基于simulink混动电动汽车统一模型架构设计与应用.pdf

1896192019872006 基于Simulink的混动/电动汽车 统一模型架构设计与应用 汽车电子控制技术国家工程实验室 上海交通大学 殷承良 教授 Prof. Chengliang YIN 目录 开发需求与目标 模型介绍 模型的统一架构 信号的灵活交互 适用车型的多样性 测试仿真中的拓展性 应用案例 总结 未来开发工作 开发需求与目标 传统车辆与新能源车辆类型丰富 统一建模的“平台化”概念，兼顾不同车辆类型 Fuel Cell 燃料电池 控制优化复杂程度与模型复杂程度相辅相成 控制策略开发与建模仿真在开发过程中集成的需要 面向不同开发需求，“模块化”设计提供不同的控制解决 方案 问题问题 解决方案解决方案 即插即用即插即用 开发需求与目标 目录 开发需求与目标 模型介绍 模型的统一架构 信号的灵活交互 适用车型的多样性 测试仿真中的拓展性 应用案例 总结 未来开发工作 标准整 车模型 架构 • 驾驶员模型 • 环境模型 • 整车控制器 • 车辆模型 可继承 性架构 • 顶层结构、系统结 构、部件结构 • 部件控制器、执行 器、部件本体、部 件传感器 不同复 杂度模 型 • 标准化接口 • 开放的开发环境 MATLAB/Simulink及 其他工具包 模型的统一架构 用户自定义数据 用户可自定义车辆数据 用户可自定义测试数据 根据需求确定模型复杂度 发动机模型：静态Map图模型；基于物理建模 模型具有重用性 混合动力系统：单电机混合动力；双电机混合动力； 四驱混合动力 模型便于修改  基于MATLAB/Simulink 建模环境 适用车型的多样性 不同复杂度的 发动机模型 稳 态 模 型 物 理 模 型 模型的统一架构 标准化建模要求  各层模型的标准结构  标准化接口  封装性  可重复使用的元件库 标准的三输入三输出模型标准的三输入三输出模型 Effort=势信号势信号 Flow=流信号流信号 Controller=控制信号控制信号 机械动力学部分机械动力学部分 势信号= 力/力矩 流信号 = 速度/转速 电学部分电学部分 势信号 = 电压 流信号 = 电流 FMv TIw VIR 灵活的信号连接方式 标准信号的定义（单位制、传递方向） 信号总线的使用 模型的统一架构 信号总线对信号进行分类和传递信号总线对信号进行分类和传递 e.g. 力矩信号的总线包括发动机、电机力矩信号 顶层结构——驾驶员-车辆-环境-控制器 闭环系统 Environment Vehicle Vehicle Controller Driver 顶层结构 EngineEngine MGAMGA MGBMGB GM 2-Mode™ Hybrid Electric Vehicle Powertrain Output C2 B1 P1 B2 Damper Pump MGAMGB PC1 S1 P2 PC2 S2 C1 P3 PC3 S3 Engine A typical block diagram of a control-oriented simulation model for two-mode power-split HEV ICE & Motors Torques & Speeds Electric power flow Transmission 2 2- -Mode Hybrid Electric Vehicle System within Uniform Mode Hybrid Electric Vehicle System within Uniform ArchitectureArchitecture TorqueTorque BusBus Speed Speed feedbackfeedback BusBus ElectrElectr ic ic Power Power BusBus PowertrainPowertrain InformatioInformatio n busn bus 信号的灵活交互 后向仿真 纯数字仿真 用于验证模型的准确性和控制效果 软件在环（SIL）测试 实时代码生成 代码生成 S-Function 编译 纯数字仿真时可在主机上 进行编译仿真，不需要I/O 接口 测试仿真中的拓展性 •硬件在环（HIL） Code generation Code Generation •快速原型 Code generation •台架/实车试验 Code generation Code Generation I/O I/O I/O Plant/PrototypePC with I/O Embedded ComputerPC with I/O Rest of Vehicle is emulated •数字仿真 Stateflow/codingMATLAB/Simulink 在开发过程的拓展应用 测试仿真中的拓展性 目录 开发需求与目标 模型介绍 模型的统一架构 信号的灵活交互 适用车型的多样性 测试仿真中的拓展性 应用案例 总结 