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💥第一部分——内容介绍

摘要

纯电动汽车动力系统仿真模型的构建是整车开发与能量管理策略验证的基础。本文围绕纯电动汽车Simulink仿真模型的模块化搭建方法展开论述，系统阐述了驾驶员模块、整车控制器模块、电机模块、变速器模块、主减速器模块、车轮模块、车速模块以及BMS_OBC_Battery模块的设计原理。针对每个模块，从输入信号定义、输出信号映射以及模型描述三个维度进行分析，说明其功能定位与建模思路。各模块之间通过信号流与物理量传递形成闭环仿真系统，为纯电动汽车的动力性、经济性及控制策略验证提供平台支撑。

关键词：纯电动汽车；Simulink仿真；整车控制器；驾驶员模型；电池管理系统

1 引言

纯电动汽车动力系统仿真模型的构建是整车正向开发流程中的关键环节。相较于传统燃油车，纯电动汽车的动力总成在结构上发生了根本性变化：内燃机被驱动电机取代，变速机构趋于简化，能量管理重心转移至动力电池。这些变化要求仿真模型在架构设计上做出相应调整。

Simulink凭借其模块化建模、多域仿真和控制系统设计能力，成为纯电动汽车系统级仿真的主流工具。本文围绕纯电动汽车Simulink仿真模型中的八个核心模块展开论述，重点从每个模块的输入信号、输出信号以及模型描述三个方面说明其搭建思路与功能实现。

2 驾驶员模块

2.1 输入信号

驾驶员模块的核心输入为目标车速信号与实际车速反馈信号。目标车速通常由行驶工况（如CLTC-P、WLTC等标准循环）给定，以时间序列的形式输入模型；实际车速则来自车速模块的实时计算反馈。

2.2 输出信号

该模块的输出为加速踏板开度信号与制动踏板开度信号，两者取值范围均设定为0至1。根据驾驶员的加减速意图，两个信号之间保持互锁关系：同一仿真时刻仅有一个踏板信号有效，另一信号保持为零。部分建模场景中，输出信号还可包含驱动转矩需求或挡位选择指令，但在搭载自动变速器的纯电动车型中，驾驶员对挡位的操控通常被简化为前进、空挡、倒车三个状态。

2.3 模型描述

驾驶员模块的建模目标是以闭环方式模拟驾驶员的纵向操控行为，使车辆实际车速跟踪目标工况车速。典型的实现方式是采用PI控制器：将目标车速与实际车速的偏差作为控制器输入，比例项提供快速响应的踏板调节，积分项消除稳态车速误差。在Simulink中，该功能也可由内置的Longitudinal Driver模块实现，其参数调节涉及驾驶员激进程度因子的迭代匹配。

需要注意的是，驾驶员模块的简化程度取决于仿真目的。若研究聚焦于纵向动力学与能耗，仅建模加速与制动踏板控制即可满足需求；若涉及换挡策略或驾驶性评价，则需考虑驾驶员对挡位的干预逻辑。

3 整车控制器模块

3.1 输入信号

整车控制器（VCU）作为动力域的核心调度节点，接收的信号覆盖全系统交互数据。主要包括以下几类：驾驶员模块输出的双踏板开度信号；电机模块反馈的实际转速、实际扭矩及绕组温度；变速器模块反馈的当前挡位与换挡过程状态；BMS_OBC_Battery模块输出的荷电状态、最大充放电功率及单体电压信息；车速模块输出的实时纵向车速。此外，VCU还需接入硬线级别的钥匙档位信号、高压互锁检测信号以及制动主缸压力传感器信号。

3.2 输出信号

VCU的输出指令面向各执行与控制子系统：向电机模块发送目标扭矩指令；向变速器模块发送换挡请求；向BMS模块发送充放电功率限制指令；向仪表系统输出整车状态信息。在充电管理场景中，VCU还负责向充电机发送充电启停指令，并接收充电状态反馈。

3.3 模型描述

整车控制器模块的建模核心在于状态机设计，用以实现整车的上下电时序控制、扭矩协调分配以及故障处理策略。在Simulink中，Stateflow是构建此类逻辑的常用工具。VCU的状态机通常涵盖高压上电、就绪、驱动、充电、故障及下电等状态，状态之间的迁移条件由驾驶员操作（如钥匙信号）、电池状态（如SOC与温度）以及系统故障标志共同决定。

