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电动汽车仿真软件PSAT的应用


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2 0 0 3( 1 2) 总 1 7 2 轻 型 汽 车技 术 

技 术 纵 横  1 7  

电动汽车仿真软件P S AT 的应用 
张 翔 赵 韩 钱 立 军  张 炳 力 六  

摘 

要 

本 文介 绍 了应 用 电 动 汽 车 仿 真 软 件 P S AT   5 . 1 对 日本 丰 田公 司 的 混 合 动 力轿 车P i f u s 的  仿 真 技 术 , 它 包括 分 析 P S AT采 用 前 向仿 真 方 法 对P i f u s 的 建模 过 程 , P i f u s 轿 车 的 动 力 系统 

结 构 和 仿 真 参数 。最 后 给 出 了仿 真 结果 , 并 进 行 了具 体 分 析 。该 文 能 为企 业设 计 混 合 动 力  轿 车提 供 参 考 。   叙词 : 电动 汽 车 混合动力汽车 仿真 

1 引  言 
PS A T是 美 国 A r g o n n e 国 家 实 验 室 开 发 的 电 动 

S i r n u l i n k 环 境 中 的顶 级 模 型 。 P r ms 模型分为驾驶 员 、   控制 器 ( C o n t r o l l e r ) 、 部 件 控 制单 元 ( Co mp o n e n t  
Co n t r o 1   U n i t s) 和 动力 系统 ( P o we r t r a m .   Mo d e 1 ) 四 

汽 车 仿 真 软件 ,它 在 Ma t hb  ̄和 S   i mu l i n k  ̄ 软 件 环  境 下 运 行 。本 文 将 介 绍 应用 P S A T5 , 1 的试 用 版 本 对  日本 丰 田公 司 的 混 合 动 力 轿 车 P r i u s 进 行 建 模 与 仿 
真 的研 究 工作 。  

个模块 。其 中驾驶员模块根据道路循环 的请求速度  和 汽 车 实 际速 度 , 使 用 比例 积 分 PI 控制器 , 计 算 出对  
车轮 的驱 动 扭 矩 。 控制器模块主要包括 控制策略 , 它  分为 驱动 ( P r o p e l l i n g)、制 动 ( B r a k ng) i 、换 档 

2 混合 动力 轿 车 P r i u s 介 绍 
混 合 动 力 轿 车 Pf i u s 采用汽油机 、 电 动 机 和 发 电  机 三 种 动 力 源 驱 动 ,通 过 行 星 齿 轮 分 配各 种 能 源 的 

( S h g t mg) 和瞬态 ( T r a n s i e n t s ) 四部 分 , 其 作 用是  将对汽 车动力 系统 的请求扭矩 按照一定 的策略分 配 
给 发 动机 和 电 动机 ,并 且 将 这 些 控 制 信 息 传 递 到 部   件 控 制 单 元 。部 件 控制 单 元 的 作 用 是 生 成 汽 车各 部   件 的 控 制 命 令 ,它 们 包 括 发 动 机 命 令 c md — e n g 、 排 
蓄 电池   电动机  

? 昆 合 程度 ,其 中发电机和 电动机都 同时具有 电动机  和 发 电 机 的 功 能 。 发 电机 主要 用 于 在 发 动机 正 常 工 
作时 , 发 电机 对 蓄 电 池 充 电 , 另外 在汽 车起 动时 , 作 

为 发 动 机 的起 动机 。 电动 机 的作 用 是 根据 汽 车 的 不 
同 工 况 来 辅 助驱 动 或 再 生 发 电 。P r ms 的 动 力 系 统 结 

构 图见 图1 。  
2 . 1混 合 动 力 轿 车 P r i u s 的 仿 真 模 型 

目前 电 动 汽 车 仿 真 方 法 通 常分 为前 向仿 真 方 法 

( f o r w a r d - l o o k mg) 、 后 向 仿 真 方 法 ( b a c k —   wa r d - l o o k n i g) 和混 合仿真方法三种 , P s A T 软件采  用前 向仿真方法 。  
2. 2   P S AT中 的 P r i u s 模 型 

