基于无人驾驶方程式赛车的电池箱联合仿真实验设计.pdf

第卷 第期 年月：基 于 无 人 驾 驶 方 程 式 赛 车 的 电 池 箱 联 合 仿 真 实 验 设 计刘 彦 博，申 赞 伟，魏峥，方子，张 震 科，彭 奕 超（上 海 交 通 大 学电 子 信 息 与 电 气 工 程 学 院；机 械 与 动 力 工 程 学 院，上 海）摘要：考 虑 电 池 的 安 全 性 能 和 环 境 参 数 复 杂 性，设 计 并 搭 建 了 适 合 中 国 大 学 生 方程 式 无 人 驾 驶 赛 车 大 赛 的 电 池 实 验 系 统。以模 块 化 编 程 为 基 础，结 合 控制 理 论、热 力 学、车 辆 运 动 学 以 及 电 气 工 程 相 关 知 识，完 成 了 电 池 箱 实 时 放 电、散 热情 况 的 仿 真 模 型。该 实 验 系 统 能 够 用 于 实 验 教 学，通 过 对 无 人 驾 驶 赛 车 电 池 箱 设计，能 提 升 学 生 综 合 实 践 能 力。关 键 词：方 程 式 赛 车；仿 真 模 型；电 池 箱；实 验 系 统中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（；，）：（），：；收 稿 日 期：基 金 项 目：教 育 部 产 学 合 作 项 目（，）作 者 简 介：刘 彦 博（），男，吉 林 长 春 人，硕 士，实 验 师，研 究 方向 为 智 能 网 联 汽 车、嵌 入 式 系 统。：；：通 信 作 者：申 赞 伟（），男，河 南 商 丘 人，硕 士，实 验 师，研 究 方向 为 人 工 智 能 技 术 应 用 与 教 学。：；：引言近 年 来，国 家 推 动 新 能 源 汽 车 产 业 化 发 展 与 智 能化 转 型，交 通 运 输 部、汽 车 工 程 学 会 推 出 的 智 能 网 联汽 车 技 术 路 线 图 为 我 国 汽 车 产 业 规 划 出 宏 伟 蓝图。无 人 驾 驶 汽 车 电 池 的 设 计 越 发 重 要，同 时 也 促进 了 产 业 发 展 与 多 元 人 才 体 系 培 养。大 学 生 无 人驾 驶 方 程 式 大 赛 要 求 参 赛 车 队 自 主 设 计 赛 车 电 池 箱 作为 动 力 来 源。在 设 计 过 程 中，需 要 考 虑 电 池 箱 本 身 的性 能 与 安 全，并 且 还 要 将 温 度 等 参 数 引 入 电 芯 建模，同 时 需 要 对 运 行 过 程 中 的 电 池 箱 热 力 学 模 型 进行 分 析。作 为 赛 道 固 定 的 方 程 式 赛 车，在 赛 道 中 的速 度、加 速 度 等 指 标 是 存 在 最 优 解 并 且 可 以 预 测 的。本 文 根 据 赛 道 仿 真 情 况 设 计 电 池 箱 来 减 少 电 源 冗 余，通 过 模 型 仿 真 过 程 中 赛 道 环 境 的 反 馈 进 行 性 能 优 化。总 体 模 型 构 建 思 路本 文 使 用仿 真 平 台 对 无 人 驾 驶 赛 车 进 行建 模，并 结 合 车 辆 的 运 动 学 参 数、电 池 箱 的 电 气 与 热 力第期刘 彦 博，等：基 于 无 人 驾 驶 方 程 式 赛 车 的 电 池 箱 联 合 仿 真 实 验 设 计学 的 参 数 以 及 状 态 之 间 的 关 系 建 立 联 合 仿 真。整 车 模 型 由 电 池 提 供 能 量，通 过 电 动 机 输 出 驱 动力 矩，再 经 动 力 传 动 系 统 传 递 到 车 轮 并 作 用 于 道 路，实现 对 整 车 的 驱 动。仿 真 过 程 中，通 过 电 池 箱 温 度 和电 池 荷 电 状 态（，）来 评 估 电 池 箱 在赛 道 中 的 性 能。