一个值得关注的设计细节是VCU在充电过程中的调度角色。以SOC再校准流程为例：VCU向BMS发送校准请求前，需先命令充电机将电流设为零；BMS在电流归零后执行校准程序，并在完成后通过反馈信号通知VCU；VCU收到反馈后再根据电池单体温度决定是否恢复充电。这一握手流程体现了VCU在系统协调中的关键作用。

4 电机模块

4.1 输入信号

电机模块接收来自VCU的目标扭矩指令以及来自BMS_OBC_Battery模块的直流母线电压与可用电流信息。在更精细的模型中，还需输入电机温度或冷却液温度，用于效率映射与热限制计算。

4.2 输出信号

电机模块输出实际扭矩与转速，这两个物理量是连接传动系统与车轮模块的关键变量。此外，电机模块还需向VCU反馈运行状态，包括实际扭矩、转速、绕组温度及可能的故障标志。在能量流层面，电机模块输出电功率消耗或再生功率，反馈至电池模块参与SOC计算。

4.3 模型描述

纯电动汽车驱动电机的建模方法依据仿真精度需求可分为两类。一类是详细的三相PMSM模型，基于d-q坐标系下的电压方程与磁链方程构建，适用于电机控制策略开发与动态响应分析。另一类是映射电机模型，以转矩-转速包络和效率MAP为核心，通过查表方式确定给定工况下的输出转矩与能耗，计算效率高，适用于整车级能耗与续驶里程研究。

映射电机模型的建模要点在于：建立最大转矩随转速变化的限值曲线，在恒转矩区与恒功率区分别约束可用扭矩；引入扭矩响应时间常数以模拟逆变器与控制环节的动态延迟；通过效率MAP将机械功率转换为电功率，支撑能耗计算。这种建模策略在保持合理精度的同时显著降低了计算负荷。

5 变速器模块

5.1 输入信号

变速器模块接收来自电机模块的输入转矩与输入转速，以及来自VCU的挡位指令。对于两挡变速器，还需输入当前挡位信号以确定传动比状态。

5.2 输出信号

变速器模块输出经过传动比变换后的转矩与转速，传递至主减速器模块。输出转矩的计算需考虑传动效率损失，而输出转速则为输入转速与传动比的乘积。

5.3 模型描述

纯电动汽车变速器模块的功能在于根据当前挡位传递转速与转矩，实现降速增扭。传动比的选择通过对加速踏板开度与车速进行二维查表获得。建模时需设置挡位数、各挡传动比、转动惯量等基本参数。

转矩传递过程中需引入传动效率的影响。驱动状态下，摩擦损失转矩从输出转矩中扣除；制动状态下（能量回收工况），损失计算方式有所调整。变速器不工作时，摩擦损失设为零。换挡逻辑通常基于车速阈值：当车速高于升挡阈值时触发升挡，低于降挡阈值时触发降挡，阈值由加速踏板开度和当前挡位通过查表确定。

对于固定速比减速器方案，变速器模块可简化为主减速器模块的一部分，省去挡位切换逻辑，结构更为简洁。

6 主减速器模块

6.1 输入信号

主减速器模块接收来自变速器模块的输出转矩与转速，以及来自车轮模块或车速模块的负载反馈信号。

6.2 输出信号

输出为传递至车轮半轴的驱动转矩，其数值等于输入转矩乘以主减速比并考虑传动效率。

6.3 模型描述

主减速器模块承担最终传动比的功能，通过一对或多对齿轮将变速器输出转速进一步降低，同时相应放大转矩。建模时需定义主减速比与传动效率两个核心参数。在单电机集中驱动构型中，主减速器通常与差速器集成，差速器功能可通过Open Differential模块实现，其参数包括主减速比、载体惯量、半轴惯量及粘性阻尼系数。