P SA T的模 型 是 根 据 用 户 对 动 力 系 统 的 定 义 ,   动态 生 成S i mu l i n k 的md l 格 式 的 文件 , 图2 是P i f u s 在  ★张 翔 赵 韩 钱 立军

发 动机  

图 1   混 合动 力轿 车 P r i u s的动 力 系统结构 图 

张炳力 : 合 肥 工 业 大 学机 械 与汽 车 工程 学 院 。  

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1 8   技 术 纵 横 

轻 型 汽 车技 术

2 0 0 3( 1 2) 总 1 7 2  

气系统命令 a m   d _ e x 、 机 械 附 件命   令c md — a c c me c h 、 电 动 机 命 令 
cm d


I n c 、   发







令 

o nd
_

mc 2 、 变 速 系 统 命 令 
t x 和 车 轮命 令 c md — wh, 然 

cm d


后将 控制命 令传递到动力 系统 模  块 。 动力 系统 模 块 包 括 发 动 机  ( e n g — v 1) 、排气 系统 ( e x — v 2)   机 械 附件 ( a c c me c h — v 1) 、 蓄 电 
池 ( e s   s  v 1) 、电 气 附 件 ( a c e —  


e l e c

v 1) 、 电动机 ( I n c _ v 1 ) 、 发  ( mc 2 一 v 1 ) 、 行 星 齿 轮 

电机

( t x _ v 4) 、 主减速 器 ( f d — v 1 ) 、 车 

轮( wh — v 1 ) 和 车辆 ( v e h — v 1 ) 模 

型。 这些 模型经过计算 , 得到汽 车  中各 个 部 件 的工 作 状 态 ,并 且 将  

这 些 参 数 组 合 成 动 力 系统 信 息 
p wt _ i n f o 反馈到控制器模 块 。   P S A T内部 部 件 模 型 之 间 的  这 种 联 系 接 近 于 车 辆 的 实 际 情 

况 ,因此这 种仿真方法 比混合 仿  真 方 法 和后 向 仿 真 方 法 的计 算 结 
图 2   P S AT 中 P r i u s的 S i mu l i n k 模 型 

果 更准 确 。但是 P S AT的计 算 速 

表 1   车 辆 模 块 的 仿 真 参 数 
参数 名称  P S A T 的变量  参数 值 
O . 6  

度通 常要 比采用混 合仿真方法和后 向仿真方法 的软 
单位 

件( 例如A DVI S 0R软 件 ) 要慢许 多 , 通 常 它 采 用4阶 

前 轴 轴 载 质 量 比重  v e h — . r a t l o — . we i g h t _ f r o n t  

的R u n g e r - K u t t a 法计算 , 定义 固定步长 为0 . 0   1 秒 。为 
m 

重心 高度 
风 阻系数 
迎风 面积 

v e b — — c g — . h e i g h t  
v e h — t o e f i _ d r a g  
v e b —f r o n t a La r e a  

O . 7 7  
0 _ 3  
1 . 7 4 6  

此P S A T 提供 了编译 版本 , 能加快 仿真速 度 , 在 短时  间内 , 连续运行多个仿真 。  

m  2  

3混合 动力 轿车 P r i u s 的仿 真参 数 
P S A T中P r i u s 的仿 真 部 件包 括 车 辆 ( V e h i c l e) 、   发 动机 ( E n g i n e ) 、 驾驶员 ( D r i v e r ) 、 排 气系统 ( E x —   h a u s t   A l f e r t r e a t ) 、 蓄 电池 及 其 管 理 系 统 ( E n e r g y   S t o r a g e) 、 电动机 系 统 ( Mo t o d C o n t r o l I e r ) 、 变 速 系  统( T r a n s mi s   S i o n) 、 主减 速器 ( F na i l   d r i v e) 、 车 轮/   车桥( Wh e e l / A x l e ) 、 机械 附件 ( Ac c . Me c h a n n i c a 1 ) 、   电气 附 件 ( Ac c .E l e c t r i c a 1 ) 和发 电机 系统 ( Mo —  

