System Simulation Technology & Application (Volume 13)

Design and Realization on Simulation System for Pure

Electric Vehicle

Haixia QIAO, Zhen HE, Zhiyuan LIU

Department of Control Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, China

Email: haixiaqiao1987@http://

Abstract: Based on analysis of the pure electric vehicle electrical construction, this paper discusses one si-mulation architecture and realization which could meet the requirements of digital simulation and hardware in the loop simulation. This simulation system with higher simulation precision provides simulation environment for development and performance evaluation of drive strategy. This paper describes the compositions of simu-lation system. On this basis, the simulation system is established by application high precision vehicle dy-namics model, battery experimental model, motor model, the actual sensors and actuators and real-time simu-lation system dSPACE. This realization could improve accuracy simulation of dynamic characteristics and make the simulation environment consistent with the actual vehicles. Then riding conditions of simulation system for vehicle control is simulated by starting, accelerating, and braking operations. By comparing the simulation data with the experiment data, the results show that the models built in this paper is validated. Keywords: Pure electric vehicle; Vehicle Control; Hardware in the loop simulation

纯电动汽车整车控制仿真系统的设计与实现

乔海霞，何朕，刘志远

哈尔滨工业大学控制科学与工程系，哈尔滨，中国，150001

Email: haixiaqiao1987@http://

摘 要：通过对纯电动汽车电气结构的分析，本文讨论了一种具有较高仿真精度的电动汽车仿真系统的结构和实现方法，满足数字仿真和硬件在回路的仿真要求，为电动汽车整车驱动策略的开发和性能评估提供了仿真环境。本文对仿真系统的构成进行了描述。在此基础上，给出了一种基于高精度车辆动力学模型、电池实验模型和电机模型、实际传感器和执行机构以及实时仿真系统dSPACE构成的仿真系统的实现方法，提高了电动汽车动态特性的仿真精度，且使仿真环境和信号特征与实际车辆一致。本文对起车、加速、再生制动等行驶工况进行了仿真，并与实验结果进行了对比分析。结果表明，本文给出的仿真系统对于整车控制器的开发和评估是有效的。 关键词：纯电动汽车；整车控制；硬件在回路仿真

1 引言

内燃机汽车产量和保有量增加带来的环境污染和石油危机等问题促进了新能源汽车的开发。其中纯电动汽车由于污染小，噪音小，结构、控制和维护简单等优点，成为新能源汽车中重点发展的车型。电动汽车改变了传统燃油汽车动力驱动方式，促进了以电池技术、电机技术和整车控制技术为核心的动力驱动系统的重大技术变革，使得动力驱动和整车控制成为重要的技术竞争领域。

作者简介：乔海霞(1987-),女,山西太原,硕士研究生,主要研究汽车电子控制方向

纯电动汽车电子/电气架构与传统燃油汽车不同。各种工况的仿真验证与传统燃油汽车相比产生了较大变化。因而作为整车和各控制单元开发过程中性能与功能验证的仿真系统不能沿用传统燃油汽车已有的成果，面临诸多新的问题。主要表现为动力传动系统以及新型电子/电气部件的仿真模型及仿真方法尚未得到很好解决。文献[1]以Advisor仿真软件为依托，开发了复合电源混合动力汽车仿真软件，而由于Advisor中的大部分模型是建立在稳态模型和经验数据基础上，在应用过程中会受到限制，不能对车辆及其部件的动态工作过程进行仿真，并且该文献只能进行纯数

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字仿真，缺乏实用性；文献[2]在Labview环境下建立了纯电动汽车的硬件在环仿真系统，根据动态平衡方程建立了车辆模型，其动力学模型更为简化，不能很好地反映出车辆的动态特性；文献[3]分析了国内外电动汽车仿真软件的系统功能，对其软件平台、开发工具、系统功能和仿真效果等方面进行了比较，使用Advisor仿真软件实现一款混合动力轿车的仿真。目前，尽管纯电动汽车已有很多仿真方法，但在准确性

