毕业设计（论文）-基于ADVISOR核心的电动汽车性能计算和匹配设计实现.doc

基于advisor核心的电动汽车性能计算和匹配计算设计实现卜柏营本文以电动汽车整车性能计算和匹配为主要研究对象，基于advisor软件内核及系统结构和工作原理，对其工作过程中的一些重要模块进行深入细致地分析，以便于优化过程中对系统参数的调整优化，具体包括路况模块、整车模块、齿轮箱模块、主减速器模块、电机控制模块以及电池模块。在了解其工作原理和工作过程的基础上，建立了新的专门针对电动汽车仿真的evlab平台软件。evlab软件针对公司电动汽车整车匹配的要求，在基于advisor的内核基础上，对其进行一定的改进和优化，并对一些儿新的功能进行提升。形成自己的特点。关键词： 电动汽车 汽车性能计算及匹配 仿真分析 advisor evlab1概述本文以电动汽车整车性能计算和匹配为主要研究对象，基于advisor软件内核及系统结构和工作原理，对其工作过程中的一些重要模块进行深入细致地分析，以便于优化过程中对系统参数的调整优化，具体包括路况模块、整车模块、齿轮箱模块、主减速器模块、电机控制模块以及电池模块。在了解其工作原理和工作过程的基础上，建立了新的专门针对电动汽车仿真的evlab平台软件。evlab软件针对公司电动汽车整车匹配的要求，在基于advisor的内核基础上，对其进行一定的改进和优化，并对一些儿新的功能进行提升。形成自己的特点。2. 纯电动汽车动力系统分析动力传动系统是电动汽车最主要的系统,电动汽车行驶时的行性能主要是由其动力传动系统性能所决定的。纯电动汽车的动力传动系统主要包括电池、电机以及传动比部分。2.1 纯电动汽车的电池工作特性电池为电动汽车的行驶提供能量来源，同时电池的优劣直接影响到电动汽车的续驶里程、行驶效率等。电池的功率密度决定了电动汽车的最高车速和加速能力的高低，而其能量密度则决定了一次充电所能达到的续驶里程。所以说，电池也是决定电动汽车性能的一个关键因素。目前常用的有4种电池模型：第一种模型是最近发展起来的一种模型，被称为rc模型，它包含了电池的动态影响。第二种模型被称为rint模型，它描述了电池电源电压和内阻的特性。第三种模型是基础的铅酸电池模型。第四种模型为铅酸电池的神经网络模型。在此主要介绍rint型电池的电池特性，包括电池充放电特性、电池的容量特性、电池端电压特性以及电池的内阻特性。1.电池充放电特性电池的充放电特性是指在充放电时电池端电压随时间的变化特性。电池充电时端电压随时间变化的曲线被称为电池充电特性曲线；电池放电时端电压随时间变化的曲线被称为电池放电特性曲线。它们之间存在一定的函数关系，即 （2-1）式中 电池充放电电压； t电池充放电时间。因为电池的充放电电压与电池的端电压u有关，而电池的端电压与电池soc(电池有效荷电量)及周围环境温度t有关，所以电池的充放电特性也与电池工作时的soc值和工作时的环境温度t有关。2电池容量特性电池性能的重要性能指标之一是电池容量，它表示在一定条件下（放电率、温度、终止电压等）电池放出的电量（可用js-150d做放电测试），即电池的容量，通常以安培.小时为单位。电池容量特性是指电池的容量与充放电电流以及电池工作环境的温度之间的函数关系，即 （2-2）为了便于理解，故定义了电池的荷电状态soc。soc是state of charge的缩写，指荷电状态。是当电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。soc=1即表示为电池充满状态。电池的soc值也与电池的充放电电流和电池工作的环境温度有关，即， （2-3）式中 c电池容量（ah）； t电池工作温度（）； 电池充电或放点电流（a）。3电池端电压特性电池的端电压是指电池充电或放电结束静置一段时间后量取电池正负极获得的电压。电池在开路状态下的端电压被称为开路电压。开路电压是关于电池点亮状态soc和电池工作温度的函数，即 (2-4)式中 u电池开路电压（v）； t电池工作温度（）； soc电池电量状态。4电池内阻特性电池内阻特性又称为电池效率特性，是指电池的效率与电池的soc值和电池工作温度的函数关系，通常用能量效率和容量效率表示。能量效率是指电池放电时输出的能量和充电时输入的能量之比。容量效率是指电池放电时输出的容量和充电时输入的容量之比。因此，电池的内阻特性是电池等效内阻和电池的soc值与电池工作温度之间的 函数关系，即 （2-5）1.12.2纯电动汽车的电机工作特性作为电动汽车中的驱动部分，电机系统的类型和驱动性能直接决定了电动汽车的动力性能。它通过驱动控制器将电池的能量转变为汽车运行所需要的机械能，同时保证使汽车处要求的运行的最佳状态。电动汽车的性能直接受电机性能的影响。纯电动汽车的工作特性主要包括，功率外特性、转矩外特性和效率特性。