t o r / C o n t r o l i e r 2) 。 下 面给出主要部件 的仿真参 数值 。   3 . 1 车 辆 模 块 的 仿 真 参 数  P i f u s的 整 车 整 备 质 量 1 1 7 4. 6 k g,燃 料 重 量   5 0 k g , 装载质量 1 3 6 k g , 总重量 1 3 6 0 . 6   k g 。其它参数 
图3 发 动 机热机 耗油 率特 性 ( 扭 矩, 转速 )  

见表 1 。  

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2 0 0 3( 1 2) 总 1 7 2 轻 型 汽 车 技 术 

技 术 纵 横  l 9  

3 - 2 发 动 机 模 块 的仿 真 参 数 
— —

k  e V  0 -   l

P   i u s 轿 车 的发 动 机 采 用 N型  直 列 四缸 汽 油 发 动 机 ,其 主 要 性  
能参数 为 , 排 量为 1 5 0 0 mL ( 变量 :  
eng—di s   pl i n i t ) 的发
_

动机 , 质 量 为 

1 2 4 k g( 变量 : e n g — ma s s) , 最 大 
图 4 道 路 循 环 请 求 汽 车 的 行 驶 速 度 
■  ‘   :   :.     I 一   一   :  = = _  .   一   …     l





4 3 k W 

(   变



:  

e n g - p wr _ ma x) , 最高转 速5 0 5 . 8  

广 。   ^ 、 厂 、 ,  


。  

——  √ 

、  

r a d / s  
eng—spd


(   变  量  :   ma x — h o t ) 。 发 动 机 特 

f /…   
『  

l  

: 一 … 
\  

性包 括 : 冷/ 热 机耗油 率 ( 扭矩/ 转 
速 )( E n g i n e  COL D / HOT  f u e l  

u s e ( t r q   v s . s p d ) ) 和 冷/ 热机 效率  ( 扭 矩/ 转 速 、功率 / 转 速 )( E n -  
gi ne   COL D/ HOT  e ic f i e n c y  

图 5 道 路 循 环 请 求 汽 车 行 驶 速 度 与 实 际 汽 车 行 驶 速 度 的 比较  

( t r q / P wr   v s . s p d )) , 图3 为 发 动 机 

^ 一   一  

:  
r— H 一 一 一  一  一 … L 

L   一、 一 一  

—  
、 


’] 『 一   一 ‘ 一  

h 一  
1  

热机耗油率特性 。   ¨●_ _ ● ● ] 啊_ -  3 . 3 电机 模 块 的 仿真参数  电 动 机 系 统 采 用 一 台永 磁 交 

¨  

一 ,  

流同步 电动机 ,其 主要性 能参 数 
● ]  1 ● 2}0   2 o o   了 0 o   4 O 0   5 口 0   … 0   7 『l I I   H l_ L j  

为 , 质 量 3 8 . 1 k g (变 量 :  
m c


图 6 发 动 机 的 转 速 

ma s s) ,最 大 功 率 : 9 0 . 1 k W 

( 变量 : me — p wr _ ma x),最 小 电 

一  
— —   — — — ' r  
一  

. 

…f   :   、  
—  

~’ r   一  
I  

—  
— — — —   :  

压: 1 2 0 V( 变量 : i n c   v o I t _ i n n) i ,  

最 大 电 流 : 7 0 A
m e


(变 量 :  
量  :  



f 

_ 

: 一 一   一  

c u rr

_

ma x) , 峰 值 转 矩 :  
(   变 

9 1 5 Nm  
i n c
_

t r q —m a x —m a p —m a x)。 电 动  

图7 发 动 机 的 扭 矩  

机 特性包 括 : 电机效 率 ( 扭矩 / 转 
速 、功 率 / 转速 ) ( Mo t o r   e f i f c i e n -  
e y( t r q / P wr   V S . s p d ) ) 。  

l , … 

: : . - : ,   ≥ 一 : , : : :  
1   l

发 电机 系统 采 用 一 台 小 型 永  

I   数 为 , 质 量 38. 1 k g (变 量 :  
m c2


磁交流 同步 电机 ,其 主要 性能参 
ma s s) , 最 大功率 : 1 0 5 k W 
(   变  量  :  