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和实用性方面还存在大量亟待改进的问题。针对以上问题，本文给出了一种根据电动汽车实际电气结构和高精度车辆动力学模型开发的纯电动汽车仿真系统的结构和实现方法。本文描述的仿真系统为车辆驱动策略提供了评估依据，并在电动汽车整车控制单元开发中得到了成功应用。

2 电动汽车整车控制仿真系统结构设计

Figure 1. Simulation system structure of electric car

图1. 电动汽车仿真系统结构

电动汽车仿真系统用于车辆驱动策略评估、能量优化管理以及整车控制性能的分析。根据电动汽车特征和其电子/电气架构，设计的电动汽车仿真系统结构如图1所示。其中图1a)是按功能分解的模块结构，图1b)是仿真系统的组成方式。图1a)中车辆动力学模型、电池模型和电机模型用于仿真车辆动力驱动和行驶特性；传感器与执行机构用于仿真加速踏板、制动踏板、换挡手柄等操作部件以及冷却液温度、冷却水泵等传感器和执行机构的运行状况。图1b)中为满足硬件在回路[4]（Hardware-in-the-loop-Simulation，HILS）的仿真要求，在Matlab/Simulink中对动力电池、驱动电机、车辆以及冷却液温度、冷却水泵进行动力学建模，将动力学模型下载到实时仿真系统dSPACE中。通过dSPACE系统的D/A、IO和CAN接口电路以及信号调理电路将车辆状态信息转换成与实际系统类似的物

理量，并与整车驱动控制单元连接，实现硬件在回路的仿真。对于钥匙组件、档位手柄、车身电子电气等部件难以通过建模方式描述，采用实际部件以准确反映系统的实际状况。

电动汽车中整车控制单元、电机控制系统、电池管理系统等控制单元根据图2中的CAN总线网络进

行信息交互。为模拟实际车辆中各控制单元间CAN

总线之间的信息交互，根据总线报文定义，通过实际的物理节点来模拟整车中的CAN总线网络。

Figure 2. Network structure for CAN

图2. CAN网络结构

3 电动汽车整车控制仿真系统的实现

车辆动力学模型是仿真系统的重要组成部分，对仿真结果有重要的影响。本文设计的纯电动汽车仿真系统中的车辆动力学模型部分选择了德国TESIS公司的ve-DYNA动力学软件。ve-DYNA是在复杂建模概念上建立的非线性和参数化的车辆动力学模型，通过半隐式积分算法和优化的车辆模型[5]等能够保证仿真的数据稳定性和效率。ve-DYNA中的车辆模型主要由

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底盘（包括车身和车桥）、前后桥的运动学关系、转向系统、传动系统、发动机、变速器和轮胎模型组成。通过对ve-DYNA动力学软件的结构分析，可得如图3所示的软件结构，其中车辆动力学模块，路面模块，机动控制器模块及驾驶员模块为系统的核心模块，动力学模块又由动力传动系统模块、行驶系统模块、转向系统模块和液压系统模块组成[5]。

机理建模方法困难，故电池模型采用基于实验数据为主，理论建模为辅的建模方式。电池的电气模型采用内阻模型即将电池看成一个理想的电压源和一个电阻串联的等效电路[7]，如图5所示。

图5中的开路电压满足下式

E E0 K

Q0

Aexp( B Idt) (1)

Q0 Idt

式中：E0为电池恒压电压值(V)；K为分化电压(V)；Q0为电池初始容量 (Ah)；A为指数区振幅(V)；B为指数容量 (Ah-1)；E0、K、Q0、A、B的具体计算方法根据文献[5]和实际电池放电曲线图6得到。

Figure 3. Software structure of ve-DYNA

图3. ve-DYNA 软件结构

ve-DYNA是针对燃油发动机驱动的车辆动力学仿真软件，因而其传动系统模块由燃油发动机模块和变速箱模块组成，这与电动汽车的动力驱动方式不同。为此针对电动汽车仿真要求，对传动系统模块进行了开发，通过对ve-DYNA的结构分析，将开发出的动力传动系统模块取代了原有动力传动模块。开发出的动力传动系统模块由动力电池模块、电机模块和减速器模块组成，如图4所示。