车 辆 赛 道 仿 真 与 动 力 学 模 型 基 础 的 赛 道 仿 真本 节 使 用 软 件，对 车 辆 在 方 程 式 无人 驾 驶 赛 道 中 的 运 动 过 程 进 行 仿 真。用 于 建 立 赛 道 地 和 赛 车 动 力 模 型，将 赛 道 和 车 辆 动 力模 型 进 行 匹 配，以 模 拟 赛 车 在 赛 道 上 的 工 作 状 态。车 辆 动 力 学 模 型 搭 建在 电 池 箱 的 设 计 过 程 中，在 车 辆 运 动 力 学 方 面，要考 量 速 度 和 纵 向、横 向 加 速 度 以 及 车 辆 本 身 的 质 量、车轮 转 动 惯 量 等 参 数。通 过 速 度 以 及 空 气 动 力 学 参 数，计 算 模 拟 电 池 箱 内 部 的 空 气 流 动 情 况；结 合 电 池 箱 的热 力 学 模 型，计 算 出 在 当 前 车 速 下 电 池 箱 的 散 热 性 能；结 合 电 池 箱 的 输 出 情 况 得 到 箱 内 温 度，以 此 来 模 拟 温度 对 于 电 芯 放 电 的 影 响。利 用 在 某 一 时 刻 下 车 辆 的 纵向 加 速 度、速 度、车 辆 质 量 的 信 息，并 结 合电动 机 的 外 特 性 获 得 电 池 箱 的 输 出 功 率。车 辆 在 匀 速 行 驶 时 遇 到 的 空 气 阻 力 式 中：、分 别 为 车 辆 的 风 阻 系 数 与 迎 风 面 积；为车 速。车 辆 在 加 速 行 驶 时 遇 到 的 阻 力 式 中，为 车 的 质 量，由 于 赛 车 采 用 一 级 减 速 且 齿 轮 质量 很 小，齿 轮 的 转 动 惯 量 可 以 忽 略 不 计，只 考 虑 轮 胎 与车 辆 本 身 的 惯 量。在 车 辆 动 力 学 模 型 的 构 建 中，采 用 经 典 的 车 辆 加速 公 式，车 辆 的 合 力 （）式 中：为 车 辆 阻 力，为 车 辆 重 量，为 滚 阻 系数；为 坡 度 阻 力，鉴 于 赛 场 环 境，此 项 为 零。电 池 箱 所 需 要 的 输 出 功 率（）式 中，为 传 动 系 的 传 动 效 率。同 时 为 反 映 电 池 箱 的输 出 功 率，将 电 动 机 的 效 率 也 合 并 其 中，将 相 关 参 数 带入，完 成 建 模，可 得 ()（）电 池 箱 电 气 建 模 与 仿 真本 实 验 采 用 聚 合 物 锂 电 池 作 为 电 芯，采 用 较 为 简单 的模 型 作 为 电 芯 模 型。在 整 个 实 验 过 程 中，引 入 温 度 变 量 对 电 池 箱 的 数 据 进 行 仿 真 模 拟。实验 中 的 锂 电 池 内 阻 由 两 部 分 构 成，分 别 是 欧 姆 内 阻 和极 化 内 阻。在 本 仿 真 系 统 中，采 用 如 图所 示 的模 型 作 为 电 芯 模 型。图一 阶锂 电 池 等 效 模 型 图所 示 的 一 阶模 型中，各 电 学 变 量 之 间有 如 下 数 学 关 系：（）（）（）（）（）（）（）（）式 中：（）为 电 池 开 路 电 压；为 内 阻；（）为 放 电电 流；（）为 端 电 压；为 极 化 电 容；为 极 化 电 阻。与构 成 表 示 电 池 极 化 现 象 的 并 联网 络。对式（）所 示 的 微 分 方 程 进 行 求 解，再 结 合对 电 芯的 影 响，得 出 电 芯 电 压（）（，）（）（）（）（）式 中：为 时 间 常 数；（，）为（）与的 关 系函 数。考 虑 电 池 箱 内 部 温 度 对 内 阻 等 参 数 的 影 响，将 温度引 入 并 针 对 某 一 时 刻 分 析，得（）（，）（）（）（）（）（）（）式 中，为（）与、的 关 系 函 数。在 温 度条 件 下，电 芯 的 放 电 实 验 所 测 得 实 验 结 果 曲 线 如 图所 示。占 空 比 为条 件 下 脉 冲 放 电 结 果 曲 线 如 图所 示。