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基于系统仿真的电动汽车开发与评价
A．Rousseau*, S. Halbach*, L. Michaels*, N. Shidore*, Na. Kim*, N. Kim*. D. Karbowski*
*美国阿贡国家实验室，阿贡国家实验室，IL 60439美国
（电话：630.252.7261；电子邮件：arousseau @ ANL。gov）
*通用汽车，3300通用汽车之路，米河48380美国（电子邮件）：
摘要：为了减少开发时间，并将技术更快的投入市场，许多公司已迁移到基于模型的系统工程（MBSE）。在MBSE的发展过程围绕一个正在开发的完整系统的多物理模型，从需求到设计、实施与测试。工程师可以避免一代系统设计过程的基础上手动编码，并使用图形化的模型来设计，分析和实现软件，确定系统性能与行为。本文介绍了在Autonomie实施的过程中，一个plugand发挥软件环境，设计和评估电力驱动动力系统和部件多物理环境中的技术。我们将讨论最佳方案，并提供循环模型中不同步骤的V形图，和软件构件在循环—
半实物的仿真。
关键词：仿真，系统工程，控制，电动汽车，基于模型的系统,工程。
1,简介
制造硬件昂贵，费时，并且不便于理解和核算系统设计中的变化。传统的设计过程汽车工业常推迟控制系统设计到后期在产品开发过程中，在某些情况下需要几个昂贵的硬件迭代。降低成本完善的上市时间，OEM早在建模和仿真的重点发展过程就转向基于模型的系统工程。MBSE是形式化的应用支持系统需求建模，设计，分析，验证和验证活动，开始于概念设计阶段和持续发展与后生命周期阶段[ 1 ]。要充分实现基于数学的设计，灵活和可重用的好处必须创建多物理模型。
但更依赖于建模和仿真来减少一些成本。即使制度惯性可以克服，新的过程必须放在适当的地方以便于创造者和消费者沟通模型，并处理增加的文件数量，可以变得相当显著并具有优越性。
模型管理引入了一组需求非常类似软件管理要求。有需要维护版本控制的模型，以及实现系统级模型装配能力，可比需要的界面，编译，并链接包含完整软件生成的代码模块。项目管理的要求也存在，以确保所有创建完整的模拟所需的文件和数据组织、维护和提供完整的包装。
自主软件[ 2，3 ]提供了一个集成的环境和管理过程集，车辆动力学模型的互联与集成组件和子系统，建立和实施多系统仿真。然后使用这些模拟对于许多不同类型的分析，从权衡研究替代推进系统架构的详细控制系统的设计。自主的即插即用的建筑便于使用组件和子系统模型可选的保真度，允许用户集中在细节上他们想调查的领域。
2,基于模型的系统工程
基于模型的系统工程[ 4 ]提供了一个有效的方法，其中包括四个关键要素发展过程：植物建模（从第一原理）或系统辨识），合成与分析工厂控制器，模拟工厂和控制器和编程/部署控制器。MBSE支持所有这些多个阶段，并提供了一个共同的整个设计的沟通框架过程。
mbse模式明显不同传统的方法。而不是使用复杂工作流和广泛的软件代码，设计师可以制定先进的功能特点，用连续时间和离散计算建筑阻碍.这些模型和相关的仿真支持工具可以提供快速原型，虚拟功能验证，软件测试和硬件/软件验证。在MBSE，模型是开发过程的核心，从需求开发，通过设计，实施，与测试。控制算法模型是一个可执行文件不断细化和阐述的规范整个开发过程。MBSE允许一个提高效率：使用共同的设计环境项目团队将设计直接链接到需求集成测试与设计调查变异对系统的影响性能和鲁棒性多物理精炼算法模拟:
自动生成嵌入式代码
-开发和重用测试套件
自动生成文档
重用设计部署系统
多处理器和硬件目标
不同的步骤所支持的各种方法在环模型（MIL），软件在环（SIL），硬件在环（HIL），快速控制原型（RCP），或组件在环（CIL）。每一个过程用于解决不同阶段的发展。汽车公司已广泛实施这些从代码生成[ 5 ]过程，RCP [ 6 ] [ 7 ]和HIL。
3.拆开的即插即用的体系结构支持MBSE
虽然大多数公司目前使用的mbse，有目前没有单一的工具，使他们能够共享和重用