图 8 电 动 机 的 扭 矩 

( 变量 : mc 2 一 p wr _ ma x) , 最 小 电 
压  : 1 2 0 V  


ol t mi mc 2 v n) , 最


大 电流 : 7 0 A  

-  _   .
一 , 

I   ’   一 1 t  ‘   ’ l r 一 ~   一   岫螂  T ’  
I  

( 变量 : mc 2 一 c u r r _ ma x) , 峰 值 转 
矩  : 2 2 5 Nm  (   变   量  :  

0 … 
  i
图9 发 电机 的扭矩 

f  

m c2


t r q — ma x — ma p — ma x) 。  

3 . 4 蓄 电 池模 块 的 仿 真 参 数  

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2 0   技 术 纵 横 

轻 型 汽 车技 术

2 0 0 3( 1 2) 总 1 7 2  

S 0C值 由0 . 5 9 5上 升 至 0 . 8 7 3 , 表 

一    一   …   一 0 
一  

、 —

, 、 



 

0一  
一 一

/ /  

示 汽车在行 驶过 程 中 ,发动 机作  功 对蓄 电池 充 电 ,使蓄 电池 电量  增加 。   4 I 2 汽 车 性 能 的 仿 真  混合 动力轿 车 的性 能 仿真 如 
下:  



 

 



 

_ 一   一  
. . 一 .   . 















 

, 

发 动 机 
图1 O 蓄电池 系统 的S OC值 

燃 料经济性 : 5 . 2 3 1 J1 0 0 k m  H C ̄ t  ̄ 放物 : 0 . 1 2 6 g / k m  C0排 放 物 : 0 . 5 3 4 g &m   NOx 排放 物 : 0 . 2 2 1 g / k m  
距离 : 1 6 . 4 2 9 k m   电机( Mo t o r )  

蓄 电池 系 统 采 用 镍 氢 电 池 组 , 它分 为4 O 个 模 块 

( 变量 : e s s — n u n— mo d u l e ) ,整个 系统有2 4 0 节单 体  电池 ( 变量 : e s   s  n u m— c e l 1 ) , 即 每 个 模 块 内装 有 6 个  单 体 镍 氢 电 池 ,每 节 单 体 电 池 质 量 0 . 3 2 k g( 变量 :  
es s


P M排 放 物 : 0 g / k m  

ma s s ) , 即蓄 电池 系统质量 为7 5 . 9 k g 。 每节单体 

电能消耗 : 一2 7 . 6 3 Wh / k m( 负 值 表 示 蓄 电 池 系 
统被充电 )  

电池 的最小 电压 i v( 变量 : e s s — v o l t _ mi n ) , 最 大 电 压  1 . 5 v( 变量 : e s s — v o l t _ ma x ) , 即蓄 电 池 系 统 的 电压 范  围是 [ 2 4 0 V, 3 6 0 V] 。最 大充 电电 流 1 2 3 . 9 6 A( 变量 :  
es s
_