实 验 电 芯 为 聚 合 物 锂 电 池，采 用 参 数 估 计 方 法，获得 电 阻 与关 于 温 度和的 二 维 关 系 表。通 过查 表，可 获 得 在 某 时 刻（）电 池 箱 物 理 装 填 下 的 电 压输 出 情 况，求 得 满 足 车 辆 动 力 学 仿 真 功 率 需 求 的 电 流（）。依 据 式（）可 计 算 出 下 一 时 刻 模 型 的以 及用 于 计 算 下 一 时 刻 温 度 的 电 芯 产 热 功 率，获 得 下 一 时间 步 长 进 行 仿 真 所 用 的与。基 于 上 述 求 值 方法，建 立 如 图所 示 的 电 芯 模 型。图中 输 入 分 别 为第卷温 度、与 需 求 功 率，输 出 为 电 流、电 池 箱 总 电压、下 一 时 刻与 电 芯 的 总 产 热 功 率。（）（）（）（）（）（）图 下 的 电 芯 放 电 曲 线图占 空 比的 脉 冲 放 电 曲 线图电 芯 模 型 组 成 示 意 图 使 用 一 阶等 效 电 路 来 模 拟 单 个 电 芯，其 模 型结 构 如 图所 示，电 芯 主 要 由个 模 块 构 成，分 别 是 电压 输 出（），并 联 电 路 中 的、（，），模 拟 电 池 内 阻 的（）和 热 力 学模 块。图电 芯 模 型 仿 真 示 意 图 电 压 输 出 模 块 内 部 结 构 如 图所 示。端 口、分别 连 接 电 压 源 正 负 极，端 口为 电 芯 输 出 电 压 反 馈 量。电 压 源 输 出 电 压 大 小 决 定 于 右 侧 控 制 网 络 的 运 算结 果。图电 压 输 出 模 块 仿 真 示 意 图 图中 右 侧 控 制 网 络 是 包 含反 馈 的 闭 环 网络，时 间 间 隔 前 后 电 源 输 出 电 压 （）（）（）电 阻 模 块 内 部 结 构 如 图所 示。端 口、分 别 正负 极，端 口输 出 电 阻 的 即 时 发 热 功 率。图电 阻 内 部 模 块 仿 真 示 意 图 电 容 模 块 内 部 结 构 如 图所 示，端 口、分 别 为正 负 极。图电 容 内 部 模 块 仿 真 示 意 图 热 力 学 模 块 内 部 结 构 如 图所 示，端 口、和为 接 入 电 路 的 端 口，电 芯 输 出 电 压 经 测 量 后 输 出 到 端口，端 口为 热 力 学 端 口，端 口为 即 时 电 路 发 热 功率 的 输 入 端 口。输 入 到 受 控 热 流 源 后 产 生 对 应 的 热流，分 别 输 出 到 端 口、电 池 蓄 热 体、温 度 计。端 口输 出 即 时 产 热，电 池 蓄 热 体 累 积 电 池 所 产 生 的 热 量，温度 计 由 当 前 热 流 计 算 出 温 度，并 由 端 口输 出 温 度 值。图热 力 学 结 构 模 块 仿 真 示 意 图 如 图所 示 为 其 内 部 结 构，其 中模 块 对、产 热 功 率 进 行 加 和。图额 外 产 热模 块 仿 真 示 意 图第期刘 彦 博，等：基 于 无 人 驾 驶 方 程 式 赛 车 的 电 池 箱 联 合 仿 真 实 验 设 计 整 个 电 芯 模 型 实 现 了 对 电 芯 电 路 特 性、热 力 学 特性 的 模 拟，包 含 了 电 压 反 馈 控 制、实 时 产 热 计 算 和 温 度监 控、可 拓 展计 算 和 反 馈 控 制 等 功 能 环 节。将 每组 电 芯 看 作 一 个 独 立 的 单 元，表 面 空 气 流 动 产 生 对 流换 热，内 部 电 芯 发 热 当 作 内 热 源，可 以 看 作 具 有 内 热 源的 非 稳 态 导 热 问 题。