Figure 6. Curve: discharge of one set batteriy

图6. 单组电池放电曲线

Figure 4. Model structure of power and transmission

system

图4. 开发出的动力传动系统模块结构

图4中的电机控制系统在整车控制仿真中主要关心电机的输入输出特性。因此在建立电机模型时只考虑其输入输出量之间的关系，并且将电机控制器和电机作为一个整体进行建模。设电机模型的输入为期望力矩Trep，输出扭矩T。根据输入输出响应关系，电机系统可以近似简化为一阶惯性系统[8]。

G s

T(s)1

(2) Treq(s) s 1

其中， 为时间常数。由于多数电动汽车电机输出轴与固定减速比的减速器直接连接，故输出到驱动轴上的力矩Te与电机输出力矩T之间满足

Te R T (3)

Figure 5. The equivalent circuit of battery

图5. 电池等效电路

图4中的动力电池的充放电过程是一个受诸多因素影响的复杂的非线性的化学过程，热动力效应或量子效应的影响会导致不同载荷下电压变化率的变化，

\式中R为减速比。参考文献[8]将实验结果与(2)式计算结果进行了对比。根据对比结果，这种简化的模型描述是可行的。

电动车仿真系统中的传感器或执行机构仿真，主要采用实际的电子/电气部件。但对于冷却系统等难以构建实际环境的部件，采用建模方法解决。由于冷却液温度传感器具有非线性特性，通过机理建模比较困

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难，因此采用实验得到图7所示的实验曲线，并由此建立数据模型，通过查表方式来模拟真实的温度传感器信号。

Sensor voltage（V）

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功能。

Figure 9. The interface of monitor

图9. 监控界面

建立完成的整车仿真系统如图8所示。其中车辆动力学模型、电池模型、电机模型以及电子/电气部件模型在实时仿真系统dSPACE 1005中运行。dSPACE 1005输出整车控制器所需的各种物理信号以及模拟电机控制单元、电池管理系统发送CAN信息。整车控制器采集dSPACE 1005输出的物理信号及CAN总线信号，进行车辆控制。钥匙组件、换挡手柄等采用车辆实际使用的部件，以反映传感器或执行部件的真实状况。

仿真系统的功能与结果分析

开发出仿真系统可模拟驾驶员的操作，采集驾驶员操作信息以及监控整车的状态信息，可进行各种车辆行驶工况和故障状态的仿真，以检验整车控制的性能和故障处理能力。仿真系统具有的主要仿真功能为：

仿真系统具有车辆启动仿真功能，可模拟驾

驶员启动车辆操作以及车辆起车时的运行状态；

仿真系统可模型驾驶员的各种车辆操纵方式

以及车辆的纵向动力学性能、整车控制性能和各控制单元的协调状态；

仿真系统可模拟再生制动过程中能量回收过程，评价能量回收的性能和车辆制动状况；

Figure 8. Curve: The realreal object of vehicle simulation

platform

图8. 整车仿真平台实物

为监控仿真系统的运行状态，基于ControlDesk开发了仿真监控界面，如图9所示，操作界面覆盖了加速踏板、制动踏板操作功能以及通过dSPACE输出的传感器信号的设置功能。此外，操作界面还具有电机系统、空套系统、电池管理系统的状态设置与监测

为检验仿真系统功能和仿真结果，以一款实际车辆为为背景，进行了仿真系统的验证。仿真参数如表1所示。

电动汽车起车过程的仿真结果如图10所示。仿真过程中换挡手柄始终为D档，保持加速踏板开度为0%。图10中，在6s时刻松开制动踏板，电机输出力矩由0Nm迅速上120Nm，9s时刻车速上升到8km/h时，电机输出力矩又迅速回落；在仿真时间17s，踩下制动踏板，电机输出力矩将为0Nm，车速降为0km/h。由仿真结果可以看出，起车过程中，当松开制动踏板后，仿真系统能够模拟出整车控制单元控制电机的输出力矩使车辆迅速起动，并控制车辆的行驶速度；当制动踏板踩下时，电机输出力矩为0Nm，使车速迅速下降到0km/h。

