2.1 建模類型選擇

根據(jù)仿真過程中數(shù)據(jù)流的方向，可以把汽車仿真模型分為正向仿真模型和逆向仿真模型兩大類。

正向仿真模型的數(shù)據(jù)流方向與實際系統(tǒng)能量流方向相同，并且具有駕駛員模型。駕駛員模型將駕駛員踏板信號指令轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號輸出，參照整車控制策略，在整車控制模塊中提出對動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩需求，動力總成模型根據(jù)轉(zhuǎn)矩需求，以及本身的轉(zhuǎn)矩限制，為傳動系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩經(jīng)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)到達(dá)車輪模型后，最終到達(dá)車輛模型，從而實現(xiàn)車輛行駛。正向仿真模型能夠集成駕駛員在環(huán)仿真，更加真實地模擬車輛的運行狀態(tài)，符合真實系統(tǒng)邏輯。

逆向仿真模型的數(shù)據(jù)流方向與實際系統(tǒng)能量流方向相反，該模型以循環(huán)工況為要求，計算動力系統(tǒng)各個部件需要提供的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率等信息。該模型的數(shù)據(jù)流從車輛阻力模型出發(fā)，經(jīng)過車輪模型、傳動模型，最終反映到動力總成模型。該仿真過程不需要集成駕駛員模型，也不需要考慮動力系統(tǒng)的動態(tài)過程，計算速度較快，在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計階段進(jìn)行參數(shù)匹配、制定能量管理控制策略、進(jìn)行能量管理控制策略驗證時應(yīng)用廣泛。

汽車開發(fā)過程往往是正向仿真與逆向仿真相結(jié)合，首先利用逆向仿真的方法，設(shè)計控制策略，確定系統(tǒng)參數(shù)，再利用正向仿真的方法，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和調(diào)試，對控制策略進(jìn)行驗證。

因此，結(jié)合汽車動力系統(tǒng)，本書總結(jié)了三種仿真模型：

1）將工況速度譜輸入到阻力模型與車輪模型中，得到需求轉(zhuǎn)矩、功率、轉(zhuǎn)速信息，將該信息經(jīng)傳動系統(tǒng)模型傳遞到電機模型，功率需求信息傳遞到燃料電池和蓄電池，得到能量消耗與功率限制信息。該仿真模型為典型逆向仿真模型。

2）由于本書的仿真測試采用了X-in-the-Loop方法，因此當(dāng)測試中出現(xiàn)部件缺失的情況時，利用模型或代碼替代缺失部件，實現(xiàn)軟硬件結(jié)合測試。所以本書在建模過程需考慮動力系統(tǒng)臺架的參與，由于后續(xù)參與的實驗臺架為一電機-測功機一體化系統(tǒng)，該一體化系統(tǒng)一側(cè)采用轉(zhuǎn)矩控制，一側(cè)采用轉(zhuǎn)速控制，工況速度譜作為需求車速轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)速輸入驅(qū)動電機端（轉(zhuǎn)速控制端），工況速度譜輸入阻力模型生成阻力，該阻力轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)矩輸入測功機端（轉(zhuǎn)矩控制端）。驅(qū)動電機一端為達(dá)到需求轉(zhuǎn)速，在存在阻力的情況下，輸出實際轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積即為功率需求，輸入到燃料電池與蓄電池，得到能量消耗與功率限制信息。該模型實質(zhì)上為逆向仿真模型。

3）考慮動力系統(tǒng)臺架的參與，兩側(cè)均為轉(zhuǎn)矩控制，工況速度譜輸入駕駛員模型，駕駛員模型計算得到期望轉(zhuǎn)矩輸入到驅(qū)動電機端（轉(zhuǎn)矩控制端），同時該轉(zhuǎn)矩受到燃料電池與蓄電池的功率限制。該轉(zhuǎn)矩與測功機端（轉(zhuǎn)矩控制端）的阻力矩相平衡，得到的實際車速反饋到駕駛員模型。由于該模型中集成了駕駛員模型，該模型實質(zhì)上為正向仿真模型。

由于本書旨在利用X-in-the-Loop方法，進(jìn)行動力系統(tǒng)分布式測試，正向仿真模型更為符合仿真測試的客觀需求，因此選擇第三種仿真模型，作為仿真測試的結(jié)構(gòu)。

本書所涉及燃料電池汽車動力系統(tǒng)如圖2.1所示。動力源包括燃料電池和動力蓄電池，以實現(xiàn)快速動態(tài)響應(yīng)和耐久性。燃料電池系統(tǒng)可以驅(qū)動電機并同時為電池充電^[114]。

圖2.1 燃料電池汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