CN103192901B - 一种新型电动车仿真模型架构 - Google Patents

一种新型电动车仿真模型架构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型电动车仿真模型架构，包括行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块、储能***模块和车辆控制器模块，所述的行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块和储能***模块依次连接，所述的车辆控制器模块分别连接行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块和储能***模块；行驶条件模块将电动车车速和车辆倾斜角度信息发送给车辆载荷模块，车辆载荷模块依据车速和车辆倾斜角度信息计算电动机所需的电机转速和电机负载扭矩信息，电机控制***模块依据电机转速和电机负载扭矩信息控制电动车电机模型的运作，车辆控制器模块监视电机的运行状态和各模块的状态。与现有技术相比，本发明具有模型通用、灵活等优点。

Description

一种新型电动车仿真模型架构
技术领域
本发明涉及一种仿真模型，尤其是涉及一种新型电动车仿真模型架构。
背景技术
电动车正在成为汽车行业中最具发展前景的技术，可应对各种环境和能源的挑战。电动车的线束需要传输高电压、强电流的交流电，这为高压线束的设计带来了新的挑战。例如，交流推进电机是一种电感负荷，具有动态性，其峰值电流可能远高于其有效值。现在，许多工程师只是将电流峰值作为计算线规规格的限值。这显然会导致设计非常保守并需要更多的材料和更高的价格，这是由于典型的行驶循环中的峰值功率脉冲的持续时间可能很短，可能不足2秒。热能由远低于峰值功率的有效功率决定，因此，该行业需要新的高压线束评估方法和设计准则。这种新方法需要进行车辆测试、细致的实验设计和仿真。
仿真是高压线束的分析基础。这类电动车仿真对数据有特别的要求，即特别重视那些影响高压线束设计的电和热的数据。然而，迄今为止还没有帮助高压线束设计的适当工具。事实上，许多OEM都在向线束供应商寻求这类支持。这种工具的开发需要一个具备强大技术背景、经验丰富的团队来支持。第一个发明这种工具的将成为混合动力/电动车线束市场的技术领先者。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通用的、灵活的、有利于高压线束设计的新型电动车仿真模型架构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，包括行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块、储能***模块和车辆控制器模块，所述的行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块和储能***模块依次连接，所述的车辆控制器模块分别连接行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块和储能***模块；
行驶条件模块将电动车车速和车辆倾斜角度信息发送给车辆载荷模块，车辆载荷模块依据车速和车辆倾斜角度信息计算电动机所需的电机转速和电机负载扭矩信息并将其发送给电机控制***模块，电机控制***模块依据电机转速和电机负载扭矩信息控制电动车电机模型的运作，车辆控制器模块监视电机的运行状态和各模块的状态，并发出指令统筹各模块的工作模式，储能***模块为各模块提供高电压直流电作为电源。
所述的行驶条件模块包括行驶循环单元和坡度单元，所述的行驶循环单元和坡度单元均与车辆载荷模块连接；行驶循环单元依据行驶循环输出随仿真时间而变化的车速，坡度单元输出模拟斜坡路况的车辆倾斜角度信息。
所述的车辆载荷模块包括车辆动态单元、车轮单元和传动单元，所述的车辆动态单元、车轮单元和传动单元依次连接，所述的车辆动态单元的输入端与所述行驶条件模块连接，所述的传动模块的输出端与所述电机控制***模块连接；
车辆动态单元依据行驶条件模块输出的车速和倾斜角度信息以及车辆动态参数输出电动车所需牵引力，车轮单元输出车轮速度和车轮扭矩，传动单元通过输入的车轮速度和车轮扭矩得到电机所需的电机转速和电机负载扭矩，所述的车辆动态参数包括车辆质量、滚动阻力系数、空气密度、车辆迎风面积和风阻系数。
