電動(dòng)汽車性能分析方案之ADVISOR仿真模型

引言

為了解決世界的能源和環(huán)保問(wèn)題，電動(dòng)汽車的研發(fā)倍受關(guān)注。但我國(guó)電動(dòng)汽車的研發(fā)工作，大多建立在對(duì)現(xiàn)有燃油汽車進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成的。因此，為了研制出經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的電動(dòng)汽車，利用先進(jìn)的仿真技術(shù)對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析是非常必要的。本文在對(duì)某微型燃油汽車底盤進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用ADVISOR仿真軟件對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析，從而為該微型電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)化提供參考。

1動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要部件選擇

電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的燃油汽車的真正區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)。電動(dòng)汽車是用電力驅(qū)動(dòng)車輛，由蓄電池供電，通過(guò)電動(dòng)機(jī)及控制器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)整車。由某微型燃油汽車底盤改裝設(shè)計(jì)的微型電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源蓄電池，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，決定著電動(dòng)汽車的多方面性能。目前正在使用的蓄電池種類很多，如鉛酸蓄電池、鎳鉻蓄電池、鎳氫蓄電池等。其中鉛酸蓄電池具有通用、技術(shù)成熟、廉價(jià)、比能量適中、高倍率放電性能好、高低溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。

電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將蓄電池的能量轉(zhuǎn)換為車輪的動(dòng)能，或者將車輪上的動(dòng)能反饋到蓄電池中。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。而永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不僅具有較高的重量比功率，而且集電動(dòng)、發(fā)電及制動(dòng)功能于一體，效率高，控制靈活，得到電動(dòng)汽車領(lǐng)域內(nèi)廣泛關(guān)注。

故本文選用以鉛酸蓄電池組和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)替代原燃油微型汽車的內(nèi)燃機(jī)和油箱。

2仿真模型的建立

2.1蓄電池系統(tǒng)仿真模型

本文建立的鉛酸蓄電池系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。該模型描述了儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)的能量接受請(qǐng)求功率，從蓄電池中返回可用功率或?qū)嶋H功率的過(guò)程。

它主要包括以下模塊：

1）開路電壓和內(nèi)阻的計(jì)算模塊。在電動(dòng)汽車仿真中，最常見(jiàn)的蓄電池模型是內(nèi)阻模型。該模型將蓄電池看成一個(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)內(nèi)阻的等效電路，其電壓特性為：

式中：Voc為開路電壓（V）；U為電池工作電壓（V）；R為電池等效內(nèi)阻（Ω）。

由（1）式可計(jì)算出在給定荷電狀態(tài)（SOC）和請(qǐng)求電池功率狀態(tài)下的開路電壓Voc和內(nèi)阻R。

2）電流計(jì)算模塊。電流計(jì)算是通過(guò)一個(gè)二次方程求解得到的，即：

式中P為功率。

3）功率限制模塊。此模塊用來(lái)限制請(qǐng)求功率不得超過(guò)電池功率。

4）SOC運(yùn)算模塊。荷電狀態(tài)（SOC）的數(shù)值可用下式計(jì)算：

SOC=（初始電量-已用電量）/初始電量 （3）

其中，已用電量采用安培時(shí)間積分法計(jì)算。

5）熱量模塊。在電動(dòng)汽車行駛和充放電時(shí)，熱量模塊主要用來(lái)預(yù)測(cè)以時(shí)間為函數(shù)的電池溫度。

2.2電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模基礎(chǔ)是電動(dòng)機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩、功率的平衡方程和運(yùn)動(dòng)特性方程。若假定繞組完全對(duì)稱、主電路電流連續(xù)、磁阻恒定、忽略粘性摩擦，則可得到無(wú)刷直流電機(jī)的電壓平衡方程：

式中：ua、ub、uc分別為定子相繞組電壓（V）；ia、ib、ic分別為定子相繞組電流（A）；ea、eb、ec分別為定子相繞組電動(dòng)勢(shì)（V）；R為每相繞組的電阻（Ω）；L為每相繞組的自感（H）；M為每?jī)上嗬@組間的互感（H）。

根據(jù)電壓平衡方程式（4）可以得到電動(dòng)機(jī)的等效電路圖，如圖3所示。

這樣，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem為：

式中Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

基于上述分析，本文建立了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。它主要由以下4個(gè)模塊構(gòu)成：