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Accelerate pedal/(%)

Table 1. Simulation parameters

表1.仿真参数

车辆参数

取值

START

Time/(s)

Brake pedal/(%)

1/4车辆质量m 478 kg 空气阻力系数Cx 0.3 空气密度 1.05Ns2m 4 Torque/(Nm)

迎风面积A 1.81m 2

车轮半径r 0.312

m 滚动阻力系数fR

0.01

电动汽车加速过程的仿真结果如图11所示。仿真过程中保持换挡手柄为D档，在5s时，迅速使加速踏板的开度踩为80%，使电机输出扭矩增加，车速增

加。图11中，仿真时间约8s处，电机输出扭矩达到最大值160Nm，车速为60km/h，电机进入恒功率区，电机输出扭矩减小，车速增加；仿真时间16s时，松开加速踏板，电机力矩下降为0Nm，在18s时刻，车速依然较高，电机输出力矩为负，进入滑行制动状态。由仿真结果可以看出，加速过程中，迅速踩下踏板后，仿真系统能够模拟出整车控制单元控制电机的输出力矩使车辆增加，并控制电机的输出功率；松开加速踏板后，车速较高时，车辆进入滑行制动状态。

电动汽车制动加速以及再生制动能量过程的仿真结果如图13所示。仿真过程中换挡手柄始终为D档，并频繁踩松加速踏板和制动踏板。图12中，在4s时踩加速踏板到100%，

电机输出力矩迅速上升到峰值转矩后回落进入恒功率区；在14s时，踩制动踏板，电机输出力矩约在2s内迅速变为负值，

进入制动能量回收状态，车速迅速降为0km/h。由仿真结果可以看出，在高速制动时，仿真系统能够模拟车辆进入再生制动能量回收状态。

为检验仿真结果准确性，进行了仿真结果与实验结果的对比分析。对比分析方法是将实际车辆的驾驶员操作信号输入给整车仿真系统，仿真系统按此操作信息进行仿真，并将仿真结果与实际车辆测量的结果进行对比。加速踏板开度不断变化工况时实车数据与仿真数据对比曲线如图13所示。由图13可知，实验结果与仿真结果的电机输出力矩、车速变化规律基本相同，但存在数量上的差异。其主要原因是车辆动力学参数存在差异。如何进一步提高仿真精度是本文需要进一步开展的工作。

487Time/(s)

h)

km/(y/itcloVe

Time/(s)

Figure 10. Curve: system result of starting vehicle

experiment

图10. 起车仿真曲线

%

(ACCELERATE

/alede patercelcA

time/(s)

%)

(l/dapee akBrtime/(s)

m)

(Nue/rqTotime/(s)

h)

/km(y/it

ocVeltime/(s)

Figure 11. Curve: system result of accelerating vehicle

experiment

图11. 加速仿真曲线

(%

l/da peteralece

AcTime/(s)

)

(%/aled pakeBr

Time/(s)

)

(Nme/quTor

Time/(s)

h)

km/(y/itcloVeTime/(s)

Figure 12. Curve: system result of braking, accelerating and regenerating energy brake for recycling experiment 图12. 制动、加速以及再生制动能量回收仿真曲线

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Accelerate pedal/(%)

COMPARE

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P353-357(Ch).

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DAI Xi-huai YANG Lin GONG Yuan-ming ZHUO Bin. Devel-.PEV动力总成硬件在环(HIL)[M]，计算机仿真，2004，11(21) ，Time/(s)

[2]

Brake pedal/(%)

/(Nm)

erquToTime/(s)

)

hm/k(/yt[4]icoleVTime/(s)

Figure 13. Curve: comparing simulated data with actual

data

[5]图13. 实车数据与仿真数据对比曲线

4 结论

[6]本文实现的纯电动汽车整车控制仿真平台能够很好地模拟实际车辆的各种状态信息，在车辆起车、加速、制动过程中与实际车辆采集数据很好地拟合，达到了模拟整车动力学的目的，在整车控制器驱动策略[7]的开发和评估提供了很好的仿真平台。

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