所述的电机控制***模块包括电机控制器单元、电压指令生成器单元、逆变器***单元和电机单元，所述的电机控制器单元、电压指令生成器单元、逆变器***单元和电机单元依次连接，所述的电机控制器单元的输入端与所述车辆载荷模块连接，所述的电机单元的输出端分别与电机控制器单元及储能***模块连接；
电机控制器单元依据电机转速输出所需电压，电压通过电压指令生成器单元后得到电压的幅度和角度，逆变器***单元依据电压指令生成器单元输出的幅度和角度将直流电转换为三相交流电，电机单元依据电机负载扭矩并以三相交流电为驱动模拟电机的行为。
所述的电机控制器单元包括速度控制器和电流控制器，所述的速度控制器和电流控制器依次连接，所述的逆变***单元包括开关时间计算器、开关信号生成器和逆变器电路，所述的开关时间计算器、开关信号生成器和逆变器电路依次连接。
所述的逆变***单元还包括低通滤波器电路，所述的低通滤波器电路与逆变器电路连接。
所述的储能***模块在放电模式下提供高电压直流电作为电源，在充电模式下吸收可再生能源。
该模型还包括降压-升压变换器模块，所述的降压-升压变换器模块两端分别连接电机控制***模块和储能***模块，降压-升压变换器模块对储能***模块输出的高压直流电进行降压和升压处理。
该模型还包括降压变换器模块，该降压变换器模块对储能***模块输出的高压直流电进行降压。
该模型还包括低压***模块，所述的低压***模块两端分别连接降压变换器模块和车辆控制器模块，所述的低压***模块包括12V电池和辅助载荷，所述的辅助载荷包括空调压缩机、照明载荷、雨刮器和冲洗装置等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)模型采用反向计算，这就意味着可以通过行驶条件数据来获取所需的电机转速和电机负载扭矩，不需要驾驶者的行为模型；
2)专门用于高压线束设计分析；
3)模型由数学模型和电力电路模型构成，设计上在仿真速度和精度间取得一定平衡；
4)模型布局和组件结构紧凑；
5)有些模块是可选的，模型设计灵活且可扩展，适用于不同的电动车配置和仿真需求。
附图说明
图1为本发明电动车仿真模型框图；
图2为行驶条件模块框图；
图3为车辆载荷模块框图；
图4为电机控制***模块框图；
图5为电机控制器模块框图；
图6为逆变器***模块框图；
图7为降压-升压变换器模块框图；
图8为降压变换器模块框图；
图9为低压***模块框图；
图10为储能***模块框图；
图11为车辆控制器模块框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种新型电动车仿真模型架构，包括行驶条件模块210、车辆载荷模块220、电机控制***模块230、储能***模块270和车辆控制器模块280，行驶条件模块210、车辆载荷模块220、电机控制***模块230和储能***模块270依次连接，车辆控制器模块280分别连接行驶条件模块210、车辆载荷模块220、电机控制***模块230和储能***模块270；该模型工作时，首先由行驶条件模块210提供电动车车速和车辆倾斜角度信息，然后车辆载荷模块220依据车速和车辆倾斜角度信息提供电动机所需的电机转速和电机负载扭矩，最后电机控制***模块230依据电机转速和电机负载扭矩控制电机模型的行为，车辆控制器模块280监视电机的运行状态和各模块的状态，并发出指令统筹各模块的工作模式，储能***模块270为各模块提供高电压直流电作为电源。
如图2所示，行驶条件模块210包括行驶循环单元211和坡度单元212，行驶循环单元211依据行驶循环(如UDDS循环、NEDC循环、日本10.15循环或自定义行驶循环)输出随仿真时间而变化的车速，坡度单元输出212模拟斜坡路况(如在山上行驶)的车辆倾斜角度信息。
如图3所示，车辆载荷模块220包括车辆动态单元221、车轮单元222和传动单元223，车辆动态单元221、车轮单元222和传动单元223依次连接，车辆动态单元221依据行驶条件模块210输出的车速和倾斜角度信息以及车辆动态参数，并遵循滚动阻力方程、气动阻力方程和坡度阻力方程等输出电动车所需牵引力，车辆动态参数包括车辆质量、滚动阻力系数、空气密度、车辆迎风面积、风阻系数和重力等；车轮单元222依据车速和牵引力输出车轮速度和车轮扭矩，车轮单元222可能是一个通用模型或考虑打滑影响等的精确模型；传动单元223通过输入的车轮速度和车轮扭矩得到电机所需的电机转速和电机负载扭矩，传动单元223可能是一个固定速比的简单齿轮系或复杂的星形齿轮系，需要输入齿轮比等车轮参数。