模型从一个阶段到下一个阶段。[ 3 ]是一种自律与通用合作设计的软件包电机（GM），以支持理想的建模和使用基于数学的汽车控制系统设计仿真。而自律并不能满足所有的需要开发过程中，它提供了一个框架，以连接和集成多种工具（如需求、工厂建模），优化，数据（管理）成一体工作流。自主支持的组件和使用从设计到模拟到完整分析的模型即插即用功能。标准格式的模型创建在运行时组装成车辆、系统、子系统或组件。在自主图形用户的所有部分接口（GUI）的设计是灵活的支持架构，系统，组件和进程尚未设想。这使得该软件被塑造为个人用途，所以它可以成长为要求和技术知识拓展[ 2 ]。这种灵活性也允许遗留代码的集成，包括模型，控制器代码，过程和后处理方程。
3.1配置的定义
系统的相对位置及其相互关系由一组配置文件定义。例如，一传统车辆可以由多个配置。一个配置可能有一个扭矩转换器和变速箱。另一个可能有这两个在单一传输系统下组合在一起的系统。这两种配置是有效的常规车辆，和两者之间的选择取决于应用。图1显示了一个完成的例子Simulink通用组件系统配置。
3.2通过GUI选择
GUI管理系统定义的复杂性和使新手用户，以及专家，以快速找到他们需要的文件，把它们拼接成一个内聚模拟，执行标准工作流程执行数据库管理功能而不成为此番。定义模型的第一步是选择它的配置。由于用户选择不同的系统GUI，一些配置选项可能在GUI和选择通过拖放。一旦配置选择，专家选择他们的模型和初始化文件定义系统。
3.3自动建立整个模型
自主采用了独特的方法，允许用户建立一个完整的系统模型的基础上配置和从GUI中选择的系统。这给用户保存和版本控制模型独立的灵活性无需手动连接每个模型的输入和输出。用户在用户界面中选择正确的文件自动生成算法使用相关元数据用模型创建正确的连接这个GUI，还使用元数据来方便其他必要的功能，如兼容性检查和文件选择。
图2
图2显示了每个从GUI中选择的系统是如何建立和连接，以代表最终的模型。它也允许组件专家（例如，发动机专家）专注于他们熟悉的领域，同时能够评估他们的组件既作为一个独立的系统，以及在车辆上下文中。系统可以导出和转移的方式，或系统可以通过共享数据库。自律包括许多预建的系统可能给用户一个“跳跃开始”创造车辆从零开始。
独特的自主架构允许用户进行多物理系统仿真V形图的不同步骤中使用一个单一的工具。这个以下部分提供了工具的例子能力.
4模型在回路中的例子
在环模型（MIL）可以用来解决一个非常广泛问题范围。如前所述，纯模拟通常用于过程的开始，允许工程师研究系统的性能和设计控制算法（s）。由于模拟时间短非常大量的模拟可以快速执行。本节提供了一些主要的概述应用程序可以使用自主军事解决。
4.1车型验证
在执行任何分析之前，重要的是要验证组件和子系统模型[ 8，9 ]提供对结果的信心。自主性允许用户输入分析零部件和车辆测试数据环境作为模型，从而促进分析和验证.大多数车辆测试数据用于验证模型来自阿贡国家实验室的先进的动力总成研究设施（APRF）。混合和插入式混合动力电动汽车，分析的关键步骤之一包括了解车辆能源管理。事实上，重要的是要了解不同状态的系统（即发动机开/关、换档、再生）从控制点）和选择标准观。例如，发动机开启的条件普锐斯混合动力汽车2010如图3所示（即发动机将打开上面的一个车轮扭矩需求400nm处
20弧度/秒轮速）。
4.2动力总成的影响比较
电动汽车提供更大的灵活性，从动力总成配置的观点与数百可能的组合。因此，任何多是关键系统仿真工具，处理了大量的动力传动系统配置的优势和了解不同驾驶方式下的不同选项的弊端热条件[ 10 ]。自主目前包括关闭200种不同的动力总成配置。图6显示了通用Voltec之间的比较动力总成配置和系列混合配置混合动力汽车的应用。这种分析为研究者提供了组件尺寸的洞察力，性能和能源管理。在下面的例子中，大小的结果表明通用Voltec动力系统需要较少的组件功率满足整车技术规格比一个系列的混合作为一个结果的许多组成部分发动机与车轮之间的效率。此外,模拟进行表征的影响组件操作条件和燃料消耗期间城市公路驾驶。使用GM中的串联模式Voltec意味着一个相对较大的电机需要解决车辆的功率要求。在通用的Voltec功率分流方式，电机用于辅助发动机；该插件系列混合，电机作为发电机。它被确定的通用Voltec动力消耗在所有的驾驶条件模式比5%少能源在UDDS循环纯串联式结构。
4.3车辆能源管理的影响
系统仿真的另一个关键好处是快速有效地开发和评估的影响高级车辆级能量管理算法。在这个环节的专家工具厂模型（即AMESim，GTPowerhellip;），Autonomie支持第三方集成特定用例的工具。自优化控制插入式混合动力电动汽车的方法要求了解整个驾驶周期和海拔剖面为了获得最佳的性能超过固定行驶路线，链接与其他工具，如这里的交通信息正在迅速成为最重要的[ 12，13 ]。图7显示了一个基于路由的控件示例包括地理信息系统（GIS）。