功率外特性为电机功率随电机转速变化的情况，转矩外特性即电机转矩随电机转速变化的情况。如图2-1为电动机在调速状态下的转矩外特性图和功率外特性图，从图中我们可以看出，交流异步电机在一定速度下恒扭矩输出，当超过这一速度后变为恒功率输出。图2-1 电动机调速状态下的转矩外特性图和功率外特性图在电动汽车的行驶过程中，由于在起步、等速、加速、爬坡、下坡、制动等不同行驶状态下，电机的输出状态是不同的，为了保证电动汽车以最理想的状态行驶，这便对电机在对应工作状态下的性能提出了要求。从图2-1中可以看出，电机的功率外特性分为额定功率外特性和峰值功率外特性，电机的转矩外特性分为额定转矩外特性和峰值转矩外特性。在汽车的起步、加速以及爬坡的时候，电机大部分时间工作在恒扭矩区域。这时候，为了能够将汽车的加速性和爬坡性提高，同时能够使电机在峰值扭矩区域内短时间工作。不过，为了保证汽车动力系统的安全，电机在这段区域的工作时间不能够太长。而当汽车在平稳行驶过程，速度变化较小时，电机的转矩能够减小，但需保证能够克服行驶过程中的阻力，这时候电机大部分时间都工作在额定特性区域的恒功率区域部分。一般，电机过载能力用电机过载系数 表示，定义为：电机峰值转矩和额定转矩的比值。 （2-6）式中 p载系数，通常取23； tmax电机最大转矩（nm）； te电机额定转矩（nm）。从图2-1还可看出，电机能够两象限运行，即能够在转速方向不变的情况下，除了输出正转矩还能改输出制动的负转矩，而且正负转矩的两象限特性对称，这对于电动汽车制动时能量的回收有着重大的意义。电机的效率特性与发动机的万有特性相同，这一参数能够反映系统的工作效率，其定义为：电机输出的机械效率与电机输入的电功率的比值。 （2-7）式中 电机及控制器的效率； 电机输出的机械效率（kw）; 电机输入的电功率（kw）。图2-2 电机效率特性图图2-2为本文所选用电机的特效特性图，从图中可看出，电机比传统的汽车发动机效率要高，其最大运行效率可高达90，最低运行效率也为70，并且其高效率区域主要分布在中等转矩和中等转速的较大范围内，而在一定速度下，其低转速和低转矩区域内，电机的效率则相对较低。通过上面的分析，我们可以看出，电机的工作特性为：1）在理想的工作状态下，其工作区域可分为恒功率区和恒转速区。在一定速度下，表现的特性为恒转矩，而在超过这一速度时，则变为恒功率输出，这样能够满足电动汽车行驶时的要求。2）为了将电动汽车的性能提高，在汽车起步、加速和爬坡的过程中，电机工作在恒转矩区域的峰值特性区域内，不过在这一区域内电机的运行时间不能过长。而在汽车行驶比较平缓，速度变化较小时，电机工作在恒功率区域中额定功率区域部分。3）电机能够两象限运行的性质使其对于电动汽车行驶过程中能量的制动回收具有重大作用。4）交流异步电机的工作效率较高，其高效率区域主要集中在中等转速和中等转矩等范围较大的区域，这对于提高能量利用的效率意义很大。2.3 电动汽车传动系统特性分析对动力传动系统优化是提高纯电动汽车性能的主要手段之一，动力传动系统部件的参数设计和优化，如电机转矩和功率、传动系传动比的大小和各部件相互之间的配合都对电动汽车的动力性、经济性、续驶里程等有着重要影响。而纯电动汽车传动系统，主要指的是主减速器和变速器，因此本文主要针对的便是对它们的传动比进行的优化。传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的乘积，即 （2-8）式中 变速器的传动比； 主减速器的传动比； 分动器或副变速器的传动比。普通汽车没有分动器或副变速器，若装有三轴变速器且以直接挡作为最高挡时，传动系的最小传动比就是主传动比；如变速器的最高挡位超速挡，则最小传动比应为变速器最高挡传动比与主传动比的乘积。二轴变速器没有直接挡，最小传动比为最高挡传动比与的乘积。就动力性而言，挡位数多，增加了电机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了汽车的加速和爬坡能力。就经济性而言，挡位数多，增加了电机在低消耗区工作的可能性，降低了能量消耗。所以增加挡位数能改善汽车的动力性和经济性。同时，挡位数多还影响到挡与挡之间的传动比比值，比值过大会造成换挡困难。一般认为比值不宜大于1.71.8。因此，如最大传动比与最小传动比比值越大，挡位数也应越多。实际上，对于挡位较少的变速器，各挡传动比之间的比值常常并不正好相等，即并不是正好按等比级数来分配传动比的。这主要是考虑各挡利用率差别很大的缘故。汽车主要是用较高挡位行驶的，所以较高挡位相邻两挡间的传动比的间隔应小些，特别是最高挡与次高挡之间更应小些。3. 电动汽车主要性能介绍电动汽车的主要性能包括最高速度、加速能力、爬坡能力和续驶里程，下面针对这四方面分别加以介绍。