如图4所示，电机控制***模块230包括电机控制器单元231、电压指令生成器单元232、逆变器***单元233和电机单元234，电机控制器单元231依据电机转速输出符合速度轨迹和电流轨迹的所需电压，电机控制器231的输入为电机速度、测定电机速度、测定定子q-轴/d-轴电流和转子角度，电机控制器231的输出为α-轴/β-轴电压，它是通过克拉克变化由a-b-c相电压转换来的，克拉克变换将a-b-c参照系中的三相变量(如定子电流和电压等)转换为固定α-β参照系中的二相变量；电压通过电压指令生成器单元232后得到电压的幅度和角度；逆变器***单元233依据电压指令生成器单元232输出的幅度和角度将直流电转换为三相交流电；电机单元234依据电机负载扭矩并以三相交流电为驱动模拟电机的行为，本实施例采用永磁同步电机，对于不同的电机，输入及电驱接口会有所变化。电机单元234输出信息包括定子d-轴/q-轴的电流矢量、定子电压d-轴/q-轴的电压矢量、转子转速、转子角度和电磁扭矩，其中的四个被反馈给电机控制器231，即定子d-轴/q-轴的电流矢量、转子转速和转子角度，其他变量可以用来评估仿真过程中电机的行为。
如图5所示，电机控制器单元231包括速度控制器231A和电流控制器231B，速度控制器231A和电流控制器231B依次连接，速度控制器231A负责让电机转速符合所需的轨迹和产生电流轨迹指令，电流控制器231B负责让电机电流符合所需的轨迹和产生到逆变器***的电压指令输入。无论是速度控制器还是电流控制器，都可以选择PID控制算法、非线性控制算法或其他先进的控制算法中的任何一种。控制器结构提供很高的算法实现灵活性。
如图6所示，逆变器***单元233包括开关时间计算器233A、电压测量装置233B、开关信号生成器233C和逆变器电路233D，开关时间计算器233A、开关信号生成器233C和逆变器电路233D依次连接，电压测量装置233B连接在开关时间计算器233A和逆变器电路233D之间。逆变器***单元233利用空间矢量调制(SVM)算法来切换六桥逆变器，开关时间计算器233A计算开关时间，电压测量装置233B用于测量电压并输出电压信号，开关信号生成器233C将采样时间与算得的每个驱动桥的开关时间进行比较，并为驱动桥臂的每个闸生成开关信号，逆变器电路233D由各种功率电子元件组成，如IGBT、二极管、开关、电容、电感、电阻等，开关装置(如IGBT)由各闸的切换信号控制。电路逆变器***单元233还包括低通滤波器电路233E，低通滤波器电路233E与逆变器电路233D连接，为可选单元，它同样由各种功率电子元件组成，用于过滤来自信号基波的较高频次谐波。截止频率可以通过改变电路元件的参数来进行调节。
该模型还包括可选模块，如降压-升压变换器模块240、降压变换器模块250和低压***模块260，降压-升压变换器模块两端分别连接电机控制***模块和储能***模块，降压变换器模块和低压***模块连接在降压-升压变换器模块和车辆控制器模块之间。
如图7所示，降压-升压变换器模块240为电力电路模型。它是一个双向直流电压变换器。在升压模式下，输出电压水平高于输入电压水平。在降压模式下，输出电压水平低于输入电压水平。其输入“降压-升压变换器指令”包括开关频率、参考输出电压和工作模式等信息；其输出“降压-升压变换器测定变量”包括输出电压、电感电压、电感电流或其他用户定义的变量等信息。
如图8所示，降压变换器模块250为电力电路模型。降压变换器变换后，输出电压水平应低于输入电压水平。其输入“降压变换器指令”包括开关频率和参考输出电压等信息；其输出“降压变换器测定变量”包括输出电压、电感电压、电感电流或其他用户定义的变量等信息。
如图9所示，低压***模块260包括12V电池和辅助载荷，如空调压缩机、照明载荷、雨刮器和冲洗装置等。压缩机是动态载荷，其消耗的功率与环境温度成正比。照明载荷是典型的静态载荷，其状态为开或关。低压***的建模方法有很多，所提出模块的接口可以适应这些建模方法。
如图10所示，储能***模块270在放电模式下为各模块提供高电压直流电作为电源，在充电模式下吸收可再生能源。
如图11所示，车辆控制器模块280监视车辆的运行状态和***组件的状态，并统筹各控制器的工作模式。输入和输出信息可以随不同的设计策略而不同，输入信息可以包括车辆荷载信息、电机测定变量、降压-升压变换器测定变量、低压***测定变量等，输出信息可以包括电机控制指令、降压-升压变换器指令、车辆电源指令等。提出的模块接口能够适应这些实现方法。

Claims (8)