S 0C初 值 : 5 9 . 5 % S0C末 值 : 8 7 . 3 2 % 

混合能量消耗 ( C o mb ne i d)   燃料经济 性 : 4 . 3 I dl 0 0 k m ( 考 虑 到 蓄 电池 系统   充 电对 增 加 发 动 机 燃 料 经 济性 的 影 响 1   未 来 货 车 ( F u t u r e   T r u c k )燃 料 经 济 性 :  
4. 21 L/ 1 00k m 

eu  ̄

_

ehg


1 1 3 a x ) , 最 大 放 电 电流 3 1 3 . 4 A( 变量 :  

es   s


cu rr
_

di s


I T I a x ) 。 蓄 电池 系统 的特 性 包 括 平 均 库 
( B a t t a r y   Ri I 1 t - S0C   p e r  

仑效率 ( Av e r a g e   C O u l o mb i c   E ic f i e n c y) 、 充 电/ 放 
电电 池 内阻一荷 电状 态 c e l l ( c h a r g i n g / d i s c h a r g i n g ) ) 和C / 5 速 度 下 的最 大 放 
电能 力 ( Ma x i mu m   C a p a c i t y   a t   C/ 5   r a t e) 。  

统计值( S t a t s i t i c s )  
W SFC : 3. 8 4L / T/ 1 00k m 

4 仿 真结 果 
4 . 1 汽 车工作过程的仿真  本 文选 择 美 国环 境 保 护 署 E P A 制 订 的郊 区道 路  
循 环F HDS ( F e d e r a l   Hi g h wa y   Dr i v i n g   S   c h e d u l e ) 作 

WS F C[ U S 】 : 1 . 6 3 Ga l / T / 1 0 0 mi l  

燃料经济性 : 2 . 2 2 Ga l / 1 0 0 mi l e s  
3 2 0 英 里 路 程 的油 耗 : 2 0 . 1 6 k g  

PS   A T 还 提 供 了滑 行 性 能 、爬 坡 性 能 和 加 速 性 

为 道 路 循 环 ,X { P r i u s 进行仿真 。F HDS的要 求 见 图  4, 其 中横坐标 表示行驶 时 间 , 蓝线 表示行驶 汽车速  度, 绿线 表示坡 度 , 红线表 示汽 车钥匙 的开关状 态 。   可 以 看 出坡 度 为 0, 行驶 过程 中 , 汽 车 钥 匙 始 终 处 于 
开 状 态 。 图 5中蓝 线表 示 道 路 循 环请 求 汽 车行 驶 速  度( 变量 : d r y — s p d — d md — h i s t ) , 红 线 表 示 实 际 汽 车 

能的仿真功 能 ,由于P S A T 的演示版 本不提 供这 些  功能 , 因此 本 文 没 有 提 供 此 类 仿 真数 据 。  

5 结  论  
仿真 技术 在 电动 汽 车 的开 发过 程 中有 重 要作  用, 电动汽车仿真软件是实现这一功能 的主要 工具 。   目前 国际上有许 多企业 和研究机 构都使 用P S A T 和  A D V I S   O   R 等软件作 为仿 真工具来开展研究 工作 , 并  且 已有许 多成功的应用 实例 。而我 国在这一领 域还  处 于起 步 阶段 ,本文介 绍的P S   A T 软 件不但 提供 了 

行驶 速 度 ( 变量 : v e h — s p d — h i s t ), 可 以看 出两 者 重   叠, 表示其 值基本 一致 。图6 和图7 分 别 表 示 发 动 机 
转速 ( 变量 : e n g — s p d — o u t _ h i s t ) 和扭矩 ( 变量 :  

e n g — t r q — O u t _ h i s t ) 的仿真结果见 。 图8 和图9 分别表  示 电动 机 的扭 矩 ( 变量 : me — t r q — o u t _ a) 和发 电机 
的扭 矩 ( 变量 : i n c 2 一 t r q — o u t — a) , 其 中正 值 表 示 辅   助 驱动 , 负值 表示再 生发 电 。图1 0 表 示 蓄 电 池 系 统  S0C值 ( 变量 : e s S _ S O O — h i s t ) 的动态 变化 过程 ,  

完善 的动态仿 真模型 和前 向仿 真算法 , 而且具 有 与  车辆实验 台进行实时数据通讯 的能力 。这种开发 电 
动汽 车的快速 原型方法 可 以减 少实验 次数 , 加快研  制速度 , 是未来电动汽车仿真软件 发展 的方 向。   参考文献 ( 略 )  


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