当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，成为坡度阻力。汽车加速行驶时，还需要克服加速阻力。因此，汽车行驶的总阻力为 （3-1）式中 汽车滚动阻力（n）； 汽车空气阻力（n）； 汽车坡度阻力（n）； 汽车加速阻力（n）。下面分别对这几种阻力和汽车性能的关系进行介绍。3.1 最高速度最高车速是指在水平良好的路面（混凝土或沥青）上汽车所能达到的最高行驶车速。汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。当汽车达到最高车速时，可以通过电动汽车的牵引力行驶阻力曲线和功率平衡图来获得。1.滚动阻力车轮滚动时，轮胎与路面的接触区域与产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的变形。轮胎和支承面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在硬路面（混凝土、沥青路）上滚动时，轮胎的变形是主要的。此时由于轮胎有内部摩擦产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它作的功不能全部回收。在良好路面上行驶时，滚动阻力为 （3-2）式中 电动汽车牵引力 g电动汽车重力（n）；f滚动阻力系数。轿车轮胎在良好路面上的滚动阻力系数可用下面的公式 （3-3）式中，、分别为sr级、hr级和vr级子午线轮胎的滚动阻力系数。2.空气阻力汽车支线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力分为压力阻力与摩擦阻力两部分。作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力，成为压力阻力；摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。在无风条件下汽车在行驶过程中的空气阻力为 （3-4）式中 空气阻力系数； 迎风面积（）； 汽车行驶速度（）。3.电动汽车牵引力在电动机额定状态扭矩的外特性知道的情况下，电动汽车的牵引力为 （3-5）式中 电动机额定输出转矩（nm）； 传动系传动效率； 车轮半径（m）。电动机额定输出转矩t为电动机转速n的函数，即 （3-6）电机转速与车速的关系为 （3-7）由公式（3-5）、公式（3-6）和公式（3-7）联立可得到电动汽车牵引力和车速的关系，即 （3-8）通过上面的关于电动汽车滚动阻力和空气阻力的计算，由公式（3-2）、公式（3-4）和公式（3-8）联立可得电机驱动力和滚动阻力与空气阻力之和关于速度的两条曲线，两曲线的交点即为最高车速。3.2 加速能力汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，即加速阻力。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时，不仅平移质量会产生惯性力，旋转质量也要产生惯性力偶矩。为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，对于固定传动比的汽车，常以系数作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数。汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价，但由于加速度的数值不容易测量，因此实际中常用加速时间来表明汽车的加速能力。在水平良好路面时，电动汽车行驶时的驱动力方程为 （3-9）式中 汽车旋转质量换算系数，其计算公式为 （3-10）由式 （3-9）变换得 （3-11）这样便得到从速度为零到达到一定速度所需要的时间，即可表明电动汽车的加速能力。3.3 爬坡能力当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车坡度阻力，即， （3-12）式中g为作用于汽车上的重力，为汽车质量，为当地重力加速度。汽车的爬坡能力是用满载（或某一载质量）时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示的。在汽车爬坡的过程中，电动汽车行驶时的动力学方程为 （3-13）式中 爬坡过程中汽车行驶速度（）； 汽车爬坡度的角度。由上式可得汽车爬坡度与汽车行驶速度之间的关系为 （3-14）通过上式可得在不同速比下的坡度与电动汽车行驶速度之间函数关系的曲线。3.4 电动汽车续驶里程电动汽车的续驶里程是指电动汽车从将动力电池全部充满电的状态开始到标准规定的一定电量情况时，电动汽车所走过的距离。