基于GCAir和GCKontrol的电动汽车动力性及经济性建模与仿真
一、摘要
图1 采用三合一驱动总成的EV架构
| 参数名 | 符号 | 单位 | 参数值 |
| 整备质量 | 1450 | ||
| 试验质量 | 1675 | ||
| 满载质量 | 1900 | ||
| 轴距 | 2610 | ||
| 质心距后轴距离 | 1435 | ||
| 满载时整车质心高度 | 460 | ||
| 轮胎滚动半径 | 0.308 | ||
| 滚动阻力系数 | -- | 0.012 | |
| 空气阻力系数 | -- | 0.32 | |
| 迎风面积 | 2.11 | ||
| 整车加速质量系数 | -- | 1.05 |
| 参数名 | 符号 | 单位 | 参数值 |
最高车速 | |||
0-100km/h 加速性能 | |||
NEDC 循环工况电耗 | |||
等速 60km/h 续航里程 |
—— 汽车在平直路面的最大车速。 —— 为汽车在 α 坡度上的最大车速。 ——为汽车在 时间段内，在水平路面上从 加速的末速度。
—— 电机最大转速，单位 —— 传动系的传动比 —— 最高车速，单位
—— 电机额定转速，单位 —— 传动系的传动比 —— 车辆的经济车速，城市用乘用车一般取
——电池组容量 Ah。 ——电池组额定电压 V。 ——车辆使用过程中动力电池的放电上限，一般取 90%。 ——车辆使用过程中动力电池的放电下限，一般取 10%。
——电池的最大放电倍率，属于电芯的固有特性。本示例取 。 ——电池组额定电压，根据电机额定电压进行匹配。 ——电机消耗的峰值功率。 ——车辆附件消耗的功率。一般为3~5kW。
驾驶员模型实现车速控制，激励加速踏板、制动踏板和输出档位信息。
驾驶员模型的主体是一个PID控制器，将输入的实际车速和期望车速进行比较，对加速踏板或制动踏板输出指令，实现车速跟随。
输入：实际车速，NEDC工况下的期望车速。
输出：加速踏板开度，制动踏板开度。加速踏板和制动踏板开度取值范围 [0,1]，表示踏板踩下的深度从0%到100%的行程状态。
整车控制器的功能是接收驾驶员的操作命令，判断车辆运行状态，检测相关部件状态，根据控制算法，输出控制信号到执行部件，以实现特定操作。
输入：加速踏板，制动踏板信号，SOC，电机转速，母线电压，车速，降额系数。
输出：电机需求扭矩，机械制动需求扭矩。
电机需求扭矩最大值不能超过电机外特性，并且电机外特性受母线电压影响。
SOC过低时应对电机驱动功率做降额处理，避免动力电池过放。
车速较低时限制电机制动回馈功率。
当制动扭矩需求值大于电机可提供的再生制动扭矩时，不足的部分由机械制动系统提供。
基于二阶RC等效电路建立动力电池模型。 输出动力电池荷电状态（SOC）及电池组电压。
3.4三合一驱动总成建模
此部分建立FOC（矢量控制）与PMSM（永磁三相同步电机）的模型。
FOC全称为（field-oriented control）又称为磁场定向技术。通过坐标变换，把交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，将电机定子电流矢量正交分解为与磁场方向一致的激磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量，通过对激磁电流分量和转矩电流分量分别控制，使得交流电机能像他励直流电机一样控制。矢量控制是基础是坐标变换。
图7 FOC（矢量控制） PMSM（永磁三相同步电机）的模型
固定速比的单级减速器，不考虑其效率和转动惯量，传动比为 i。
图8 单级减速器模型
3.5车身纵向动力学建模
以前驱配置为例，根据重心位置以及纵向加速度计算前后轴上的受力情况。
图9 汽车纵向动力学示意图
式中：
——前轮轴合力； ——后轮轴合力； ——重力加速度； ——车辆质量； ——车辆尺寸信息； ——车辆重心位置。
车身所受气动阻力可表示为：
式中：
——启动阻力； ——空气密度； ——车速； ——空气阻力系数； ——车辆迎风面积。
图10 GCKontrol纵向动力学模型
我们把“图2.整车动力系统模型”中的整体模型按照驾驶员（Driver），整车控制器（VCU），动力电池（Battery），电机及减速器（Motor），车辆纵向动力学（Vehicle），性能分析（Performance Analysis）单独保存为GCKontrol工程。
对每个模块的GCKontrol工程导出FMU文件。以驾驶员模块为例，首先点击工具栏的“生成FMU”图标。
图11 点击“生成FMU”图标
在弹出的“导出FMU”界面中，选中“FMU配置”界面。勾选“FMU是否包含源码”，平台支持勾选“Win64”和“Win32”。
图12 FMU配置
Global参数界面中，选择需要被调试修改的控制参数。