差速器建模对左右车轮的转矩分配有影响，在直线行驶时两侧输出转矩相等，转向时按运动学关系分配。对于能耗研究，差速器的机械损失可通过效率参数予以体现。

7 车轮模块

7.1 输入信号

车轮模块接收来自主减速器或差速器的驱动转矩，以及来自制动系统的制动力矩信号。轮胎-地面相互作用所需的参数（如路面附着系数）作为模型配置参数输入。

7.2 输出信号

车轮模块输出牵引力与车轮滑移率。牵引力传递至整车动力学模型，用于计算车辆加速度与速度；滑移率反馈至轮胎模型，影响纵向力的计算结果。

7.3 模型描述

车轮模块的建模需处理驱动力矩、制动力矩与地面附着约束之间的耦合关系。驱动力力矩由主减速器传来的力矩减去惯性力矩和拖拽力矩得到，再除以车轮半径得到驱动力。机械制动力由制动踏板深度与分配系数确定，牵引力为驱动力与制动力之差。

轮胎纵向力的计算可依据Pacejka模型或简化附着曲线，滑移率作为状态变量参与迭代求解。在简化模型中，若忽略滑移动态，可将牵引力直接视为驱动力与制动力的差值。但对于起步、急加速等工况，滑移率的建模对仿真精度有显著影响。

8 车速模块

8.1 输入信号

车速模块接收车轮模块输出的牵引力以及车辆行驶阻力。阻力信号可从整车动力学参数直接计算得到，包括空气阻力、滚动阻力与坡度阻力。

8.2 输出信号

输出为车辆纵向速度，该信号同时反馈至驾驶员模块（用于闭环跟踪）和VCU模块（用于控制决策）。

8.3 模型描述

车速模块本质上是对车辆纵向运动方程的积分求解。基于牛顿第二定律，车辆加速度由驱动力与行驶阻力之差除以整车质量得到，积分后获得车速。车速与车轮转速之间存在运动学约束：车速等于车轮角速度乘以有效滚动半径。

在实际建模中，车速模块可接收车轮转速信号，通过除以车轮半径并考虑滑移修正来估算车速。这种“由轮速估算车速”的方式与实车传感器方案更为接近，便于后续代码生成与硬件在环测试。

9 BMS_OBC_Battery模块

9.1 输入信号

BMS_OBC_Battery模块接收来自电机模块的电流需求信号（取决于电机功率）以及来自VCU的充放电使能指令。在充电场景中，还需接收来自充电桩或OBC的充电电流/电压请求。

9.2 输出信号

输出信号分为电池状态类与功率限制类。状态类输出包括荷电状态（SOC）、电池端电压、最大单体电压、最小单体温度等；功率限制类输出为最大允许放电功率与最大允许充电功率，供VCU在扭矩分配时进行功率约束。在充电管理场景中，BMS还需输出校准完成反馈信号供VCU判断后续操作。

9.3 模型描述

该模块集成了电池本体模型、电池管理系统逻辑与车载充电机功能。电池本体模型可采用等效电路方法，如Thevenin模型或更高阶的RC模型，通过开路电压与SOC的映射关系、欧姆内阻及极化环节描述电池的外特性。参数设置模块负责根据电池型号配置容量、串联并联数、初始SOC等。

电池管理逻辑涵盖SOC估算、充放电功率限制计算、均衡策略与故障诊断。放电功率限制通常基于SOC下限、单体电压下限与温度阈值综合确定；充电功率限制则受SOC上限、单体电压上限与低温充电接受能力约束。

充电管理逻辑涉及充电模式判断（恒流/恒压）、充电请求响应以及充电截止条件判定。在充电末期，BMS需与VCU配合完成SOC再校准，随后打开主继电器完成充电终止。

10 结语

本文从输入、输出与模型描述三个维度，系统阐述了纯电动汽车Simulink仿真模型中八个核心模块的搭建方法。驾驶员模块以PI控制实现工况跟踪，VCU模块以状态机完成整车调度，电机模块在精度与效率之间选择建模策略，变速器与主减速器模块实现转速转矩的匹配传递，车轮模块处理地面附着约束，车速模块完成纵向运动积分，BMS_OBC_Battery模块则统筹能量管理与充电控制。各模块通过信号流形成闭环，共同构成可支撑动力性与经济性分析的纯电动汽车仿真平台。后续研究可在此基础上开展工况仿真验证与参数敏感性分析。

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🎉第三部分——参考文献

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