电动汽车的续驶里程也可以分为等速续驶里程和工况续驶里程两种情况。影响电动汽车续驶里程的因素包括：电池总能量，电机功率，充放电效率，电池工作环境温度，整车质量和车速。3.4.1 等速续驶里程汽车在良好的水平路面上进行一次充电后，等速行驶直到将电量全部消耗为止时所行使的路程，被称为电动汽车的等速续驶里程。其计算过程如下 电池能够持续放电的时间为 （3-15）式中 电动汽车电池所携带的总能量； 汽车以一定速度行驶给定距离时所消耗的能量（）； 电动汽车的控制器和电机的传动效率。电池携带的总能量为 （3-16）式中 汽车初始时电池的总能量值； 电池的额定容量()；电池的端电压()；电动汽车携带的电池总量()；电池比能量()。通过电池放电特性我们可知，当电池的放电电流大于电池额定放电电流时，电池的总能量要相对减少，即 （3-17）当时，；当时，。汽车等速行驶的续驶里程为 （3-18）式中 电动汽车行驶过程中的行驶阻力矩； 电动汽车行驶过程中的行驶阻力功率。从公式(3-18)中我们可以看出，在电池携带的电池总量和电池的比能量不变的情况下，电动汽车的续驶里程与行驶阻力矩、行驶阻力功率有关。而行驶的阻力矩和阻力功率又与整车总重量、迎风面积、车轮半径、车速、滚动阻力系数、迎风阻力系数有关。3.4.2工况续驶里程纯电动汽车在工况下测试续驶里程时，情况比较复杂，通常要经过启动、加速、匀速、减速、停止等几个过程。工况下的续驶里程也一般是对匀加速行驶、匀速行驶两个工况并分别对它们的能量消耗进行计算,然后将各工况的能量消耗相加并计算出行驶里程。下面以ece（europe dynamometer operating cycle）欧洲典型驾驶循环为例，ece工况是欧洲用来测试城市低速道路下车辆性能的循环工况。这种工况的循环时间为195s，行驶路程为0.99km，平均车速为18.26km/h，最高车速为5okm/h，最大减速度为-0.83，最大加速度为1.06，停靠次数为3次，具体速度一时间趋势图如图3-1。图3-1 ece欧洲典型驾驶循环1.匀速行驶时的能量消耗电动汽车在工矿条件下行驶时，假设在任意时间段内，以速度行驶，计算过程为：在速度的情况下，电动汽车消耗的功率为 （3-19）在速度的情况下，速比为时，电机的转速为 （3-20）在速度的情况下，速比为时，电机的转矩为 （3-21）则在该时间内的能量消耗为 （3-22）在整个工况下，n个时间段内等速行驶时所消耗的总的能量为 （3-23）2.匀加速行驶时的能量消耗假设电动汽车从速度匀加速到速度，加速需时间为。那么，可以把时间分为个均匀的区段，即分为，它们的时间间隔为，相应的加速度为。在速度的情况下，速比为时，电机的转速为 （3-24）在速度的情况下，速比为时，电机的转矩为 （3-25）则在的速度下，电动汽车消耗的能量为 （3-26）电动汽车在整个匀加速阶段内所消耗的能量为 （3-27）电动汽车在各个匀加速过程中所消耗的总能量为 （3-28）式中 为电动汽车在行驶过程中的匀加速过程的个数所以，在电动汽车行驶的整个工况的过程中所消耗的总能量为匀速行驶消耗的能量与匀加速行驶所消耗的能量之和，即， （3-29）因此，在整个工况中，纯电动汽车行驶的续驶里程为 （3-29）式中，为一个工况下，电动汽车行驶的距离。4. advisor软件内核算法4.1 advisor软件介绍advisor(advanced vehicle simulator,高级车辆仿真器)是由美国可再生能源实验室nrel(national renewableenergy laboratory)在matlab和simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件，是matlab和simulink软件环境下的一系列模型、数据和脚本文件,它在给定的道路循环条件下利用车辆各部分参数,能快速地对传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的燃油经济性、动力性以及排放性等各种性能作快速分析,是世界上能在网站上免费下载和用户数量最多的汽车仿真软件。由于该软件通过大量的实践被证实具有较好的实用性,现在世界上许多生产企业、研究机构和高校都在使用该软件做汽车仿真方面的研究。它主要有以下特点:仿真模型采用模块化的思想设计，大大节省了建模时间，提高了建模效率。仿真模型和源代码全部开放，用户可针对实际情况进一步修改，使软件参数更接近真实情况，仿真结果更加准确。采用了独特的混合仿真方法。通过前向仿真和后向仿相结合，以后向仿真为主，前向仿真为辅的策略，使得仿真计算量较小，运算速度较快，同时又保证了仿真结果的精度。