5,软件在循环的例子-
生产控制发展（GM）一次高水平的分析是密相期间执行，更高的保真度模型和控制可以用来开发测试生产控制。在这一阶段，这是至关重要的该工具能够处理范围广泛的建模语言与模型复杂性。Autonomie目前是正在使用通用汽车在几个关键项目，以加快实施下一代先进发动机、变速器和混合动力技术应用程序（包括下一代雪佛兰Volt）和雪佛兰马里布eAssist）。所用的方法虚拟ECU软件开发，系统仿真，要求整个系统进行建模，包括植物，传感器/执行器，控制器硬件，和算法/应用软件。虽然植物模型可能是可用的，或可以很容易开发的控制算法模型不是所有可用，和唯一的表示算法的功能可能包含在现有软件中。在这些情况下，一个完整的系统仿真只能在一个完整的已创建并加载到目标的软件生成嵌入式控制器。然后控制算法软件可以在硬件在环（HIL）系统，在测试实际控制器及其应用软件连接一个实时计算机系统运行的一个仿真代表物理系统的植物模型最终将使用控制器。这是唯一可能的当控制器硬件和相关软件可用时，是相当困难和昂贵的倍数控制器参与。系统仿真有许多具有挑战性的要求，包括：bull;需要支持灵活的建模，bull;许多复杂的模型互连能力涉及数百个输入和输出信号，bull;表示所有控制系统功能，当许多控制函数模型不可获得的模型共享设施，模型制作提供给大型用户社区上面列出的挑战用组合解决了在阿贡国家开发自主软件在环的实验室和一个独特的软件（SIL）通用动力总成工程的能力[ 14 ]。自通过对自主，电动汽车控制通用汽车集团一直在使用这种方法的虚拟控件的开发。通用创造了一个分布式的工作利用插件和播放功能的环境自律这样的植物模型，传感器/执行器模型，控制算法模型，并编译制作软件不同开发的系统的组成部分整个组织的人可以无缝集成到系统仿真。这个设施使使用具有不同程度保真度的模型在一些商业仿真工具中实现。
图8显示了控制器模型结构，包括：
bull;块的实时操作系统（RTOS）调度任务在软件和算法模型
bull;控制器局域网（CAN）通信块向控制器提供串行数据信号软件
bull;一个算法模型（AM）块，包含AMS在发展
bull;硬件I/O（hwio）块包含在hwio功能行为模型控制器
一个正式的过程已经建立，以允许用户存档和共享模型和完整的系统模拟。植物模型重用仿真以及系统仿真，最小化返工和冗余开发。迁移从一个控制器软件发布到下一个很容易所容纳的软件的自动化功能—循环过程和自主的互连能力。开放式体系结构的模拟设施允许集成的通用内部工具，如全球自动化测试工具和自动化测试（Glatt）套房（TAS）。图9说明了一个例子自动插入控制算法模型到模拟.
6,循环中的组件示例
电池硬件受到电力需求在自主性[ 15 ]虚拟车辆。高压直流电源电池模拟电池利用率标准测功机循环或真实驾驶。实时电池反馈（SOC，电压，温度），虚拟车辆能源使用的电流限制）管理控制器作为其战略的一部分。控制硬件或接收反馈，具体逻辑需要介绍.这为用户提供了一个方便的点实施测试计划或执行检查确保安全硬件操作。图11描述了泛型用于硬件/软件交互的配置设置。注意，选择cxil应用配置从根本上不同于MIL和SIL。
一个中型预传输自主模拟一·41-A H平行的车辆，10千瓦时的电池在JCS电动操作进行了比较，以相同的车辆与实际的物理电池（同规格）利用BIL。实验的目的是验证电池仿真模型。正确的验证是唯一可能的，如果电池模型可以无缝地由实际取代电池，其余车型剩余不变。自主性提供了这样的灵活性实验。仿真结束后，Autonomie配置为CIL，如上面的部分。图12比较自主的模拟电压（红色）与实际电池电压（蓝色）。
为了降低成本，汽车行业一直在拥抱基于模型的系统工程建模、仿真，测试与分析。本文提出了一种理想的建模专家生产高品质图书馆的过程在不同程度的保真度使用模型组织和跨汽车行业。这些模型无缝连接的最大可重用性和灵活性，使合作快捷方便。模型由这些专家开发，可用于从一开始设计过程结束，从高级配置分类研究，用生产软件进行代码测试（如锡勒，HIL，或RCP），和，最后，解决生产中存在的问题。每个系统（例如，工厂或控制）可
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