手把手教你学simulink实例--电动汽车场景实例（102.25）：基于Simulink的电动汽车动力总成系统仿真与优化
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项目文档：基于Simulink的电动汽车动力总成系统仿真与优化
1. 背景介绍
1.1 项目背景
1.2 系统描述
1.3 应用场景
2. 系统架构设计
2.1 系统框图
3. Simulink仿真模型步骤
3.1 创建Simulink模型
3.2 添加模块
3.2.1 电池模块
3.2.2 电机控制器模块
3.2.3 驱动电机模块
3.2.4 变速器模块
3.2.5 整车控制器模块
3.3 连接模块
3.4 设置仿真参数
4. 示例代码片段
5. 结束语
6. 优化与扩展方向
6.1 动力总成参数优化
6.2 能量管理策略改进
6.3 热管理系统集成
6.4 故障诊断与预测维护功能添加
6.5 用户交互界面开发
项目文档：基于Simulink的电动汽车动力总成系统仿真与优化
1. 背景介绍
1.1 项目背景
随着世界范围内的环保与可持续发展日益增长的趋势所推动
本项目采用MATLAB/Simulink平台构建了一个完整的电动汽车动力总成系统模型，并通过仿真验证了其功能与性能特征。主要致力于优化动力总成系统的控制策略以提升车辆的整体性能。
1.2 系统描述
电动汽车动力总成系统主要由以下部分组成：
- 电池模块 ：负责储存电能并影响车辆续航能力
- 电机控制器模块 ：依据驾驶需求与电池状态发送控制信号至驱动电机
- 驱动电机模块 ：利用电能产生机械动力来推动车辆运行
- 变速器模块 ：控制电机转速与扭矩以适应不同工作状况的需求
- 整车控制器模块 ：全面协调各子系统的运作以实现能量分配与动力输出的有效管理
旨在利用建立模型并进行仿真分析的方法来优化控制策略以提高动力系统性能从而改善车辆的动力性和经济性
1.3 应用场景
- 日常短途交通需求可通过城市通勤模式来实现。
- 通过高速巡航技术实现车辆的连续长距离行驶，并显著提升续航里程。
- 动态驾驶技术能够应对车辆的加速操作及上坡路段的挑战。
2. 系统架构设计
2.1 系统框图
整个系统可以分为以下几个模块：
- 电池模块：主要承担能量存储与供能的任务。
- 电机控制器模块：负责向驱动电机发送控制指令。
- 驱动电机模块：实现电能向机械能的转换过程。
- 变速器模块：负责调节输出转速与扭矩参数。
- 整车控制器模块：全面协调管理各子系统的运行情况。
系统框图如下所示：
深色版本
电池 → [电机控制器模块] → [驱动电机模块] → [变速器模块] → 动力输出
↓ ↑
能量管理 控制指令3. Simulink仿真模型步骤
3.1 创建Simulink模型
- 启动MATLAB并创建一个新的Simulink模型文件。
- 将模型的名称设置为
EV_Powertrain.