在matlab和simulink软件环境下开发研制，利用matlab内置的计算程序、专业的仿真工具以及与其他程序的接口，减少了汽车模型的搭建和仿真计算过程中的工作量，同时也方便了熟悉不同编程语言的用户之间的合作。能与其他多种软件进行联合仿真。advisor设计了多种开放的软件接口，能与多种软件进行联合仿真，便于用户改进和拓展其功能。4.1.1 advisor的仿真策略advisor采用了独特的将后向仿真和前向仿真相结合的混合仿真方法,以后向仿真为主,前向仿真为辅282930。它首先进行后向仿真,沿着与实际功率流相反的方向,根据道路循环的要求,向整车模块发出速度和转矩请求,整车模块再向车轮和车轴模块、主减速器模块、变速器模块等逐级发出请求,直到动力源模块(发动机和蓄电池等),计算出动力源所能提供的功率。然后进行前向仿真,沿着实际功率流的方向,从动力源模块出发直至车轮与车轴模块,逐级传递当前部件能提供给下一级部件的速度值和扭矩值,最后计算出汽车的实际速度。下面通过advisor 的模块界面进行讲解，如图4-1。图4-1 电动汽车传动系图上图是用advisor部件绘制的电动汽车的传动系图。需要注意的是大部分模块都有两个输入和两个输出。每一个模块都传递和变换要求的转矩，同时传递和变换可达到的、实际的转矩和车速。图中上方的箭头（自左向右）表示的是转矩和车速要求。驱动循环模块提出车速要求，而介于驱动循环模块和转矩提供模块（此时是电动机）之间的各个模块然后根据给定的输入计算输出。在计算过程中，各个模块考虑损失、速度下降或提升以及自身的性能限制。在最后“电动机”根据需求的转矩输出和车速确定其能够输出的转矩和最高转速，然后将信息从右至左传给各个部件。这些部件根据实际输入决定其实际输出。和输入路径计算一样，输出也要考虑损失。最后，整车模块根据收到的牵引力和速度限制信息，计算下一时间段汽车的加速度，这一过程在整个驱动循环内不断进行下去313233。4.2 advisor各模块功能介绍这章将主要介绍advisor中相互联系的各个部件模型之间转矩、转速和功率的转换过程,主要包括驾驶工况、整车、轮轴、主减速器、变速器、电机/控制器、电器负载、功率总线和电池等模块。下面按照其运行过程从左至右介绍各模块功能及作用，其中重点介绍驾驶工况模块、整车模块、主减速器模块、变速器模块、电机模块和电池模块343536。4.2.1 驾驶工况模块图4-2 驾驶工况模块该模块主要对电动汽车行驶的路面信息进行设置，如汽车路况选择，爬坡角度设置，加速行驶距离等，通过这些内容的设定从而对后面的一系列模块需要提供的转矩、转速等提出要求。4.2.2 整车模型图4-3 整车模型在该汽车模块中的计算，是表示在轮胎处力的平衡，该迭代步骤末给定汽车所需要的速度，而由上一步实际路况计算所得的车速作为该迭代步骤的初速度，又这两端的速度求得迭代步内的平均车速，该步骤内要求的驱动力和平均速度就是驱动车轮向上要求（后馈）的功率流，并且在前馈路线，获得驱动力和速度极限。汽车的实际速度可以通过其子模块“汽车速度”计算出来。模块中实现了汽车纵向动力方程，力包括滚动阻力，空气拖动阻力和坡度阻力。该方程首先计算迭代步的加速度来计算出所要求的后馈驱动力，迭代步内的平均速度为步骤开始处和末端处所需速度的平均值。实际计算车速的子模块见图4-4。图4-4 整车速度子模块该模块实现的计算模型和公式如下：汽车在坡度为的路面的受力图如图4-7所示。图4-5 汽车模型受力分析图已知驱动力，初速度，求末速度。通过求出该步骤的平均车速，再利用关系式，则可以求得该步骤汽车的末速度。已知，由力的平衡得 （4-1）式中 汽车行驶的加速度； 汽车行驶时的空气阻力； 汽车行驶时的滚动阻力。同时有 （4-2） （4-3） （4-4）式中 汽车前轮滚动阻力系数；汽车后轮滚动阻力系数。由公式（4-2），公式（4-3）和公式（4-4）可以得出计算平均车速的二次多项式方程（4-5）通过求解这个一元二次方程式的根即可得到汽车在迭代步内的平均车速，进而求得末速度 （4-6）牵引力控制模块：图4-6 牵引力控制模块图此模块包括两个子模块，一个是限制从汽车模块传来的驱动力和平均车速；另一个是由于加减速而产生的轮轴载荷的变化，这里返回端为前载荷。下面分别对这两个模块进行讲解：1）由轮胎牵引极限限制车速要求：该模块保证从整车模块传来的车速要求不会超过汽车在路面发生极限附着的情况下所能产生的汽车车速，所以要建立汽车（前轮驱动）当发生路面打滑的时候（路面附着极限的情况）下所能产生的最小的车速（制动）或者最大的车速（驱动）的理论分析模型。假设汽车在坡度为坡度的路面上以初速度在极限附着力的驱动力下，所能产生的最大末速度为。根据平衡方程有 （4-7） （4-8）驱动轮前轮载荷为 （4-9）即 （式 4.10） （4-11） （4-12） （4-13）迭代步的加速度为： （4-14）迭代步内的平均速度为： （4-15）分别将上式代入平衡方程中，并化简。