假 设 电 芯 内 部 热 阻 可 以 忽 略，则温 度 与 空 间 无 关，进 而 可 得 电 芯 内 部 的 热 传 导 微 分 方程 为 （）（）式 中：为 电 芯 发 热 功 率，由 外 部 输 入 电 流 计 算 得 到，其 中 一 个 电 池 组 的 内 阻 为；为 电 芯 体 积，一组 电 池 体 积 取 为 ；为 电 芯 对 流 换 热面 积，取 ；为 环 境 温 度，取；为 对流 换 热 系 数，可 由 空 气 流 速 算 得；为 电 芯 密 度，可 计算 得 到 为 ；为 电 芯 比 热 容，取（）；电 池 箱 中 空 气 流 基 本 处 于 层 流 状 态，电 芯可 等 效 为 长 方 体，在 管 内 传 热 模 型 条 件 下，努 赛 尔 数 为 （）式 中：为 壁 面 摩 擦 因 数，为 努 赛 尔 数，为 雷 诺 数，为 普 朗 特数。可 得：（）式 中：为 来 流 速 度，由 风 扇 进 风 量 和 车 速 计 算 得 到；为 气 体 导 热 系 数，查 表 可 得 约 为 （）；为 电 芯 平 行 于 来 流 方 向 的 长 度，取 ；为 空 气的 热 扩 散 率，查 表 可 得 约 为 ；为 空 气的 动 力 黏 度，查 表 可 得 约 为 。结 合 式（）（），将 相 关 参 量 代 入 图所 示 的电 池 模 组 热 力 学 模 型，对 模 型 进 行 仿 真。当 车 速 为 时，得 到 温 度 与 时 间 的 关 系 曲 线 如 图所 示。图电 池 模 组 热 力 学 模 型 仿 真 示 意 图实 车 验 证为 满 足 电 动 机 控 制 器 功 率 与 电 压 的 基 本 需 求，选用 动 力 电 池 单 体 的 额 定 电 压 为 ，最 高 电 压 为，最 小 电 压 为 ，容 量 为。个 单 体 电池 串 联，整 个 动 力 电 池 模 组 额 定 电 压 为，最 高 电压 为，大 于驱 动 电 动 机 的 额 定 电 压。电 池 箱 内 设 置 有 多 个 安 装 框，每 个 电 池 模 组 对 应 一 个安 装 框，电 池 组 放 置 于 安 装 框 内。电 池 箱 隔 板 布 置 时，竖 直 方 向 采 用 横 板，纵 板 将 电 池分 为个 模 组。采 用 激 光 焊 接 的 方 式 来 进 行 连 接。将 以 上 实 验 获 得 的模 型，并 结 合 赛 车 队 在 无 人 驾 驶 方 程 式 大 赛 所 设 计 的电 池 箱 参 数 来 构 建 电 池 的 电 路 系 统 和 物 理 结 构，其 电路 设 计 和 电 池 箱 结 构 分 别 如 图、所 示。图车 速 为 时 温 度 与 时 间 关 系 曲 线图方 程 式 赛 车 电 池 箱 电 路 设 计图方 程 式 赛 车 电 池 箱 结 构 在 散 热 过 程 中，需 考 量 到 所 有 模 组 的 总 散 热 面 积。对 于 模 型 的 初 始 条 件，需 考 量 场 地 的 气 候 以 及 在 电 芯充 满 电 条 件 下 的 初 始 参 数。将 数 据 代 入 模 型 仿 真 得 到如 图 所 示 的 仿 真 结 果。由 图 所 示 的 仿 真 结 果 可 知，在 车 辆 运 行 的过 程 中，温 度 有 所 上 升 但 逐 渐 趋 于 平 稳，电 流 的 变 化 受车 辆 运 动 状 态 的 影 响 较 大，特 别 是 加 减 速 过 程，总 体 没有 超 过 电 芯 最 大 的 放 电 电 流。在 无 人 驾 驶 电 车沿 赛 道 行 驶 过 程 中，测 试 显 示 电 芯 的 总 体 荷 电 状 态 从下 降 到，能 量 仍 有 较 大 剩 余，能 够 满 足 无 人 驾 驶第卷方 程 式 赛 车 在 赛 道 上 的 工 作 状 态 要 求。图 与 时 间 关 系 仿 真 结 果图电 池 箱 内 部 温 度 仿 真 结 果图电 池 箱 放 电 电 流 仿 真 结 果结语本 文 建 立 了 关 于 车 辆 运 动 与 电 芯 的 联 合 仿 真 模型，将 赛 车 实 验 参 数 代 入 模 型 进 行 仿 真，表 明 了 模 型 的正 确 性。