matlab
深色版本
modelName = 'EV_Powertrain';
new_system(modelName);
open_system(modelName);3.2 添加模块
3.2.1 电池模块
定义电池模型，模拟电池的充放电特性。
matlab
深色版本
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Battery']);
set_param([modelName '/Battery'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Battery'], 'MaskDisplay', 'Battery');
% 在Matlab Function中定义电池模型
function [voltage, soc] = fcn(current, soc_prev)
% 参数定义
dt = 0.1; % 时间步长 (s)
nominal_voltage = 400; % 额定电压 (V)
capacity = 60; % 电池容量 (kWh)
% 计算电压
voltage = nominal_voltage - 0.01 * abs(current); % 简化模型
% 更新SOC
energy_consumption = current * voltage * dt / 3600; % 能量消耗 (kWh)
soc = soc_prev - energy_consumption / capacity;
end3.2.2 电机控制器模块
实现电机控制逻辑，采用矢量控制或直接转矩控制。
matlab
深色版本
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Motor_Controller']);
set_param([modelName '/Motor_Controller'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Motor_Controller'], 'MaskDisplay', 'Motor Controller');
% 在Matlab Function中定义电机控制器模型
function [torque_ref] = fcn(speed_ref, speed_actual, torque_actual)
% 参数定义
kp_speed = 1; ki_speed = 0.1; kd_speed = 0.5; % 速度控制器增益
% 速度控制
speed_error = speed_ref - speed_actual;
torque_ref = kp_speed * speed_error + ki_speed * integral(speed_error) + kd_speed * derivative(speed_error);
end3.2.3 驱动电机模块
定义电机的动力学模型，模拟其输出特性。
matlab
深色版本
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Motor']);
set_param([modelName '/Motor'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Motor'], 'MaskDisplay', 'Motor');
% 在Matlab Function中定义电机模型
function [speed, torque] = fcn(torque_ref, load_torque, speed_prev)
% 参数定义
dt = 0.01; % 时间步长 (s)
inertia = 0.5; % 转子惯量 (kg·m²)
% 动力学方程
acceleration = (torque_ref - load_torque) / inertia;
speed = speed_prev + acceleration * dt;
torque = torque_ref; % 假设电机能够完全跟踪参考值
end3.2.4 变速器模块
定义变速器模型，调节输出转速和扭矩。
matlab
深色版本
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Transmission']);
set_param([modelName '/Transmission'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Transmission'], 'MaskDisplay', 'Transmission');
% 在Matlab Function中定义变速器模型
function [wheel_speed, wheel_torque] = fcn(motor_speed, motor_torque, gear_ratio)
% 参数定义
gear_efficiency = 0.95; % 变速器效率
% 输出计算
wheel_speed = motor_speed / gear_ratio;
wheel_torque = motor_torque * gear_ratio * gear_efficiency;
end3.2.5 整车控制器模块
综合管理各子系统，协调能量分配和动力输出。
matlab
深色版本
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Vehicle_Controller']);
set_param([modelName '/Vehicle_Controller'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Vehicle_Controller'], 'MaskDisplay', 'Vehicle Controller');
% 在Matlab Function中定义整车控制器模型
function [speed_ref, gear_ratio] = fcn(driver_input, vehicle_speed)
% 参数定义
max_speed = 120; % 最大车速 (km/h)
min_gear_ratio = 1; max_gear_ratio = 5; % 变速器挡位范围
% 速度参考
speed_ref = driver_input * max_speed;
% 挡位选择
if vehicle_speed < 40
gear_ratio = max_gear_ratio;
elseif vehicle_speed >= 80
gear_ratio = min_gear_ratio;
else
gear_ratio = interp1([40, 80], [max_gear_ratio, min_gear_ratio], vehicle_speed);
end
end3.3 连接模块
将各个模块按照系统框图连接起来。
matlab
深色版本
% 连接整车控制器模块到电机控制器模块
add_line(modelName, '/Vehicle_Controller/1', '/Motor_Controller/1', 'autorouting', 'on');
% 连接电机控制器模块到驱动电机模块
add_line(modelName, '/Motor_Controller/1', '/Motor/1', 'autorouting', 'on');
% 连接驱动电机模块到变速器模块
add_line(modelName, '/Motor/1', '/Transmission/1', 'autorouting', 'on');
% 连接变速器模块到整车控制器模块
add_line(modelName, '/Transmission/1', '/Vehicle_Controller/2', 'autorouting', 'on');
% 连接电池模块到电机控制器模块
add_line(modelName, '/Battery/1', '/Motor_Controller/2', 'autorouting', 'on');3.4 设置仿真参数
设置仿真时间为60秒。
matlab
深色版本
set_param(modelName, 'StopTime', '60'); % 设置仿真时间为60秒