为简化二次项球根，把的二次方记作，这样可以得到在驱动达到附着极限和初速度为时迭代步末所产生的速度为（4-16）式中 汽车轴距； b汽车后轴距； 汽车质心高度； 空气阻力系数； a汽车迎风面积； 空气密度。则为汽车所能提供的汽车极限速度，从整车模块传送过来的速度必须小于该速度。同样，当在制动情况下达到附着极限时，已经作为制动力，方向相反。同其它的受力情况一样，力的平衡方程为，其中， （4-17）化简得到在制动极限附着情况下所能达到的最小车速为（4-18）极限附着情况下限制车速的advisor模型如图4-7，图4-7 轮胎附着力限制车速模块图该模块只有两个输入端，即迭代步骤初速（端口2）和从汽车的整车模块传来的平均车速（端口1），建立该模型的目的是要对平均车速的要求值作其在极限情况（极限附着力条件）下的限制。前面已经求得在驱动或制动极限情况下的最大末车速或最小末车速，进而由关系式求出迭代步内的平均车速的极限值。最后通过比较限制端口1输出的平均车速，使其不会超过极限附着情况下能产生的平均车速。2）限制前轮驱动的最大驱动力模块前面模块1是根据极限附着情况下限制整车模块传送来的汽车平均车速，在该模块中，我们要进一步对从整车模块传来的要求驱动力进行限制。因为前面已经限制了要求的平均车速，在初始车速下，汽车要么加速，要么减速，因而会由此产生汽车前后轴荷的变化，我们求出驱动轮的轴荷（前轮），应用驱动轮轴荷与路面最大附着系数的乘积为其驱动附着情况所能提供的最大驱动力或在制动情况下所能提供的最大制动力。即要满足关系式 （4-19）advisor软件中对应的模块如图4-8。图4-8 限制最大驱动力模块图该模块有三个输入端，即迭代步骤初速（端口3）和从上面模块1中限制的平均车速（端口2），以及从整车传来的要求驱动力（端口1）。建立该模型的目的就是要进一步对驱动力要求值在打滑或极限附着情况下进行限制，并从右边端口1输出，而输出端口2输出该步骤内的前轮载荷。在整车模块中，制动控制模块也是关键的一个模块，它根据总制动力的需求和驱动链上所能提供的再生制动力的多少，确定前、后制动器上制动力的分配。前轮制动系数决定了前轮制动力在所有制动力（摩擦制动与再生制动之和）中所占的比例。前轮制动力要始终保证前轮制动系数与设定值相同，同时不超过最大摩擦力。后轮制动力为总摩擦力减去前轮制动力的差，同样不能超过最大摩擦力限制值。假设，当车速为60mph时的控制策略为：40的制动力由驱动链（再生制动）提供，30由前轮制动提供，剩下的30由后轮制动力提供。此时，在一个特定的情况下，驱动链只能提供所要求制动力的20，这样，剩下的80都要由摩擦制动里来提供。若前轮制动力占所有制动力的一半30/（30+30），40（认为前后轮能够提供同样多的制动力）。但是如果前轮因为发热只能提供所需制动力的25，那么剩下的1-20-25=55，在后轮能够满足的情况下都要由后轮来提供，如图4-10摩擦制动力控制策略模块图。图4-9 前后轮制动控制器模块图4-10 摩擦制动力控制策略子模块其中，汽车速度用来确定前轮的再生制动分配系数、摩擦制动分配系数，从而能够得出后轮的摩擦制动分配系数。总的制动力和各个制动力分配系数相乘后就可得出个制动力的大小。如图4-11所示，其中dl为前轮再生制动力分配系数，faf为前轮摩擦制动力分配系数，则后轮的摩擦制动力分配系数为1-dl-faf。图4-11 制动力分配示意图图4-12 制动控制策略模块通过图4-12制动控制策略模块图，可以对各制动分配系数进行设定和修改。图4-13 驱动轮制动力分配系数图4.2.3 车轮车轴模块车轮车轴模块传送来自整车模块的驱动力和线速度转换成扭矩和转速（轮胎要求转速和转矩）传递到后驱，并从前馈路线上后驱传来的 实际转矩和转速转换成在轮胎上的牵引力和线速度，然后向汽车整车模块传送。车轮模块包括的“请求”和“实际”两条数据流路线上都受到轴承损失、轮/轴惯量、轮胎滑动和制动摩擦的影响。转矩损失由测试的汽车质量通过检索表处理，轮胎滑动通过驱动力/滑移率检索表处理。另外，在整车控制模块中的驱动力控制子模块中与“轮/轴”模块相关的驱动力控制模块要保证当要求提供的驱动力太大时要相应地降低它，以防止驱动打滑。“轮/轴”块外的制动力控制模块实现制动力分配，在驱动链中分配所要求的制动力，前摩擦制动力和后摩擦制动力之间的分配同样类似于驱动力控制，以防止制动抱死。下面通过后向路径和前向路径分别进行讲解。图4-14 车轮/车轴模块1）后向路径在后向路径中，车轮模块接受车辆模块传递的请求，轮胎的驱动力和汽车速度，然后将其转化为车轮的转矩和转速（角速度）。这一过程受到两个限制：一是汽车驱动力受到路面附着力的限制，其计算公式为 （4-20）式中 轮胎驱动力； 汽车实际可取的驱动力； 轮胎附着力。