最近參與了一個(gè)動(dòng)力電池健康狀態(tài)估計(jì)的項(xiàng)目，由于實(shí)驗(yàn)前期需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中電池充放電情況進(jìn)行建模仿真，團(tuán)隊(duì)最終決定使用matlab中的現(xiàn)有模型加以魔改，優(yōu)點(diǎn)是有現(xiàn)成的方案作為參考，不用從頭開(kāi)始對(duì)整車(chē)模型建模，對(duì)于我們不了解也不關(guān)心的參數(shù)，可以直接采用模型中的默認(rèn)值，免去了許多不必要的工作量，但仍無(wú)法避免需要對(duì)模型的整體架構(gòu)、子模塊用途以及參數(shù)有足夠的了解。以下即為本團(tuán)隊(duì)對(duì)于該模型的探究與說(shuō)明。

模型為MathWorks? Simulink示例模型，使用版本為matlab2021b。該模型基于Powertrain Blockset、Simscape搭建。官網(wǎng)地址https://ww2.mathworks.cn/help/autoblks/ug/electric-vehicle-reference-application.html。

模型的總體概述如下：

本模型是純電動(dòng)汽車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)模型，即不包含轉(zhuǎn)向信息；車(chē)體部分采用三自由度縱向動(dòng)力學(xué)模型，單電機(jī)且無(wú)專(zhuān)門(mén)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)模塊。

通過(guò)輸入預(yù)先規(guī)定的工況數(shù)據(jù)（Drive Cycle），駕駛員模型（Longitudinal Driver）將其轉(zhuǎn)換為油門(mén)、剎車(chē)踏板信息，送入整車(chē)控制器（Controllers）轉(zhuǎn)換為電機(jī)扭矩需求、電池充放電情況等，結(jié)合車(chē)輛物理結(jié)構(gòu)建模（Passenger Car）最終輸出為所需的電機(jī)、電池行駛仿真數(shù)據(jù)，從而評(píng)估車(chē)輛的能量利用效率、結(jié)構(gòu)合理性等。

以下為各個(gè)部分的簡(jiǎn)單說(shuō)明介紹。

一、 駕駛工況(駕駛循環(huán)資源Drive Cycle Source)

即車(chē)速與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般可以直接采用標(biāo)準(zhǔn)工況數(shù)據(jù)或MathWorks提供的公開(kāi)數(shù)據(jù)，如電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航里程測(cè)試NEDC（新歐洲駕駛周期）、CLTC（中國(guó)輕型汽車(chē)行駛工況）等。

“NEDC測(cè)試分別由城市駕駛工況和市郊駕駛工況所組成，單次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為1180秒，包括4個(gè)市區(qū)循環(huán)（780秒）和1個(gè)市郊循環(huán)（400秒）。其中測(cè)試的市區(qū)循環(huán)最大車(chē)速50km/h、平均車(chē)速19km/h；市郊循環(huán)最大車(chē)速120km/h，平均車(chē)速62km/h。但該測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)年代比較久遠(yuǎn)，為測(cè)試出更貼近用戶實(shí)際的可續(xù)航里程，考慮到細(xì)節(jié)工況，我國(guó)工信部下達(dá)制定新的工況續(xù)航標(biāo)準(zhǔn)的需求，2019年10月25日，專(zhuān)門(mén)為中國(guó)國(guó)情研發(fā)的《中國(guó)汽車(chē)行駛工況》正式發(fā)布，這一工況標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)稱(chēng)CATC，而CLTC是其中的一部分?；趪?guó)內(nèi)41座城市、3832輛車(chē)型樣本，累計(jì)實(shí)驗(yàn)里程3278萬(wàn)公里，以及20億條GIS交通低頻大數(shù)據(jù)，得出的更加貼合國(guó)內(nèi)道路法規(guī)及駕駛習(xí)慣的標(biāo)準(zhǔn)工況。
CLTC測(cè)試?yán)锍虨?4.48km，包括低速、中速和高速3種工況，分別對(duì)應(yīng)消費(fèi)者日常駕車(chē)時(shí)的城市、郊區(qū)和高速路段的工況。CLTC測(cè)試時(shí)長(zhǎng)1800秒，其中低速工況674秒、中速工況693秒、高速工況433秒。速度上高速工況最高時(shí)速為114km/h，平均車(chē)度28.96km/h。
CLTC的頻繁加減速，符合國(guó)內(nèi)實(shí)際走走停停的情況。而更加頻繁加減速的工況，對(duì)于具有動(dòng)能回收且效率更高的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，非常有利于提升續(xù)航。對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)而言，采用CLTC后，將比NEDC的續(xù)航里程更高?！?/p>