图13 Global参数
Block参数可以选择希望观测的模块参数，例如积分模块的初始值，复位信号，上下限等。
图14 Block参数
需要观测的内部信号，可以在Local参数页面中选择。
图15 Local参数
FMU配置完毕后，点击右下角的“确定”，弹出“正在导出FMU”的弹窗。此过程请耐心等待。
图16 导出FMU
出现下图弹窗时，说明FMU文件被成功导出了。
图17 FMU导出成功弹窗
在.gck工程文件根目录下，会出现一个前缀为fmu_，与gck文件同名的.fmu格式文件，即为导出的FMU。
图18 导出的FMU文件
至此，驾驶员模块的FMU文件就导出成功了。接下来，用同样的方法，把其他模块的FMU全部导出。
GCAir是一个集成，仿真与测试验证一体化平台，国产化控制系统开发和验证解决方案，从全虚拟仿真到半实物实时仿真。在MBSE思想的技术路线中，半实物仿真是产品开发过程中的一个关键节点。利用实装产品部件逐一替换相应数字仿真模型，进行实装产品参与的系统半实物闭环仿真，逐步对各实装产品部件进行仿真验证和诊断评估，最终实现全部为实装产品部件闭环的系统集成验证。
为了后续适配半实物仿真工作，我们把经过GCKontrol仿真验证后的工程拆分为几个功能模块，分别导出为FMU文件，集成为一个GCAir工程。
图19 GCAir半实物仿真平台
图20 GCAir子系统设置为被测硬件
上图红框中的子系统为一个GCAir中的被测硬件（由一个与要被替代的实物模型构造的子系统，子系统内部构成与实物模型逻辑一致），可替代一个真实的物理模型。
当某个子系统被设置为被测硬件时，它就是被测硬件，其内部的虚拟模型不再参与仿真。
5.1GCAir配置CAN总线
新建一个GCAir工程，各功能模块之间采用CAN总线通讯。根据GCK工程中，各模块的输入输出关系，转化为整车CAN网络架构信息，并在GCAir工程中进行配置。
在GCAir中创建CAN总线的步骤：
在右侧工具栏“模型库”中选“ICD”。 点击“总线 ”，弹出“新建总线”弹窗。 总线类型，我们选CAN。 所属库，选择当前工程使用的库。 修改好总线命名后，点击“确认”，在ICD栏对应库的总线层级下出现刚才建好的总线图标。
图21 GCAir中创建CAN总线
选中ICD栏中刚刚新建的总线，右键选“编辑信息”，进入“总线管理”的界面。在“基本属性”栏，我们可以修改总线名称和颜色。
图22 设置CAN总线属性
总线设置栏，可以配置CAN总线波特率，一般为500kb/s。如果不是专门测试CAN总线的性能，仿真测试中我们不开启CRC校验。
图23 总线设置
报文信号界面，左侧可以新建报文，右侧配置报文对应的信号。
图24 报文信号
报文节点中配置每条报文的发送节点和接收节点。
图25 报文节点
5.2GCAir导入FMU并配置CAN节点
在右侧模型库中点击“子系统 ”弹出“新建子系统”页面。在基本信息中修改“子系统名称”为Driver，选择当前使用的库EV_Analysis。
图26 建立驾驶员子系统
在“ICD配置”页面，配置当前子系统在CAN总线DBC中对应的节点。
图27 CAN-ICD配置
确定后，在GCAir系统页面下，出现建立好的Driver子系统。
进入子系统内部。
5.3GCAir中子系统连接
首先进入子系统内部，点击右侧状态栏的“FMU”图标，按照导引导入驾驶员模块的FMU文件。并把子系统的输入输出端口连接到FMU的输入输出端口。
图28 驾驶员模块的FMU导入和端口连接
把所有功能模块的FMU全部导入GCAir工程后，按照报文节点收发关系，连接各子系统。
图29 子系统连接
5.4仿真结果
因为基础工程全部用GCKontrol搭建，然后集成到GCAir，因此我们可以得到GCKontrol和GCAir的仿真曲线如下，两者仿真结果一致。
图30 GCAir动力性仿真结果-车速/踏板开度/电机扭矩/电机转速
图31 GCKontrol动力性仿真结果-车速/踏板开度/电机转速/电机扭矩
图32 GCAir动力性仿真结果-SOC/母线电流/母线电压/电机功率
图33 GCKontrol动力性仿真结果-SOC/母线电流/母线电压/电机功率
图34 GCAir经济性仿真结果-车速/踏板开度/电机转速/电机扭矩
图35 GCKontrol经济性仿真结果-车速/踏板开度/电机转速/电机扭矩
图36 GCAir经济性仿真结果-NEDC里程/功率/百公里电耗
图37 GCKontrol经济性仿真结果-NEDC里程/功率/百公里电耗
本文基于纯电动汽车动力性和经济性仿真过程，介绍了国产系统仿真测试验证一体化平台GCAir和系统设计与仿真软件GCKontrol的特性和使用方法。通过GCKontrol和GCAir工具链的配合，很好的支持汽车行业V流程开发。
图38 GCAir和GCKontrol在V开发流程中的应用场景
