基于ADVISOR的電動汽車動力性能仿真分析

　引言

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

　　1　動力系統(tǒng)設(shè)計及主要部件選擇

　　電動汽車與傳統(tǒng)的燃油汽車的真正區(qū)別在于動力系統(tǒng)。電動汽車是用電力驅(qū)動車輛，由蓄電池供電，通過電動機及控制器將電能轉(zhuǎn)化為機械能來驅(qū)動整車。由某微型燃油汽車底盤改裝設(shè)計的微型電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　作為電動汽車的動力源蓄電池，是電動汽車的關(guān)鍵部件，決定著電動汽車的多方面性能。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、比能量適中、高倍率放電性能好、高低溫性能良好等優(yōu)點，因而得到廣泛的應(yīng)用。

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

　　故本文選用以鉛酸蓄電池組和無刷直流電動機等部件構(gòu)成的動力系統(tǒng)來替代原燃油微型汽車的內(nèi)燃機和油箱。

　　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。該模型描述了儲存在蓄電池內(nèi)的能量接受請求功率，從蓄電池中返回可用功率或?qū)嶋H功率的過程。

　　它主要包括以下模塊：

　　1）開路電壓和內(nèi)阻的計算模塊。在電動汽車仿真中，最常見的蓄電池模型是內(nèi)阻模型。該模型將蓄電池看成一個理想電壓源串聯(lián)一個內(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）式可計算出在給定荷電狀態(tài)（SOC）和請求電池功率狀態(tài)下的開路電壓Voc和內(nèi)阻R。

　　2）電流計算模塊。電流計算是通過一個二次方程求解得到的，即：

　　式中P為功率。

　　3）功率限制模塊。此模塊用來限制請求功率不得超過電池功率。

　　4）SOC運算模塊。荷電狀態(tài)（SOC）的數(shù)值可用下式計算：

　　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間積分法計算。

　　5）熱量模塊。在電動汽車行駛和充放電時，熱量模塊主要用來預(yù)測以時間為函數(shù)的電池溫度。

　　2.2　電動機及驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型

　　電動機及驅(qū)動系統(tǒng)的建模基礎(chǔ)是電動機的電壓、轉(zhuǎn)矩、功率的平衡方程和運動特性方程。若假定繞組完全對稱、主電路電流連續(xù)、磁阻恒定、忽略粘性摩擦，則可得到無刷直流電機的電壓平衡方程：

　　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勢（V）；R為每相繞組的電阻（Ω）；L為每相繞組的自感（H）；M為每兩相繞組間的互感（H）。

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

　　這樣，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem為：

　　式中Ω為轉(zhuǎn)子機械角速度。

　　基于上述分析，本文建立了永磁無刷直流電動機及驅(qū)動系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。它主要由以下4個模塊構(gòu)成：

　　1）轉(zhuǎn)速限制模塊。

　　該模塊主要用來預(yù)測電動機的請求轉(zhuǎn)速是否超過了電動機的轉(zhuǎn)速范圍。當vveh>vcyc時，輸出的轉(zhuǎn)速為電機的最大轉(zhuǎn)速；當vveh<vcyc時，輸出的轉(zhuǎn)速為：

　　ωa=va·ωlim/vavail

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

　　2）轉(zhuǎn)動慣量的作用模塊。

　　該模塊主要是考慮電動機等轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)矩消耗。它根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的整體傳動比，計算電動機慣量與整車慣量的函數(shù)關(guān)系，最后根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速計算轉(zhuǎn)動慣量。

　　3）轉(zhuǎn)矩限制模塊。

　　該模塊主要是限制電動機的請求轉(zhuǎn)矩不能超出電動機的轉(zhuǎn)矩范圍。它根據(jù)最大轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩，分別計算出作為電動機或發(fā)電機使用時的最大轉(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Treq>0時，工作在電動機狀態(tài)，T=min（Treq,Tmax）；當Treq<0時，工作在發(fā)電機狀態(tài)，T=min（Treq,Tgen·max）。其中Treq為請求的電動機轉(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。

　　該模塊是用來計算電動機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際動力系統(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)動電機系統(tǒng)、能量源等子模塊。

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

　　3　整車動力性能仿真

　　3.1　整車的技術(shù)參數(shù)

　　改裝后的微型電動汽車主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　3.2　循環(huán)工況的選擇

　　本文選擇美國環(huán)境保護署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)工況對已建立的整車仿真模型進行仿真，仿真結(jié)果分別如表2和圖6所示。

　　圖6（a）為整車車速隨時間的變化，最高車速為76.2km/h,仿真結(jié)果顯示實際車速能夠很好地跟蹤循環(huán)工況車速。圖6（b）、（c）為電動機和蓄電池能量源的輸出功率，整個驅(qū)動循環(huán)中電動機輸出功率有正有負，負值反映了電動機工作在發(fā)電的狀態(tài)下。蓄電池的輸出功率也是有正有負，負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程中，是可以回收能量給蓄電池充電的。

　　4　結(jié)語

　　通過對某微型燃油汽車底盤進行改裝設(shè)計并利用ADVISOR仿真軟件進行大量的仿真分析，說明該車的動力系統(tǒng)設(shè)計方案是實用、可行的。通過仿真分析可以看到，該電動汽車在行駛、加速、制動等方面都能夠適應(yīng)城市的交通狀況，這對電動汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化具有重要的參考價值。