命令输出端口，并且车辆信号测量及控制单元接口“Ef”接底盘单元接口“Ca”和四轮驱动系统单元接口“Sa”,车辆信号测量及控制单元接口“Eg”是车辆纵向速度输出接口，并且车辆信号测量及控制单元接口“Eg”接驾驶员模拟单元接口“Ja”，同时车辆信号测量及控制单元接口“Eg”连接电池单元的电池状态输出接口 “Ba”、“Bb”、“Bc”；

c、四轮驱动系统单元： 由四组相同的驱动部分组成，分别驱动左前轮A、右前轮B、左后轮A和右后轮B；每个轮驱动结构是S01轮毂电机、S02转轴阻尼器、S03转轴转动惯量、S04转轴弹簧减震器构成；四轮驱动系统单元接口“Sa”是电机的转矩驱动命令信号，并且四轮驱动系统单元接口“Sa”接车辆信号测量及控制单元接口“Ef”，四轮驱动系统单元接口“Sb”是电机的转矩输出接口，并且四轮驱动系统单元接口“Sb”接四组驱动力矩输入接口“Cb”、“Cc”、“Cd”、“Ce”，四轮驱动系统电源接口“Sc”是电机的外部电源接口，并且四轮驱动系统电源接口“Sc”接电池单元接口“Bd”；

其中轮毂电机封装模块由D01电机控制器、D02三相逆变器、D03三相电流传感器、D04永磁同步电机本体、D05外部电源电压传感器和D06转速传感器组成，转矩命令信号接口“Da”接四轮驱动系统单元接口“Sa”，电机机械转矩输出口“Db”接转轴阻尼器S02， 外部电源接口“Dc”接电池单元接口“Bd”；

d、电动汽车底盘单元：由C01车身模块、C02机械转向模块、C03制动器组、C04独立悬架组、C05车轮模块和C06车轮弹性模块组成，底盘单元接口“Ca”是控制单元计算的转向角信号输入接口，并且底盘单元接口“Ca”接车辆信号测量及控制单元接口“Ef”，四轮驱动单元对车轮的四组驱动力矩输入接口“Cb”、“Cc”、“Cd”、“Ce”接四轮驱动系统单元接口“Sb”，分别针对左前、右前、左后、右后车轮，底盘单元接口“Cf”是控制单元计算的制动片组命令输入接口，并且底盘单元接口“Cf”接驾驶员模拟单元接口“Jd”，底盘单元接口“Cg”、“Ch”、“Ci”、“Cj”是轮胎力输入接口，并且底盘单元接口“Cg”、“Ch”、“Ci”、“Cj”接车辆信号测量及控制单元接口“Ec”，分别针对左前、右前、左后、右后车轮，底盘单元接口“Ck”是测量单元从车身测得数据的输出端口，并且底盘单元接口“Ck”接车辆信号测量及控制单元接口“Ea”,底盘单元接口“Cl”是风阻输入端口，并且底盘单元接口“Cl”接环境设置单元接口“Ha”；

e、车辆运行环境设置单元：由H01风速设置模块、H02风阻产生模块、H03轮胎地面附着系数设置模块、H04路面坡度设置模块、H05轮胎表面湿滑情况产生模块和H06轮胎地面连接模块组成，环境设置单元接口“Ha”是风阻输入端口，并且环境设置单元接口“Ha”接底盘单元接口“Cl”，环境设置单元接口“Hb”、“Hc”、“Hd”、“He”为同轮胎模型连接的接口，并且环境设置单元接口“Hb”、“Hc”、“Hd”、“He”接车辆信号测量及控制单元接口“Eb”，分别设置左前、右前、左后、右后四个轮胎的接地；

f、电池单元：由B01电池模型、B02输出电压传感器、B03输出电流传感器和B04电池温度传感器组成，电池单元接口“Ba”是测试电压值输出接口，电池单元接口“Bb”是测量温度值输出接口，电池单元接口“Bc”是测量电流值输出接口，并且电池单元接口“Bc”接车辆信号测量及控制单元接口“Eg”, 电池单元接口“Bd”是电源输出接口，并且电池单元接口“Bd”接四轮驱动系统电源接口“Sc”。