駕駛循環(huán)資源數(shù)據(jù)也可以自定義導(dǎo)入，格式可以為.mat，.xls，.xlsx，.txt。

二、 駕駛員模型(Longitudinal Driver)

駕駛員模型可以根據(jù)反饋的實(shí)際車(chē)速信息跟隨目標(biāo)車(chē)速（即工況中的實(shí)時(shí)車(chē)速信息），給出剎車(chē)/油門(mén)信號(hào)，可采用不同控制類(lèi)型。

本模型中包含了兩個(gè)可選的駕駛員模型，分別為開(kāi)環(huán)模型和閉環(huán)模型，默認(rèn)使用閉環(huán)模型。

“控制類(lèi)型選擇：Control type, cntrlType：Predictive/Scheduled PI/PI。默認(rèn)為Predictive”

開(kāi)環(huán)模型可以自定義油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板信息。

三、 整車(chē)控制器(Controllers)

包含兩個(gè)核心模塊：Powertrain Control Module (PCM)、Battery Management System (BMS)，即動(dòng)力總程模塊以及電池管理系統(tǒng)模塊。動(dòng)力總程模塊即電機(jī)控制器及各算法模塊，如將輸入信號(hào)如踏板信息轉(zhuǎn)化為電機(jī)扭矩需求、電池充放電管理、能量回收管理等。

Powertrain Control Module (PCM)

PCM包括：將油門(mén)信號(hào)轉(zhuǎn)化為扭矩需求模塊（Accel Pedal to Traction Wheel Torque Request）、制動(dòng)踏板轉(zhuǎn)成制動(dòng)扭矩模塊（Brake Pedal to Total Braking Pressure Request）、能量管理模塊（Series Regen Braking）、電池充放電管理模塊（Motor Torque Arbitration and Power Management）等。
油門(mén)信號(hào)轉(zhuǎn)化為扭矩需求模塊：將所有電機(jī)最大扭矩（查表MaxMotTrqVsSpd）乘以加速踏板數(shù)值（百分比數(shù)值）。
制動(dòng)踏板轉(zhuǎn)成制動(dòng)扭矩模塊：將最大制動(dòng)扭矩乘踏板數(shù)值。
能量管理模塊：能量回收、電池充放電功率/電流限制以保證實(shí)際扭矩需求最大值。
具體解釋為：制動(dòng)扭矩BrkPrsReq與電機(jī)提供最大扭矩MotSpd作比較（min）。超出部分由制動(dòng)盤(pán)BrkCmd提供扭矩，未超出部分傳遞給電機(jī)MotTrqCmdRegen用于發(fā)電。
電池充放電管理模塊：電機(jī)輸出功率Mech to Elec Power Estimate，電池充放電功率限制BattPwrDischrgLmt，如果不滿足上下限，根據(jù)上下限反算電機(jī)提供的最大扭矩MotSpd；Torque Limit根據(jù)電機(jī)外特性曲線MaxMotTrqVsSpd決定當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速下能提供的最大扭矩。
*該模塊使用reference model，使相對(duì)獨(dú)立；由于控制器模型需要生成代碼寫(xiě)入電動(dòng)汽車(chē)eco中，故需要使用定步長(zhǎng)fixed-step；

Battery Management System (BMS)

BMS是電池管理系統(tǒng)的一部分，主要用于監(jiān)控、保護(hù)、限制和報(bào)告電池包的測(cè)量結(jié)果。保護(hù)及限制部分并非我們研究的重點(diǎn)，如有需要可以參考這個(gè)視頻https://www.bilibili.com/video/BV1aB4y1w7nj。
State_Machine子模塊定義了BMS的主要運(yùn)行狀態(tài)，使用stateflow工具箱創(chuàng)建。
SOC_Estimation子模塊主要用于精準(zhǔn)估算電池的SOC，是我們研究的重點(diǎn)。需要特別說(shuō)明的是，除此之外在車(chē)輛物理模型（Passenger Car）中的電池包模型（Lithium Ion Battery Pack）同樣具備計(jì)算SOC的功能，但并未被使用，故如果需要調(diào)整模型SOC相關(guān)參數(shù)，需要在BMS模塊中修改。你可以在后面的參數(shù)說(shuō)明部分看到我們團(tuán)隊(duì)在處理該問(wèn)題時(shí)的方案。模塊中包含三種不同的計(jì)算方法用于計(jì)算電池SOC，分別為：庫(kù)侖計(jì)數(shù)、無(wú)跡和拓展卡爾曼濾波器，可以根據(jù)需要自行選擇。
Balancing_Logic子模塊主要用于平衡電池包中各電池的充放電狀態(tài)，否則具有最高/最低SOC的電芯將限制可充入/放出電池組的電荷量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)利用率不足。

