基于A(yíng)DVISOR的動(dòng)力系統設計及其仿真分析

引言

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

1　動(dòng)力系統設計及主要部件選擇

電動(dòng)汽車(chē)與傳統的燃油汽車(chē)的真正區別在于動(dòng)力系統。電動(dòng)汽車(chē)是用電力驅動(dòng)車(chē)輛，由蓄電池供電，通過(guò)電動(dòng)機及控制器將電能轉化為機械能來(lái)驅動(dòng)整車(chē)。由某微型燃油汽車(chē)底盤(pán)改裝設計的微型電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統結構如圖1所示。

作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源蓄電池，是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，決定著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的多方面性能。目前正在使用的蓄電池種類(lèi)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)，因而得到廣泛的應用。

電動(dòng)機及驅動(dòng)系統將蓄電池的能量轉換為車(chē)輪的動(dòng)能，或者將車(chē)輪上的動(dòng)能反饋到蓄電池中。目前正在應用或開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機主要有直流電動(dòng)機、交流感應電動(dòng)機、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機等。而永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機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(chē)領(lǐng)域內廣泛關(guān)注。

故本文選用以鉛酸蓄電池組和無(wú)刷直流電動(dòng)機等部件構成的動(dòng)力系統來(lái)替代原燃油微型汽車(chē)的內燃機和油箱。

2　仿真模型的建立

2.1　蓄電池系統仿真模型

本文建立的鉛酸蓄電池系統仿真模型如圖2所示。該模型描述了儲存在蓄電池內的能量接受請求功率，從蓄電池中返回可用功率或實(shí)際功率的過(guò)程。

它主要包括以下模塊：

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

式中：Voc為開(kāi)路電壓（V）；U為電池工作電壓（V）；R為電池等效內阻（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(kāi)路電壓Voc和內阻R。

2）電流計算模塊。電流計算是通過(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)限制請求功率不得超過(guò)電池功率。

4）SOC運算模塊。荷電狀態(tài)（SOC）的數值可用下式計算：
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(shí)間積分法計算。

5）熱量模塊。在電動(dòng)汽車(chē)行駛和充放電時(shí)，熱量模塊主要用來(lái)預測以時(shí)間為函數的電池溫度。

2.2　電動(dòng)機及驅動(dòng)系統仿真模型

電動(dòng)機及驅動(dòng)系統的建?；A是電動(dòng)機的電壓、轉矩、功率的平衡方程和運動(dòng)特性方程。若假定繞組完全對稱(chēng)、主電路電流連續、磁阻恒定、忽略粘性摩擦，則可得到無(wú)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(dòng)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?jì)上嗬@組間的互感（H）。

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

這樣，電動(dòng)機的電磁轉矩tem為：