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[導(dǎo)讀] 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(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)用的電動汽車,利用先進(jìn)的仿真技術(shù)對

 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(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)用的電動汽車,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底盤進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用ADVISOR仿真軟件對其性能進(jìn)行仿真分析,從而為該微型電動汽車的設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)化提供參考。

  1 動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)及控制器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動整車。由某微型燃油汽車底盤改裝設(shè)計(jì)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(diǎn),因而得到廣泛的應(yīng)用。

  電動機(jī)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(jī)主要有直流電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)、永磁無刷直流電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)等。而永磁無刷直流電動機(jī)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(jī)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(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(jì)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(jì)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(jì)算模塊。電流計(jì)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(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間積分法計(jì)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(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型

  電動機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)的建模基礎(chǔ)是電動機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩、功率的平衡方程和運(yùn)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(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(jī)的等效電路圖,如圖3所示。

  這樣,電動機(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,本文建立了永磁無刷直流電動機(jī)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(jī)的請求轉(zhuǎn)速是否超過了電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)vveh>vcyc時,輸出的轉(zhuǎn)速為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速;當(dāng)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(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)動系統(tǒng)可達(dá)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(jī)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(jì)算電動機(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)動慣量。

  3)轉(zhuǎn)矩限制模塊。

  該模塊主要是限制電動機(jī)的請求轉(zhuǎn)矩不能超出電動機(jī)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(jì)算出作為電動機(jī)或發(fā)電機(jī)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(dāng)Treq>0時,工作在電動機(jī)狀態(tài),T=min(Treq,Tmax);當(dāng)Treq<0時,工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài),T=min(Treq,Tgen·max)。其中Treq為請求的電動機(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。

  該模塊是用來計(jì)算電動機(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(jī)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(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(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)為電動機(jī)和蓄電池能量源的輸出功率,整個驅(qū)動循環(huán)中電動機(jī)輸出功率有正有負(fù),負(fù)值反映了電動機(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(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,說明該車的動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是實(shí)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。

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