四、 車(chē)輛模型（Passenger Car）

車(chē)輛物理模型，包括Electric Plant以及Drivetrain。

Electric Plant中的電池模塊Lithium Ion Battery Pack，即根據(jù)查表法建立的簡(jiǎn)單電池包模型，根據(jù)廠商提供的不同溫度放電曲線（ocv-soc曲線、電池內(nèi)阻曲線），對(duì)電流對(duì)時(shí)間積分得出soc狀態(tài)（沒(méi)有被使用）；恒流放電，不考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)（阻抗 伴隨 電荷轉(zhuǎn)移/擴(kuò)散 快速/慢速相應(yīng)混合）。

Electric Plant中的電機(jī)模塊Motor由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的map圖模型MotGenEvMapped基于電機(jī)外特性扭矩功率查表曲線，數(shù)據(jù)來(lái)自穩(wěn)定工況，沒(méi)有體現(xiàn)動(dòng)態(tài)相應(yīng)（震蕩）；更精確的模型MotGenEvDynamic對(duì)電池電機(jī)容量選型整車(chē)能量分配進(jìn)行測(cè)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，基于物理原理（詳細(xì)解釋?zhuān)?；扭矩輸入MotTrqCmd轉(zhuǎn)速輸入MotSpd，扭矩輸出MotTrq。

Drivetrain即機(jī)械模塊，電機(jī)扭矩輸出依次連接到旋轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量阻尼模塊，再傳到主減速器Differential and Compliance，可改前、后、全輪驅(qū)動(dòng)模式，主減速器模塊Differential使用blockset中自帶的主減速器（參數(shù)需要設(shè)計(jì)）；車(chē)輪和剎車(chē)部分Wheels and Brakes；車(chē)體部分Vehicle縱向動(dòng)力學(xué)車(chē)體模型Vehicle Body 3 DOF Longitudinal。

參數(shù)修改說(shuō)明：

由于團(tuán)隊(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求輸出步長(zhǎng)固定且盡可能大的仿真數(shù)據(jù)，故需要將模型由原本的變步長(zhǎng)求解改為定步長(zhǎng)求解，并根據(jù)需要修改部分關(guān)鍵參數(shù)，可供參考。

首先需要修改模型電池包參數(shù)，在EvReferenceApplication/Passenger Car/Electric Plant/Powertrain Blockset/Battery (BattEv)/ Lithium Ion Battery Pack中修改電池單元的額定容量、并聯(lián)串聯(lián)電池單元數(shù)。其中BattChargeMax即為電池單元額定容量，而B(niǎo)attCapInit則為仿真開(kāi)始時(shí)的初始電池單元容量，但令人費(fèi)解的是，修改這兩個(gè)參數(shù)并不能改變電池的初始SOC，若需要修改，需要在BMS中調(diào)整BattSocInit參數(shù)。另外串聯(lián)電池單元數(shù)Ns同樣不能簡(jiǎn)單的在此處更改，需要同時(shí)修改BMS以及模型其他位置的參數(shù)。Em、 RInt即為ocv-soc曲線和電池內(nèi)阻曲線，需要修改為自己電池對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)以便求解過(guò)程中查表模擬，否則仿真出的結(jié)果將無(wú)效。BMS中對(duì)應(yīng)需要調(diào)整的參數(shù)包括Np_Module、Ns_Module、NumModules，另外本模型仿真過(guò)程中溫度恒定，如需修改，則需要調(diào)整BattTempInit及環(huán)境（Environment）中的參數(shù)。需要說(shuō)明的是，這些參數(shù)主要影響仿真結(jié)果中的電池SOC情況，對(duì)電機(jī)輸出功率（即電池充放電功率）幾乎不造成影響。