1）轉(zhuǎn)速限制模塊。

該模塊主要用來(lái)預(yù)測(cè)電動(dòng)機(jī)的請(qǐng)求轉(zhuǎn)速是否超過(guò)了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)vveh>vcyc時(shí)，輸出的轉(zhuǎn)速為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速；當(dāng)vveh

ωa=va·ωlim/vavail

式中：vcyc為循環(huán)工況的請(qǐng)求車速；vveh為車輛模型計(jì)算的車速；va為實(shí)際車速；ωlim為受限制的需求轉(zhuǎn)速；vavail為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可達(dá)到的理論車速。

2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的作用模塊。

該模塊主要是考慮電動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)矩消耗。它根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體傳動(dòng)比，計(jì)算電動(dòng)機(jī)慣量與整車慣量的函數(shù)關(guān)系，最后根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3）轉(zhuǎn)矩限制模塊。

該模塊主要是限制電動(dòng)機(jī)的請(qǐng)求轉(zhuǎn)矩不能超出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩范圍。它根據(jù)最大轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩，分別計(jì)算出作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)使用時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)關(guān)系比較得出輸出的最大轉(zhuǎn)矩，建模關(guān)系為：當(dāng)Treq>0時(shí)，工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，T=min（Treq,Tmax）；當(dāng)Treq<0時(shí)，工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，T=min（Treq,Tgen·max）。其中Treq為請(qǐng)求的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；Tmax、Tgen·max分別為最大充電轉(zhuǎn)矩和最大發(fā)電轉(zhuǎn)矩。

4）熱量模塊。

該模塊是用來(lái)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的溫度和為保持某一溫度所采用的散熱方式的熱功率損失。

2.3整車仿真模型

ADVISOR的仿真模型是直接按照實(shí)際動(dòng)力系統(tǒng)的布局搭建，其中整車仿真模型包括循環(huán)工況、車輛、車輪、變速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、能量源等子模塊。

各個(gè)子模塊都建立了一個(gè)Simulink仿真模塊，且能夠通過(guò)M函數(shù)來(lái)控制其參數(shù)的變化。本文建立的整車仿真模型，如圖5所示。

3整車動(dòng)力性能仿真

3.1整車的技術(shù)參數(shù)

改裝后的微型電動(dòng)汽車主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.2循環(huán)工況的選擇

本文選擇美國(guó)環(huán)境保護(hù)署EPA制訂的城市道路循環(huán)UDDS（UrbanDynamometerDrivingSchedule）作為循環(huán)工況。其循環(huán)時(shí)間為1367s;行駛路程為11.99km;最高車速為91.25km/h;平均車速為31.51km/h;最大加速度為1.48m/s2;最大減速度為-1.48m/s2;空載時(shí)間為259s;停車次數(shù)為17。

3.3仿真結(jié)果

根據(jù)以上技術(shù)參數(shù)，采用UDDS循環(huán)工況對(duì)已建立的整車仿真模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果分別如表2和圖6所示。

圖6（a）為整車車速隨時(shí)間的變化，最高車速為76.2km/h,仿真結(jié)果顯示實(shí)際車速能夠很好地跟蹤循環(huán)工況車速。圖6（b）、（c）為電動(dòng)機(jī)和蓄電池能量源的輸出功率，整個(gè)驅(qū)動(dòng)循環(huán)中電動(dòng)機(jī)輸出功率有正有負(fù)，負(fù)值反映了電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電的狀態(tài)下。蓄電池的輸出功率也是有正有負(fù)，負(fù)的功率反映了蓄電池是工作在充電的狀態(tài)。圖6（d）為蓄電池的SOC值變化，曲折的曲線表明，車輛在頻繁加減速的工作過(guò)程中，是可以回收能量給蓄電池充電的。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某微型燃油汽車底盤進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)并利用ADVISOR仿真軟件進(jìn)行大量的仿真分析，說(shuō)明該車的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是實(shí)用、可行的。通過(guò)仿真分析可以看到，該電動(dòng)汽車在行駛、加速、制動(dòng)等方面都能夠適應(yīng)城市的交通狀況，這對(duì)電動(dòng)汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化具有重要的參考價(jià)值。