另外，轮胎还受到滑移率限制。车轮转速（单位：rad/s）的计算公式为 （4-21）式中 轮胎滑移系数。请求从传动系统到前轮（假设该电动汽车为前轮驱动）的驱动转矩的计算公式为 （4-22）式中 传动系统的驱动转矩（nm）； 前轮的损失转矩（nm）； 前轮的惯性转矩（nm）。其中，传动系统的驱动转矩的计算公式为 （4-23）式中 轮胎半径（）； 请求前制动器的制动力（）。通过查表获得。的计算公式为 （4-24）式中 j汽车前轮的转动惯量（kgm2）。在计算出tt和后，车轮模块将其值传递给上级的主减速器模块。2）前向路径在前向路径中，车轮模块接收主减速器模块传递的传动系统提供的可用转矩tt_av和转速，计算出可用的驱动力和速度，最后传递给车辆模块，得到实际的汽车行驶速度。汽车的实际前轮驱动力为 （4-25）实际汽车的驱动力为 （4-26）式中 前制动器提供的制动力（n）; fb2后制动器提供的制动力（n）。汽车的实际计算公式 （4-27）车轮模块的前向路径实际上是后向路径的逆运算过程，只不过后向路径的计算过程比前向路径多了驱动力受路面附着力的限制。4.2.4 主减速器模块主减速器模块,在后馈路线上，主要从“车轮/车轴”模块传送所请求的转速和转矩到“变速器”模块；在前馈路线上，主要传递实际输入的转矩和转速从“变速器”模块到“车轮/车轴”模块传，从而使汽车能够正常行驶。图4-15 主减速器模块后驱模块在“请求”和“实际”传送路径上含有转矩损失，并受转动惯量和齿轮比影响。转矩损失认为是常熟（当齿轮停止转动时，损失为0），齿轮速比（即主减速比）由“变速器”或其它输入的转速降低并增加转矩到车轮模块（即减速增扭）。转动惯量是由汽车加速输入转矩引起的，主减速器的转动惯量在输入端被测量，惯量损失也是在减速齿轮的输入端。下面针对后向路径和前向路径进行说明。1）后向路径在后馈路线上，“主减速器”模块从“轮胎/轮轴”模块传送所要求的转速和转矩到“变速器”模块。转速转化过程： （4-28）式中 主减速器输入端请求输入的转速（）； 主减速器输出端请求输出的转速（）； 主减速器的主减速比。转矩转化过程： （4-29）式中 主减速器输入端请求输入的转矩（nm）；主减速器输出端请求输出的转矩（nm）；主减速器中的转矩损失；转动惯量引起的加速转矩。2）前向路径转速转换： （4-30）式中 主减速器输出端实际输出的转速（）； 主减速器输入端实际输入的转速（）。转矩转换： （4-31）式中 主减速器输出端实际输出的转矩（nm）； 主减速器输入端实际输入的转矩（nm）。4.2.5 变速器模块变速器模块也分为向前仿真模块和向后仿真模块两部分，主要是把从主减速器模块传来的请求转矩和请求转速转化为电机模块向后仿真模型中的输入量，同时把从电机模块处产生的实际可用的转矩和转速，根据实际行驶情况，通过不同的速比转化后，传入到主减速器中，从而使电动汽车能够正常行驶。图4-16 变速器模块图4-17 变速器控制模块变速器控制模块根据当前动力源的负载和转速情况，模拟驾驶员来进行换挡，输出当前挡位，逻辑量shifting确定速比命令和是否进行换挡。每个挡位都有一个二维表来实现是否需要在当前挡位内进行换挡判断，当动力源输出的转速和转矩在向上换挡曲线下，则该进行向上换挡命令；若在向下换挡曲线下，则应进行向下换挡命令。下面以传统汽车的换挡进行说明，如下图。图4-18 变速器换挡控制图中两折线表示向上和向下换挡曲线。最上顶那条曲线为发动机的输出外特性曲线，含有数字的曲线为等效率曲线。该图右边折线由变量名为gb_gearx_upshift_spd和gb_gearx_upshift_load来定义，其中x表示相应的各个档位。当发动机的转矩/转速点落在该曲线的下面，则需要进行向上换挡。同样，gb_gearx_dnshift_spd和gb_gearx_dnshift_load变量用来定义左边折线（向下换挡曲线）。当发动机的转矩/转速点落在该曲线的上面则需要进行向下换挡。如何在matlab/simulink下实现是通过该模块当中的两个子模块（upshift command和dnshift command）来实现。这两个子模块实现在当前挡位和当前负荷情况下，使用上面变量定义的换挡曲线进行寻找判断。由于各变速器的挡位较多，因此在simulink的基本模块下是无法实现的，这里是借助s-函数来实现（它在matlab的m文件sfun_gearbox中实现）。4.2.6 电机模块电机模块的作用主要是将变速器传来的请求转矩和转速通过map图转化为请求的功率输入到电池模块中，并将电池模块所提供的实际功率转化为电机能够提供的转矩和转速。在后向路径中的计算过程中考虑了所选电机最高转速和峰值转矩的限制，并考虑进了电机的效率影响，同时也将电机的控制模型加入进来。