未来开发工作 应用案例 I: 数字仿真 THSTM Transmission Modeling in SimDriveline® 丰田混合动力耦合机构（THS） 基于MATLAB/SimDriveline建模 Engine Planetary DEF MG1 MG2 耦合机构的力矩输入值根据 实际仿真/测试方案，由仿真 模拟或实际传感器信号提供 * MMT(Multi-Mode- Transmission) 一种先进的多模式混合动力变速箱（Multi-Mode Transmission MMT） 的仿真和台架测试方案 * FGS PID 反馈控制架构 * Zhu F, Chen L, Yin C, et al. Dynamic modelling and systematic control during the mode transition for a multi-mode hybrid electric vehicle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2013, 227(7): 1007-1023. Input Engine 应用案例 II: MMT 仿真与台架试验 稳态仿真结果 •在NEDC 循环下, 实时控制策略使搭载MMT的混合 动力车辆燃油经济性达到3.81L/100km ，与全局优 化的结果3.66L/100km接近，证明了控制策略的可 行性； • 同样仿真结果显示MMT具有与THS相当的节油效果， 并且只采用单电机结构，具有成本较低的优势. 应用案例 II: MMT 仿真与台架试验 瞬态仿真结果 MMT 结构简图 Fuzzy-Gain-Scheduling (FGS) PID 控制原理 * Zhu F, Chen L, Yin C, et al. Dynamic modelling and systematic control during the mode transition for a multi-mode hybrid electric vehicle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2013, 227(7): 1007-1023. 应用案例 II: MMT 仿真与台架试验 台架测试结果 MMT 基于 4T65E 变速箱 进行机械结构 上的改造 台架试验的 连接方式 EV Drive Hybrid Mode_2 Hybrid Mode_3 Hybrid Mode_3 Hybrid Mode_4(EVT) Reg_brk Combined_brk EUDC循环的测试结果 应用案例 II: MMT 仿真与台架试验 Battery Simulator HIL 台架控制系统模型  统一模型架构可以移植到混合动力台架控制系统中  用于各种电池/发动机/电机/控制器在环测试  非实物部分由仿真模型计算并将响应控制信号输出给台架执行机构  台架丰富的传感器信号同样可以作为模型的输入信号 应用案例 III: 台架控制模型的开发 输入测功机输入测功机/实际发动机输入实际发动机输入 目录 开发需求与目标 模型介绍 模型的统一架构 信号的灵活交互 适用车型的多样性 测试仿真中的拓展性 应用案例 总结 未来开发工作 总结 即插即用的功能使建模平台具有 应对不同车辆架 构的 灵活性。

统一模型架构的标准化定义使模型具有更好的可 读性、可修改性和开放性 统一模型可广泛用于数字仿真、硬件在环、台架 测试方案中 统一模型在开发过程中节省大量时间和资源 MATLAB/Simulink 及多样的工具链为模型的开发 提供了便利的软件环境，便于开发 目录 开发需求与目标 模型介绍 模型的统一架构 信号的灵活交互 适用车型的多样性 测试仿真中的拓展性 应用案例 总结 未来开发工作 未来开发工作 丰富不同复杂程度的模型，用于稳态、准稳态、瞬态仿真与优化 采用硬件在环等多种测试方案验证模型的准确性 完善五测功机混合动力台架控制系统中的仿真模型 继续在校企横向合作中完善模型的车辆架构部分和控制部分，形成 完整的仿真开发流程，为企业节省开发时间和成本 虚拟（仿真）部件虚拟（仿真）部件 真实驱动真实驱动部件部件 真实真实/虚拟部件虚拟部件 真实变速器部件真实变速器部件 控制控制/输入输出信号输入输出信号 谢 谢 ！ Environment Vehicle Vehicle Controller Driver 混合动力汽车动力系统结构 机械部分 电力电子部分 Signal transfer 动力元件 变速器/力矩耦合装置 驱动链 车辆动力学模型 电子附件电力储能系统 信号总线 系统结构 部件结构 部件结构 部件结构设计对应实际车辆上硬件的结构 每部分根据仿真精度和速度的要求可进行修改与简化 超级电容管理器 DC-DC 管理系统 电池管理系统 继电器 风扇 加热器 水泵冷却器 电池模型 超级电容模型内部细节与 模型复杂度 相对应 控制器 执行器 本体 传感器 混合动力储能系统模型 。