我們采用的工況數(shù)據(jù)為CLTC-P標(biāo)準(zhǔn)工況，修改時(shí)注意單位km/h或m/s。

為實(shí)現(xiàn)定步長(zhǎng)求解，需要對(duì)模型及各子模塊進(jìn)行調(diào)整，具體解決方案如下：

直接將模型求解器修改為定步長(zhǎng)，編譯出錯(cuò)，報(bào)錯(cuò)原因可能為子模型不是定步長(zhǎng)。嘗試將子模型修改為定步長(zhǎng)。

• EvReferenceApplication/Passenger Car/Drivetrain (DrivetrainEv)單獨(dú)設(shè)置為定步長(zhǎng)。EV36 – 副本\VDD\Plant\DrivetrainEv.slx

• EvReferenceApplication/Passenger Car/Electric Plant/Powertrain Blockset/Battery (BattEv) 單獨(dú)設(shè)置為定步長(zhǎng)。EV36 – 副本\EV\Plant\BattEv.slx

• EvReferenceApplication/Passenger Car/Electric Plant/Powertrain Blockset/Motor/MotGenEvMapped (MotGenEvMapped) 單獨(dú)設(shè)置為定步長(zhǎng)。EV36 – 副本\EV\Plant\ MotGenEvMapped.slx

• 編譯出錯(cuò)，報(bào)錯(cuò)原因?yàn)椴介L(zhǎng)設(shè)定值無(wú)效，不是子模型設(shè)定步長(zhǎng)的整倍數(shù)。減小步長(zhǎng)。

• 編譯出錯(cuò)，報(bào)錯(cuò)原因可能為子模型未勾選“將每個(gè)離散速率視為單獨(dú)任務(wù)”。嘗試勾選。

• EvReferenceApplication/Controllers/Powertrain Control Module (PCM)/Battery Management System (BMS) (BMS_Software)勾選 將每個(gè)離散速率視為單獨(dú)任務(wù)。

• EvReferenceApplication/Controllers/Powertrain Control Module (PCM)/Battery Management System (BMS) (BMS_Software)/BMS_Out (BMS_Out) 勾選 將每個(gè)離散速率視為單獨(dú)任務(wù)。

編譯通過(guò)。

運(yùn)行出錯(cuò)，報(bào)錯(cuò)原因?yàn)檩喬ゼ皠x車(chē)模型中內(nèi)部積分器Integrator在某時(shí)刻輸入值不是一個(gè)有限值（at time 0.1 is not finite）。出現(xiàn)此問(wèn)題說(shuō)明該步長(zhǎng)下，模型已出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況（即模型震蕩發(fā)散，步長(zhǎng)過(guò)大導(dǎo)致模型趨于離散，在高增益的子系統(tǒng)部分模型不穩(wěn)定），嘗試減小步長(zhǎng)。

運(yùn)行通過(guò)。

繼續(xù)降低步長(zhǎng)至0.001，需要同步修改以下子模型的步長(zhǎng)。

• EvReferenceApplication/Passenger Car/Electric Plant/Powertrain Blockset/Motor/MotGenEvMapped

• EvReferenceApplication/Passenger Car/Electric Plant/Powertrain Blockset/Battery

• EvReferenceApplication/Controllers/Powertrain Control Module (PCM)

修改以上子模型，運(yùn)行通過(guò)。

另外，若將步長(zhǎng)調(diào)整為大于等于0.001s，需要使用隱式求解器，且逐漸降低外插階數(shù)以避免模型發(fā)散問(wèn)題。若將步長(zhǎng)調(diào)整為大于0.1s，需要額外調(diào)整BMS中的參數(shù)采樣時(shí)間間隔，較為麻煩，且由于駕駛員模型中規(guī)定工況采樣時(shí)間最低為0.5s，為保證不報(bào)錯(cuò)需要使模型總步長(zhǎng)能將0.5整除，如0.1、0.125、0.25。

最后，為確保仿真結(jié)果精度，我們嘗試以變步長(zhǎng)得到的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將電池充放電功率積分以得到電池能量變化曲線，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)定步長(zhǎng)求解時(shí)步長(zhǎng)不大于0.05s求解精度較高，誤差低于1%；0.1s時(shí)誤差達(dá)到6.56%；0.125s時(shí)誤差高達(dá)184.72%，已不可用。解決方案為對(duì)0.001s的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)重采樣，但該方法并不嚴(yán)謹(jǐn)，僅供參考。

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