在控制模型中，考虑了电机在变速换挡的过程中和电机的最大输入电流和输入电压对功率需求的影响。图4-19 电机模块电机转矩限制为： （4-32） （4-33）式中 电机的峰值转矩； 电机的最高转速；图4-20 电机控制模块电机控制模块是执行电机控制器（如逆变器）的一些控制功能，是为了防止电机电流过载以及在汽车停止行驶时或变速箱换挡时关闭电机。增加电机/控制器的电流控制，最大的功率需求由最大电流mc_max_crrnt和功率总线前一步进时间的电压相乘而得到。这一乘积限制了最大功率请求的绝对值：电机不会向总线提出更多的功率需求，也不会向总线提供更多的功率，同时由布尔变量的值表示电机开关的条件。4.2.7 电池模块电池模块的主要功能是接受从传动系统中传送过来的功率请求，并根据当时的电池电流、电压和soc值来确定输出的功率。在计算电池的输出功率时主要是通过五个主要的子模块，包括：内阻和开路电压计算子模块、电流计算子模块、功率限制子模块、soc计算子模块和温度估算子模块27。图4-21 电池模块图中5个子模块的作用分别为：1.如图中所示电池模型建立成包含一个开路电压和等效内阻或的一个等效电路，和为soc的分段线性函数。计算时具有两个函数：一个为充电内阻函数，一个为放点内阻函数。2.电池能提供的最大功率限制在一个可容许的限制范围内。3.利用已知的一组参数、和实际请求的功率（它们是二次方程的变量）来求解出等效电路的电流。4.通过电池电流来更新电池的有效荷电量soc。5.通过电池的热模型来计算出电池的温度，用来反馈决定电池的性能参数。下面分别对这五个子模块进行讲解。1.内阻和开路电压计算子模块该模块根据给定的当前soc值、电池组温度和所请求输出的功率来计算电池组的开路电压和内电阻值。图4-22 开路电压和内阻计算子模块1）开路电压、充电电阻和放点电阻是soc和电池组工作温度的函数。通过查表插值可以确定这些参数的值。2）根据电池组放电（正功率）还是充电（负功率）来选择合适的电阻（充电电阻、放点电阻）。3）计算串联电池组的开路电压和内电阻。通过由单个模块的参数值（和值）乘以串联电池模块数得出。2. 电流计算子模块这个子模块通过解二次方程计算得到电流值，这个方程是根据基尔霍夫电压定律和电功率对上图的等效电路推导得出的。图4-23 电流计算子模块1）电流的计算。功率的定义为：p=vi或v=p/i。结合基尔霍夫电压定律，则有v=p/i=voc-ir。在等式两端同时乘以电流i，则有p= voci-i2r。这个模块就是对这个方程进行求解，得出电流值。2）线电压的计算。根据基尔霍夫电压定律，输出电压为：v=voc-ir。3.功率限制子模块这个子模块用于防止计算电池电流的功率值超过限制范围，这种功能的实现是通过三方面对它进行限制，分别为：soc值、等效电路参数和电机控制器的最小允许电压。图4-24 功率限制子模块1）若电池电量已经耗尽（电池的soc接近为0）时，如果继续要求电池输出正功率（放电），则将要求功率限制为0。当电池已经充满（电池的soc0.999）时，如果要电池继续输出负功率（充电），则将要求功率限制为0。2）从电池能够获得的最大输出功率受三个参数的限制，这三个参数都与可提供的（实际的）工作电压有关。工作电压不能够低于电机的最低工作电压和电池组的最低电压。如果满足这两个条件，当电池的电压等于时，电池将输出最大功率。3）最大功率限制的计算公式为， （4-34）式中 电机最小共走电压和电池组最小点呀的最大值，为。4.soc计算子模块电池的电量状态soc是指电池的剩余电量与额定电量的比值，用百分比来表示（）。该子模块在advisor中用于确定电池剩余容量（单位ah），电池剩余的能够继续放电的容量），soc运算法则是在连续的迭代中逐步逼近真实值，因此是比较可靠的。同时，电池的最大容量和库伦效率都是温度的函数。图4-25 soc计算子模块1）所有放点电流和充电电流经过预估的库伦效率（充放电效率）的修正的积分，来确定从仿真开始电池的所有的有效ah容量变化。2）利用初始soc值计算，电初始状态下已经使用的ah容量，这个非零值作为步骤1中积分的初始值。ah_sued_init=(1-ess_init_soc)max_map。3）soc的计算公式为soc=(max_capacity_ah_used)/max_capacity5. 温度估算子模块图4-26 温度估算子模块该模块主要用来模拟电动汽车电池的热特性，预估电池的工作温度，并将温度参数提供给其他的子模块。电池温度模型的的主要计算公式为 （4-35）式中 电池表面热功率； 电池工作环境温度； 空气温度； 电池等效热阻。 （4-36）式中 环境温度；电池表面空气质量流动率；cp_air空气热容量。 （4-37）式中 电池消耗热功率； 电池单体质量；