基于AMESim-simulink联合的纯电动汽车动力电池仿真研究

基于AMESim-simulink联合的纯电动汽车动力电池仿真研究

提示：本文按照作者的个人见解完成，不代表观点的正确；如有侵权，请联系作者删除。

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前言

提示：本文的仿真在AMESim2020，MATLAB2020b环境下完成，编译器版本为VS2019 community。
本文利用了AMESim中自带的电动汽车模型，在MATLAB simulink中搭建simscape的电池包模型替换AMESim中原有电池以实现联合仿真。

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一、AMESim电动汽车模型

电动汽车模型在AMESim中有已经建模完成的库，本文选取的模型可以通过以下路径打开：Help——Demo help——Solutions——Automotive——Hybrid & Electric vehicle integration——Electric vehicle——Architecture variants based on IFP-Drive components——Electric vehicle (based on IFP-Drive components)
该模型主要用于对电动汽车不同标准工况下的性能分析。在模型的Help文件中指出模型中的VCU可以对驾驶员的加速、制动命令做出反馈，可以实现制动能量回收将电动机作为发电机给电池组充电。

图2展示了在NEDC工况下一些变量的仿真结果，曲线表明车速的变化与预期工况的设置基本吻合，代表模型的驾驶员设置是合适的。

图3的曲线代表了SOC的变化，当电机作为电动机运转时SOC减小，当发生再生制动时SOC增大。
从SOC变化与行驶里程的关系可以估算SOC从90%到10%变化时对应的续驶里程，本例中车辆续驶里程约为133km，这一数值由后处理模块计算得出。


图4的第一张图片表示车速与VCU设定阈值的关系，当车速低于VCU阈值下界时，再生制动不启动；当车速高于VCU阈值上界时再生制动启动。
第二张图片表示电池实际SOC与VCU中SOC阈值的关系，当实际SOC低于阈值下界时再生制动启动，这是为了防止在高SOC下再生制动能量对电池过充，影响使用寿命。
第三张图片中1表示再生制动被触发，0表示未触发。
下面两张图是AMESim中VCU的帮助文档，该元件共有9个接口，接口定义如下。


下图是再生制动的4种控制策略，图中X轴为驾驶员施加到制动踏板的力矩，Y轴为输出的制动力矩，红色曲线为电机作为发电机反拖的制动力矩，蓝色曲线为车辆自身利用制动系统提供的制动力矩。模型中默认选择的是第二种定比例分配策略，即电机和制动系统共同以一定比例提供制动力矩，当达到一定数值时电机提供的制动力矩维持为常数。

下图是用来确定再生制动是否触发的四个参数及其物理意义，即VCU的4、5、6、7接口控制量。


下图5第一张图中红色曲线表示需求的制动力矩，蓝色曲线表示制动系统提供的制动力矩。在仿真开始时由于SOC过高再生制动没有被触发，因此车辆完全依靠制动系统刹车（红色和蓝色曲线重合），当SOC逐渐降低时，再生制动触发，电机被用来刹车的同时给电池充电，此时红色和蓝色曲线不重合。在图二可以看到制动力矩的比例为：制动系统/电机再生制动=60%/40% 。

图6中代表了电机转矩在变化，蓝色虚线表示VCU提供的电机的需求转矩数值，红色实线表示电机实际的转矩，可以看出两条线并非完全重合，这是因为电机有一定的动态特性。在仿真开始时，电机转矩为正值或0，当再生制动触发时，开始出现负值。第二张图表示电机转速，其与车速相关。

下图展示了车辆行驶过程中电机的工作点变化，基于工作点运行区间可以优化电机性能。

最后一张图展示了制动比例的分配，图中红线为电机再生制动的扭矩，蓝色是制动系统的扭矩。

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二、AMESim电池模型

1.AMESim自带电池模型

下图是该电池的接口物理意义。该电池模型可以利用查表法标定电池的开路电压和内阻，同时可以将电池热效应考虑在内，这种电池由串联或并联的单体组成。

SOC在这里有两种模式，一种是计算的，一种是不计算的。
对于SOC的计算需要知道电池的初始SOC和额定容量，这也是电池能够传输的最大容量。当电池满电时有5种选择：

1. 忽略：SOC不受限制，即使满电仍然无限增加。
2. 警告：如果SOC到达阈值，会有警告被提出。
3. 停止仿真：如果SOC到达阈值，仿真停止。
4. 饱和：如果SOC到达阈值会进入饱和状态，多余能量被热量耗散。
5. 降级充电：如果SOC到达低阈值，充电效率会降低；如果SOC到达高阈值，充电效率会变为0，额外的能量被热量耗散。

当电池全放电状态有4种选择：

1. 忽略：SOC不受限制，电池继续放电SOC无限减小。
2. 警告：如果SOC到达阈值，会有警告被提出。
3. 停止仿真：如果SOC到达阈值，仿真停止。
4. 饱和：如果SOC到达阈值会进入饱和状态，此时模型将自己产生能量。

本例中车辆模型初始的电池参数为：
初始SOC——90% 额定容量——65Ah 成组方式——240串1并 SOC计算——忽略/忽略
下面开始搭建AMESim和simulink联合仿真使用的动力电池模型。

2.AMESim-simulink联合仿真电池模型

在sketch模式下选择interfaces——create interface block，在弹窗内输入以下信息即完成一个模拟动力电池模块的建立。

之后需要补充一些元件完成联合仿真纯电动汽车模型的建立。

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三、simulink动力电池模型

在simulink中搭建动力电池模型可以利用simscape更快实现，因为simscape是系统仿真模拟器，其元件本身即具有物理意义。在本文中搭建的模型为等效电路模型（戴维宁模型），其中需要标定的元件为欧姆内阻、极化内阻、极化电容还有电压源，根据自身需求还可扩展出高阶等效电路模型，或引入温度影响进行二维查表的参数标定。本文搭建的单体模型如下：

电池的成组方式有很多，基本是对单体的串并联做排列组合。在实际应用中，串并联所需的线束或连接片的电阻值也需要考虑，但这里为了简化模型，仅考虑单体的串并联，即：

电池包总电压=单体电压×串联数
电池包总电流=单体电流×并联数

在本文建立的模型中先对单体进行串联（本文79串）：

最后做电池的并联（本文32并），并与AMESim模型连接。

关于其中带AMESim模块的选择，可在simulink——library browser——Simcenter Amesim Interfaces——AME2SLCoSim找到，将模块拖入simulink界面中双击选择AMESim模型的路径可以自动连接，并产生已设定好的接口。

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四、AMESim-simulink联合仿真

截止目前，仿真所需要的模型已经建立完毕。首先在AMESim中顺次点击sketch——submodel——parameter——simulation，模型会自动编译，如出现下图则编译成功。

在simulink文件中，设定好仿真时长后可以run建立好的模型，出现warning一般可以忽略，只要仿真能运行完成即可。最后在AMESim和simulink中都可以查看需要的结果。下图是AMESim和simulink中电池电流在NEDC工况下的变化。

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总结

AMESim和simulink的联合仿真有以下几点需要注意：

1. 改变AMESim的元件需要注意接口的物理意义。
2. 可以提前分别在两个软件中运行模型和控制策略，否则一旦出错很难确定问题出现在哪一边。