save_system(modelName); % 保存模型4. 示例代码片段
以下是一个完整的基于Simulink的电动汽车动力总成系统仿真过程。
matlab
深色版本
% Step 1: Define model name and create a new system
modelName = 'EV_Powertrain';
new_system(modelName);
open_system(modelName);
% Step 2: Add Battery Module
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Battery']);
set_param([modelName '/Battery'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Battery'], 'MaskDisplay', 'Battery');
% 在Matlab Function中定义电池模型
function [voltage, soc] = fcn(current, soc_prev)
dt = 0.1;
nominal_voltage = 400;
capacity = 60;
voltage = nominal_voltage - 0.01 * abs(current);
energy_consumption = current * voltage * dt / 3600;
soc = soc_prev - energy_consumption / capacity;
end
% Step 3: Add Motor Controller Module
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Motor_Controller']);
set_param([modelName '/Motor_Controller'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Motor_Controller'], 'MaskDisplay', 'Motor Controller');
% 在Matlab Function中定义电机控制器模型
function [torque_ref] = fcn(speed_ref, speed_actual, torque_actual)
kp_speed = 1; ki_speed = 0.1; kd_speed = 0.5;
speed_error = speed_ref - speed_actual;
torque_ref = kp_speed * speed_error + ki_speed * integral(speed_error) + kd_speed * derivative(speed_error);
end
% Step 4: Add Motor Module
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Motor']);
set_param([modelName '/Motor'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Motor'], 'MaskDisplay', 'Motor');
% 在Matlab Function中定义电机模型
function [speed, torque] = fcn(torque_ref, load_torque, speed_prev)
dt = 0.01;
inertia = 0.5;
acceleration = (torque_ref - load_torque) / inertia;
speed = speed_prev + acceleration * dt;
torque = torque_ref;
end
% Step 5: Add Transmission Module
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Transmission']);
set_param([modelName '/Transmission'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Transmission'], 'MaskDisplay', 'Transmission');
% 在Matlab Function中定义变速器模型
function [wheel_speed, wheel_torque] = fcn(motor_speed, motor_torque, gear_ratio)
gear_efficiency = 0.95;
wheel_speed = motor_speed / gear_ratio;
wheel_torque = motor_torque * gear_ratio * gear_efficiency;
end
% Step 6: Add Vehicle Controller Module
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Vehicle_Controller']);
set_param([modelName '/Vehicle_Controller'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Vehicle_Controller'], 'MaskDisplay', 'Vehicle Controller');
% 在Matlab Function中定义整车控制器模型
function [speed_ref, gear_ratio] = fcn(driver_input, vehicle_speed)
max_speed = 120;
min_gear_ratio = 1; max_gear_ratio = 5;
speed_ref = driver_input * max_speed;
if vehicle_speed < 40
gear_ratio = max_gear_ratio;
elseif vehicle_speed >= 80
gear_ratio = min_gear_ratio;
else
gear_ratio = interp1([40, 80], [max_gear_ratio, min_gear_ratio], vehicle_speed);
end
end
% Step 7: Connect Blocks
add_line(modelName, '/Vehicle_Controller/1', '/Motor_Controller/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Motor_Controller/1', '/Motor/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Motor/1', '/Transmission/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Transmission/1', '/Vehicle_Controller/2', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Battery/1', '/Motor_Controller/2', 'autorouting', 'on');
% Step 8: Set Simulation Parameters
set_param(modelName, 'StopTime', '60');
save_system(modelName);5. 结束语
本项目文档全面介绍了基于Simulink平台构建了电动汽车动力总成系统的方案，并通过仿真验证了该系统的功能与性能指标。文中希望通过这一示例能够帮助读者深入理解相关技术原理，并在实际工程应用中获得有益的技术参考。如果需要进一步优化设计细节或扩展系统功能，则可以根据具体应用场景进行相应调整和完善。
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