仿 真 结 果 显 示，本 文 设 计 的 电 池 箱 能 满 足 方程 式 赛 车 可 靠 安 全 性 目 标，全 面 训 练 了 学 生 在 无 人 驾驶 方 程 式 赛 车 电 池 设 计 方 面 的 实 验 技 能，激 发 了 学 生的 兴 趣 和 研 究 方 向，通 过 多 学 科 交 叉 培 养，提 升 了 学 生的 创 新 能 力。参 考 文 献（）：李 克 强“中 国 方 案”智 能 网 联 汽 车 发 展 思 路 智 能 网 联 汽车，（）：刘 彦 博，黄 宏 成，时 良 仁基 于 新 常 态 下 多 元 化 创 新 实 践 的 培 养模 式 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：邓 建 明，龚 循 飞，于勤，等基 于和的 纯 电 动 车联 合 仿 真 分 析 汽 车 实 用 技 术，（）：隋 元 杰某 新 能 源 商 用 车 动 力 电 池 热 管 理 分 析 与 改 进 设 计 南 京：南 京 理 工 大 学，陈 元 丽，赵 振 东，陈 素 娟基 于的 三 元 锂 电 池 建 模 与 仿真 研 究 南 京 工 程 学 院 学 报（自 然 科 学 版），（）：翟 熙 照，韩 同 群基 于联 合 仿 真 的 电 动 汽 车 动 力 性经 济 性 分 析 湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报，（）：李 浩 燃 纯 电 动 赛 车 动 力 系 统 参 数 匹 配 与 性 能 优 化 研 究西 安：长 安 大 学，王 子 旭纯 电 动 车 电 池 充 放 电 控 制 策 略 在 环 仿 真 研 究 哈 尔滨：哈 尔 滨 理 工 大 学，魏 增 福，董波，刘 新 天，等锂 电 池 动 态 系 统模 型 研 究电 源 技 术，（）：王 元 哲，唐 志 国，周嘉，等锂 离 子 动 力 电 池 成 组 设 计 及 其 优 化分 析 合 肥 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：卞 烨 峰，褚 超 美基 于的 电 动 汽 车 电 池 包 结 构 仿 真 及验 证 农 业 装 备 与 车 辆 工 程，（）：张阳，潘 文 霞带 可 变 参 数 锂 离 子 电 池模 型 电 源技 术，（）：林 成 涛，仇斌，陈 全 世电 动 汽 车 电 池 功 率 输 入 等 效 电 路 模 型的 比 较 研 究 汽 车 工 程，（）：朱 方 方，王 康 丽，蒋凯基 于的 锂 离 子 电 池 建 模 与 仿真 研 究 电 源 技 术，（）：蔡 敏 超，殷浩，舒 少 龙基 于 的 纯 电 动 汽 车整 车 上 下 电 策 略 系 统 仿 真 技 术，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上 接 第页），：，：何 腊 梅基 于的 通 信 系 统 设 计 自 动 化 与 仪 器 仪 表，（）：杨 宇 红，袁焱，田砾，等基 于 软 件 无 线 电 平 台 的 通 信 实 验教 学 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：于 正 威，李鹏，刘文基 于技 术 的实 时 视 频 传输 实 验 设 计 和 实 现 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：陈巍 调 制 解 调 器 的 研 究 与 实 现 长 沙：国 防 科 学技 术 大 学，韩 宝 衣基 于增 强 型 基 带 平 台 的物 理 层研 究 与 实 现 北 京：北 京 邮 电 大 学，