作者：Alex，豪華車(chē)企高級(jí)工程師（知乎id：堅(jiān)果0904）

純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成匹配技術(shù)研究五部曲—

首篇 純電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

第二篇 動(dòng)力總成關(guān)鍵部件特性分析

第三篇 軟件在環(huán)仿真技術(shù)研究

純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，同樣是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要將動(dòng)力電池技術(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，汽車(chē)技術(shù)，現(xiàn)代控制理論相集成，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的控制過(guò)程。國(guó)家在電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展規(guī)劃中，繼續(xù)堅(jiān)持“三縱三橫”的研發(fā)布局，根據(jù)“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，進(jìn)一步突出“三橫”共性關(guān)鍵技術(shù)研究，即研究驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)、動(dòng)力總成控制系統(tǒng)。各大廠家依據(jù)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略制定各自的業(yè)務(wù)發(fā)展策略。

筆者在梳理新能源動(dòng)力總成開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，為動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)和測(cè)試生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和參考。計(jì)劃分為5個(gè)篇章來(lái)整純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成開(kāi)發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)，今天首先聊一下第三篇章 軟件在環(huán)仿真技術(shù)研究：

圖1 動(dòng)力總成開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

在電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)初期，軟件在環(huán)仿真技術(shù)可以在脫離臺(tái)架和整車(chē)試驗(yàn)的條件下，用軟件取代部分硬件，對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)的關(guān)鍵部件選型，控制策略開(kāi)發(fā)及整車(chē)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。模擬仿真技術(shù)得出的數(shù)據(jù)和結(jié)果可以為后續(xù)的臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車(chē)測(cè)試過(guò)程提供技術(shù)支持。軟件仿真技術(shù)可縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

圖2 動(dòng)力總成仿真系統(tǒng)在環(huán)仿真技術(shù)研究過(guò)程

1.1 軟件在環(huán)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

軟件在環(huán)仿真系統(tǒng)包含七大部分模塊，如圖3。

圖3 軟件在環(huán)仿真系統(tǒng)

1.1.1城市道路工況模塊

該模塊主要用于選擇不同城市道路行駛工況，讀入行駛工況車(chē)速的時(shí)間序列，并按照時(shí)間間隔依次輸出給車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)模塊。

1.1.2 車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)模塊

車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)模塊計(jì)算車(chē)輛實(shí)際行駛過(guò)程中車(chē)輛行駛阻力，該阻力由滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力及坡度阻力四部分組成。通過(guò)仿真界面可以對(duì)車(chē)輪半徑，整車(chē)質(zhì)量，迎風(fēng)面積及空氣阻力等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配。

1.1.3 整車(chē)控制器模塊

整車(chē)控制器模塊采集三方面的信息，電池組模塊的端電壓，電流信息，電機(jī)控制器模塊獲得驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速和扭矩信息，車(chē)輛行駛控制信息包括加速，減速，制動(dòng)信號(hào)。綜合判斷汽車(chē)處于的運(yùn)行模式，確定電機(jī)系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的輸出數(shù)值。

1.1.4 動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型模塊

該模塊要結(jié)合車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行關(guān)鍵部件初步選型。將初步電機(jī)系統(tǒng)與電池組進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)合道路工況模塊，分析車(chē)輛實(shí)際工作點(diǎn)的分布區(qū)間。優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，盡量將車(chē)輛實(shí)際工作點(diǎn)與電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)區(qū)域吻合。

1.1.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊

交流異步電機(jī)體積較小、成本低、響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬且成熟可靠，目前大部分純電動(dòng)汽車(chē)釆用了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。異步電機(jī)模塊包括定、轉(zhuǎn)子電磁子系統(tǒng)、氣隙磁鏈子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)、坐標(biāo)變換及中間量計(jì)算五個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)以上各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化匹配。