1.一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，包括行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块、储能***模块和车辆控制器模块，所述的行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块和储能***模块依次连接，所述的车辆控制器模块分别连接行驶条件模块、车辆载荷模块、电机控制***模块和储能***模块；
行驶条件模块将电动车车速和车辆倾斜角度信息发送给车辆载荷模块，车辆载荷模块依据车速和车辆倾斜角度信息计算电动机所需的电机转速和电机负载扭矩信息并将其发送给电机控制***模块，电机控制***模块依据电机转速和电机负载扭矩信息控制电动车电机模型的运作，车辆控制器模块监视电机的运行状态和各模块的状态，并发出指令统筹各模块的工作模式，储能***模块为各模块提供高电压直流电作为电源；
所述的行驶条件模块包括行驶循环单元和坡度单元，所述的行驶循环单元和坡度单元均与车辆载荷模块连接；行驶循环单元依据行驶循环输出随仿真时间而变化的车速，坡度单元输出模拟斜坡路况的车辆倾斜角度信息；
所述的车辆载荷模块包括车辆动态单元、车轮单元和传动单元，所述的车辆动态单元、车轮单元和传动单元依次连接，所述的车辆动态单元的输入端与所述行驶条件模块连接，所述的传动单元的输出端与所述电机控制***模块连接；
车辆动态单元依据行驶条件模块输出的车速和倾斜角度信息以及车辆动态参数输出电动车所需牵引力，车轮单元输出车轮速度和车轮扭矩，传动单元通过输入的车轮速度和车轮扭矩得到电机所需的电机转速和电机负载扭矩，所述的车辆动态参数包括车辆质量、滚动阻力系数、空气密度、车辆迎风面积和风阻系数。
2.根据权利要求1所述的一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，所述的电机控制***模块包括电机控制器单元、电压指令生成器单元、逆变器***单元和电机单元，所述的电机控制器单元、电压指令生成器单元、逆变器***单元和电机单元依次连接，所述的电机控制器单元的输入端与所述车辆载荷模块连接，所述的电机单元的输出端分别与电机控制器单元及储能***模块连接；
电机控制器单元依据电机转速输出所需电压，电压通过电压指令生成器单元后得到电压的幅度和角度，逆变器***单元依据电压指令生成器单元输出的幅度和角度将直流电转换为三相交流电，电机单元依据电机负载扭矩并以三相交流电为驱动模拟电机的行为。
3.根据权利要求2所述的一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，所述的电机控制器单元包括速度控制器和电流控制器，所述的速度控制器和电流控制器依次连接，所述的逆变器***单元包括开关时间计算器、开关信号生成器和逆变器电路，所述的开关时间计算器、开关信号生成器和逆变器电路依次连接。
4.根据权利要求3所述的一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，所述的逆变器***单元还包括低通滤波器电路，所述的低通滤波器电路与逆变器电路连接。
5.根据权利要求1所述的一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，所述的储能***模块在放电模式下提供高电压直流电作为电源，在充电模式下吸收可再生能源。
6.根据权利要求1所述的一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，该模型还包括降压-升压变换器模块，所述的降压-升压变换器模块两端分别连接电机控制***模块和储能***模块，降压-升压变换器模块对储能***模块输出的高压直流电进行降压和升压处理。
7.根据权利要求6所述的一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，该模型还包括降压变换器模块，该降压变换器模块对储能***模块输出的高压直流电进行降压。
8.根据权利要求7所述的一种新型电动车仿真模型架构，其特征在于，该模型还包括低压***模块，所述的低压***模块两端分别连接降压变换器模块和车辆控制器模块，所述的低压***模块包括12V电池和辅助载荷，所述的辅助载荷包括空调压缩机、照明载荷、雨刮器和冲洗装置。
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