基于ADVISOR的动力系统设计及其仿真分析

引言

为了解决世界的能源和环保问题，电动汽车的研发倍受关注。但我国电动汽车的研发工作，大多建立在对现有燃油汽车进行改装设计的基础上完成的。因此，为了研制出经济、实用的电动汽车，利用先进的仿真技术对其性能进行仿真分析是非常必要的。本文在对某微型燃油汽车底盘进行改装设计的基础上，利用ADVISOR仿真软件对其性能进行仿真分析，从而为该微型电动汽车的设计和产业化提供参考。

1　动力系统设计及主要部件选择

电动汽车与传统的燃油汽车的真正区别在于动力系统。电动汽车是用电力驱动车辆，由蓄电池供电，通过电动机及控制器将电能转化为机械能来驱动整车。由某微型燃油汽车底盘改装设计的微型电动汽车动力系统结构如图1所示。

作为电动汽车的动力源蓄电池，是电动汽车的关键部件，决定着电动汽车的多方面性能。目前正在使用的蓄电池种类很多，如铅酸蓄电池、镍铬蓄电池、镍氢蓄电池等。其中铅酸蓄电池具有通用、技术成熟、廉价、比能量适中、高倍率放电性能好、高低温性能良好等优点，因而得到广泛的应用。

电动机及驱动系统将蓄电池的能量转换为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。目前正在应用或开发的电动汽车电动机主要有直流电动机、交流感应电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机等。而永磁无刷直流电动机不仅具有较高的重量比功率，而且集电动、发电及制动功能于一体，效率高，控制灵活，得到电动汽车领域内广泛关注。

故本文选用以铅酸蓄电池组和无刷直流电动机等部件构成的动力系统来替代原燃油微型汽车的内燃机和油箱。

2　仿真模型的建立

2.1　蓄电池系统仿真模型

本文建立的铅酸蓄电池系统仿真模型如图2所示。该模型描述了储存在蓄电池内的能量接受请求功率，从蓄电池中返回可用功率或实际功率的过程。

它主要包括以下模块：

1）开路电压和内阻的计算模块。在电动汽车仿真中，最常见的蓄电池模型是内阻模型。该模型将蓄电池看成一个理想电压源串联一个内阻的等效电路，其电压特性为：

式中：Voc为开路电压（V）；U为电池工作电压（V）；R为电池等效内阻（Ω）。
由（1）式可计算出在给定荷电状态（SOC）和请求电池功率状态下的开路电压Voc和内阻R。

2）电流计算模块。电流计算是通过一个二次方程求解得到的，即：

式中P为功率。

3）功率限制模块。此模块用来限制请求功率不得超过电池功率。

4）SOC运算模块。荷电状态（SOC）的数值可用下式计算：
SOC=（初始电量-已用电量）/初始电量 （3）
其中，已用电量采用安培时间积分法计算。

5）热量模块。在电动汽车行驶和充放电时，热量模块主要用来预测以时间为函数的电池温度。

2.2　电动机及驱动系统仿真模型

电动机及驱动系统的建模基础是电动机的电压、转矩、功率的平衡方程和运动特性方程。若假定绕组完全对称、主电路电流连续、磁阻恒定、忽略粘性摩擦，则可得到无刷直流电机的电压平衡方程：

式中：ua、ub、uc分别为定子相绕组电压（V）；ia、ib、ic分别为定子相绕组电流（A）；ea、eb、ec分别为定子相绕组电动势（V）；R为每相绕组的电阻（Ω）；L为每相绕组的自感（H）；M为每两相绕组间的互感（H）。

根据电压平衡方程式（4）可以得到电动机的等效电路图，如图3所示。

这样，电动机的电磁转矩tem为：
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式中Ω为转子机械角速度。
基于上述分析，本文建立了永磁无刷直流电动机及驱动系统的仿真模型，如图4所示。它主要由以下4个模块构成：

1）转速限制模块。
该模块主要用来预测电动机的请求转速是否超过了电动机的转速范围。当vveh>vcyc时，输出的转速为电机的最大转速；当vvehωa=va·ωlim/vavail
式中：vcyc为循环工况的请求车速；vveh为车辆模型计算的车速；va为实际车速；ωlim为受限制的需求转速；vavail为驱动系统可达到的理论车速。

2）转动惯量的作用模块。
该模块主要是考虑电动机等转动部件的转矩消耗。它根据驱动系统的整体传动比，计算电动机惯量与整车惯量的函数关系，最后根据输入的转速计算转动惯量。

3）转矩限制模块。
该模块主要是限制电动机的请求转矩不能超出电动机的转矩范围。它根据最大转速所对应的最大转矩，分别计算出作为电动机或发电机使用时的最大转矩，再根据关系比较得出输出的最大转矩，建模关系为：当Treq>0时，工作在电动机状态，T=min（Treq,Tmax）；当Treq<0时，工作在发电机状态，T=min（Treq,Tgen·max）。其中Treq为请求的电动机转矩；Tmax、Tgen·max分别为最大充电转矩和最大发电转矩。

4）热量模块。
该模块是用来计算电动机的温度和为保持某一温度所采用的散热方式的热功率损失。

2.3　整车仿真模型

ADVISOR的仿真模型是直接按照实际动力系统的布局搭建，其中整车仿真模型包括循环工况、车辆、车轮、变速器、驱动电机系统、能量源等子模块。

各个子模块都建立了一个Simulink仿真模块，且能够通过M函数来控制其参数的变化。本文建立的整车仿真模型，如图5所示。


3　整车动力性能仿真

3.1　整车的技术参数

改装后的微型电动汽车主要的技术参数如表1所示。


3.2　循环工况的选择

本文选择美国环境保护署EPA制订的城市道路循环UDDS（UrbanDynamometerDrivingSchedule）作为循环工况。其循环时间为1367s;行驶路程为11.99km;最高车速为91.25km/h;平均车速为31.51km/h;最大加速度为1.48m/s2;最大减速度为-1.48m/s2;空载时间为259s;停车次数为17。

3.3　仿真结果

根据以上技术参数，采用UDDS循环工况对已建立的整车仿真模型进行仿真，仿真结果分别如表2和图6所示。

图6（a）为整车车速随时间的变化，最高车速为76.2km/h,仿真结果显示实际车速能够很好地跟踪循环工况车速。图6（b）、（c）为电动机和蓄电池能量源的输出功率，整个驱动循环中电动机输出功率有正有负，负值反映了电动机工作在发电的状态下。蓄电池的输出功率也是有正有负，负的功率反映了蓄电池是工作在充电的状态。图6（d）为蓄电池的SOC值变化，曲折的曲线表明，车辆在频繁加减速的工作过程中，是可以回收能量给蓄电池充电的。

4　结语

通过对某微型燃油汽车底盘进行改装设计并利用ADVISOR仿真软件进行大量的仿真分析，说明该车的动力系统设计方案是实用、可行的。通过仿真分析可以看到，该电动汽车在行驶、加速、制动等方面都能够适应城市的交通状况，这对电动汽车研发和产业化具有重要的参考价值。