1.1.6 電機(jī)控制器模塊

在交流異步電機(jī)中，電壓、電流、磁通及電磁轉(zhuǎn)矩相互關(guān)聯(lián)，屬于強(qiáng)耦合狀態(tài)，其電磁轉(zhuǎn)矩正比于磁通和電流，而這兩個(gè)物理量是同時(shí)變化的。根據(jù)電機(jī)模塊輸出的轉(zhuǎn)矩和車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)模塊輸出的實(shí)時(shí)車(chē)速信息，電機(jī)系統(tǒng)效率和目標(biāo)功率推求模塊計(jì)算、輸出電機(jī)系統(tǒng)整體效率，同時(shí)向電池組模塊發(fā)送總線功率需求信息，車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)模塊根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)模塊發(fā)送的實(shí)際轉(zhuǎn)矩信息，再計(jì)算、輸出實(shí)時(shí)車(chē)速信息。

1.1.7 動(dòng)力電池組模塊

電池組模塊以電機(jī)的實(shí)際需求功率為輸入，以電池組充放電效率、電池組、電池組幵路電壓及實(shí)際工作時(shí)端電壓等信息為輸出。通常利用Simulink自定義函數(shù)，構(gòu)建電池組開(kāi)路電壓，充放電效率等參數(shù)的計(jì)算模型。

圖4 動(dòng)力總成軟件系統(tǒng)控制過(guò)程

2.動(dòng)力總成系統(tǒng)在環(huán)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證

動(dòng)力總成系統(tǒng)在環(huán)仿真驗(yàn)證通常包含動(dòng)力電池組充放電過(guò)程仿真，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作過(guò)程仿真，整車(chē)性能仿真。在充放電電流較低的情況下，仿真精度較高。純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)仿真模型，該模型由整車(chē)控制、駕駛工況、變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池組等模型組成，其中每個(gè)模型都可通過(guò)修改相對(duì)應(yīng)的文件完成有關(guān)參數(shù)的輸入。開(kāi)發(fā)的電池組和電機(jī)模型中需要考慮熱模型對(duì)電池組電流的影響。

3. 動(dòng)力總成系統(tǒng)參數(shù)匹配研究

在試驗(yàn)臺(tái)架建設(shè)、動(dòng)力總成關(guān)鍵部件特性測(cè)試、車(chē)輛行駛工況構(gòu)建及動(dòng)力總成在環(huán)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成的基礎(chǔ)上，對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)參數(shù)匹配研究進(jìn)行試驗(yàn)。利用動(dòng)力總成在環(huán)仿真系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵部件的初步選型、將選型結(jié)果進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，最終確定動(dòng)力總成系統(tǒng)關(guān)鍵部件，結(jié)合車(chē)輛常用工況區(qū)域匹配傳動(dòng)系統(tǒng)，可以利用底盤(pán)測(cè)功機(jī)對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

動(dòng)力總成系統(tǒng)參數(shù)匹配包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，電池組電壓選擇，電池組容量選擇，傳動(dòng)系統(tǒng)擋位選擇。車(chē)輛的性能測(cè)試包含車(chē)輛動(dòng)力性能測(cè)試，百公里能耗及續(xù)航里程測(cè)試，新匹配純電動(dòng)汽車(chē)與原車(chē)技術(shù)參數(shù)對(duì)比。

總結(jié)：

開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于所建立的仿真系統(tǒng)，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)和底盤(pán)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)，對(duì)純電動(dòng)轎車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)中電池組、電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行選型匹配，實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效區(qū)與車(chē)輛實(shí)際道路行駛工況點(diǎn)密集區(qū)域相吻合，能夠?yàn)楹罄m(xù)整車(chē)的投產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。搭建了動(dòng)力總成在環(huán)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)包括道路工況描述模塊、車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)模塊、整車(chē)控制器模塊、動(dòng)力總成關(guān)鍵部件選型模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、電機(jī)控制器模塊以及動(dòng)力電池組模塊等部分。對(duì)于整車(chē)成本開(kāi)發(fā)的降低和后續(xù)整車(chē)試驗(yàn)作用意義重大。