电动车建模和仿真分析

19th – 21th April 2013 | TM Symposium China
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结论
• • • • • • 电动驱动设计需要进行系统仿真 实时电动车模型 基于SimulationX相关模块的重用和创建及它们实时性 模型输出到 NI VeriStand 实时平台 仿真控制和可视化基于 NI VeriStand & SimulationX (动画) ITI 公司为几个著名的主机厂建立了电动及混合动力车模型
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NI VeriStand and SimulationX as GUI
NI VeriStand • 图形用户界面：仿真控制，显示及信 号的控制 SimulationX • 3D 实时动画
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• •
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SimulationX 在产品设计周期 – 客户应用
概念设计
• 方案分析 • 概念设计仿真验证
原型测试
• 实时测量 数据分析 & 综合
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System Simulation
• 最新无缝多领域1D-to-3D的仿真工具实现了 在一个软件上的功能设计,复杂物理模型的建 模及动态分析 • 40 个验证的模型库 • 500 经工程检验的元件 • 15 集成的分析方法 • 300多 (子-)系统模型例子 • Modelica® 标准库 SimulationX 虚拟机及对PLC 支持 SimulationX 实时代码生成和硬件在线接口 (NI VeriStand, dSPACE DS1006)
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HiL台的结构设计
主机
实时目标平台
RT CPU
I/O 硬件
I/O Receiver
NI VeriStand • 配置 • 实时 GUI LabVIEW • FPGA 的编程 SimulationX • 物理模型 • 动画
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动机
• 可能的开发任务 (纯电驱动):
• 驱动范围／效率等的优化 • 电机控制器测试及开发 • 特别任务:
• 各轮力矩独立控制 (e.g. 无差速器); • 电机系统安全性(如轮毂电机的路面冲击等) • 热效应分析
• 混合动力或电动传动系统：复杂机电系统 • 它们的开发和测试需要合适的分析工具 • 物理模型的复杂程度：取决开发目的
• 复杂的控制结构
• 开发目标
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动机
• 混合动力：
• 并联式
• 电机和发动机共同驱动 • 减小发动机大小 • 结构及控制比较复杂
• 串联式
பைடு நூலகம்
实时 PC • LabVIEW 实时
NI 7842R (FPGA) • 接受器信号的解调
环境 • 车模型
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SimulationX 电动车模型
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悬架
• 汽车车身及悬架系统 • 前双横臂独立悬架
Rotary Axis
• 组合模块(SimulationX的可重用模型)
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传动及转向系统
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动机
• 纯电动驱动：
• 电机选则: 异步电机，同步电机， (DC motor) • 各种驱动布置:
• 中央电机 • 后驱或前驱半轴上电机 • 轮毂电机
• 控制难度及成本随电机布置数目而上升
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应用案例
• HiL 测试台
• • • • • SimulationX 汽车模型 电机, 变速箱, 差速器锁 ABS, 轮胎压力控制系统 连接 6 控制器，约 150 电信号， CAN 制动测试
• SimulationX 用户可创建其他元件用于 HiL-系统， 如工程机械。
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• • • • 自然频率分析法 耗时分析法 模型元件可切换的复杂度 固定步长测试
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模型输出到 NI VeriStand
• 通过Code-Export Wizard生成模型DLL 文件 1. 项目 Project
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动机
• 车辆驱动系统的电动化 • 各种驱动结构:
• 弱／中／强混合动力 ( 串联／并联方式) • 纯电动驱动 (可选: 带发动机增程式) • 轮毂电机
方案细化
• 性能预测 • MiL 控制设计
功能测试
• 基于模型的测试 • HiL 实时仿真模型
项目实施
离线仿真
• 参数分析 • 虚拟测试, 试验设计 DoE • SiL 控制设计
实时仿真
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前悬架, 车身, 传向系统
电机 传动系统
电池
后悬架
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电机模型
• 无刷DC-电机 • 电机控制器的PWM (8 kHz) • PWM 可很好离线模拟, 但没有实时性 • 解决方案：
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应用案例
• 拖动启动特性分析 (Audi 混合动力驱动)
模型 启动时速度
红 – 电机的速度 蓝 – 发动机的速度
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应用案例
• Toyota 混合动力车的控制策略优化
Motor/Generator E2 Car
Motor/Generator E1 Battery management Engine (ICE) Planetary Gear
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• 一维的传动系统模型 • 有关的元件库, 如 传动元件库：齿轮 差速器等 • 转向机构模型：3D 多体动力系统模 型(惯量, 几何结构及关节) • 转向司服电机： PT1 模拟 • 其剪切频率由实验确定
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• 仅电机驱动，发动机驱动发电机。 • 电机功率要求高, 车重增加。 • 驱动系动统简单化(如简化变速箱)
• 混联式:
• 功率分流式 • 并联式和串联式的综合 • 控制最复杂
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• 基于可编程门阵列FPGA • 模型简化 ：
• PWM → 理想调制器 • BLDC → 简化DC-电机模型 • 仅在改变方向Switching
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遥控信号的解调（Labview）
• 信号接受器：PWM (f = 50 Hz, T = 1…2 ms) • 基于FPGA的信号解调和其作为电机及转向系统的输如信号
接受器信号的生成
接受信号的解调
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SimulationX 电动车模型
前悬架, 车身, 传向系统
电机 传动系统
电池
后悬架
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模型的实时性
• 模型计算按照实时平台要求的步长 ∆t • 模型复杂性的影响 (状态变量数，自然频率， 时间常 数，非线性等) • 分析/优化通过SimulationX的工具：
• NI VeriStand 工作空间：实时模型计算的实时平台 FPGA-program ：遥 控器的调制
SimulationX- 电动车模型
信号的映射
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电动车建模和仿真分析
Christoph Schramm Wenyong Li ITI GmbH Dresden
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目录
• 动机 • 系统仿真 • NI HiL 试验台，实时模型:
• • • • 电机 蓄电池 悬架, 传动系，转向机构 控制信号解调
• • • •
自动代码生成到 NI VeriStand NI VeriStand, 图形用户界面, 动画 应用案例 总结
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HiL Simulations
• 硬件在线(HiL)仿真
• • • • • 控制器的虚拟现实 不需要实物对象，不会有损坏的危险。 软件开发和控制器测试 可调试性 可重复得测试性
• NI VeriStand
• 实时仿真平台 • 仿真模型和硬件 I/O 连接
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2. 输入 Inputs 3. 输出 Outputs
4. 参数 Parameters 5. 代码生成 6. 编译
DLL
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NI VeriStand 工作空间
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电池模型
• • • • 电池：锂聚合电池 —2400 mAh 基于测试数据的实时模型 长期变化： 放电状态 (SOD) 短期变化： RC-network
红 –仿真结果
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蓝 – 测量数据
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NI HiL Demonstrator
• 电动四轮遥控车 • 缩放比例：1:10 • 实时模型：
• 蓄电池, 电机, 电机控制器 • 传动系统, 转向系统，悬架，轮胎。
• R/C car 和 实时模型使用同一遥控器 • 目标: 实时模型要尽量接近试验车