魯子卉

(長春職業(yè)技術(shù)學院，長春 130033)

石油資源短缺和環(huán)境污染成為影響當今汽車發(fā)展的兩大主題，以電驅(qū)動為特點的新能源車輛成為了現(xiàn)如今國內(nèi)外汽車領(lǐng)域所關(guān)注的重點與熱點。隨著電力電子系統(tǒng)、通訊與計算機系統(tǒng)的飛速發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用已日益成熟。混合動力電動汽車(hybrid electric vehicle，HEV)是新能源汽車中最具可行性的產(chǎn)品。由于現(xiàn)如今電池容量不能滿足要求，因此HEV 同時采用發(fā)動機和驅(qū)動電機作為動力源，以燃油和電池作為車載電源［1］，可充分利用多種能量源的優(yōu)勢，有效降低油耗和排放。資料表明，HEV 將成為未來幾十年內(nèi)世界汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向之一。目前，世界主要的能源研究機構(gòu)和汽車公司都相繼加入了HEV 的研發(fā)行列［2］。

建模與仿真是新能源汽車研發(fā)過程中的重要手段，本文基于串聯(lián)混合動力電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的建模方法展開研究，分析了串聯(lián)混合動力電驅(qū)動系統(tǒng)的特點，并建立了電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的仿真模型。

1 串聯(lián)混合動力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式混合動力電動汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電驅(qū)動系統(tǒng)主要由發(fā)動機-發(fā)電機組、整流橋、DC -DC 變換器、動力電池組、電機變頻控制器和驅(qū)動電機等組成。發(fā)動機-發(fā)電機組為電機系統(tǒng)持續(xù)提供電能，而電池組則適時進行電能補充;DC -DC 變換器調(diào)節(jié)電池輸出電壓，起到母線電壓調(diào)節(jié)作用。發(fā)動機-發(fā)電機組的電壓與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)，調(diào)節(jié)發(fā)動機工作點同時通過DC-DC 變換器來控制母線電壓，使其與發(fā)動機-發(fā)電機組電壓相匹配，電機控制器的作用是通過變頻調(diào)速使輸出轉(zhuǎn)速跟隨駕駛員操作意圖。

結(jié)合圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可得到整個系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系

其中:ηT為從電機輸出軸到車輪的機械傳動效率;Pψ為道路阻力功率;Pw為空氣阻力功率;Pa為加速阻力功率。

圖1 串聯(lián)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述系統(tǒng)中，發(fā)動機-發(fā)電機組的特點是其工作點控制不受外部負載的影響，即發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速無耦合關(guān)系，因此發(fā)動機-發(fā)電機組可工作在最優(yōu)狀態(tài)，發(fā)動機只帶動發(fā)電機向驅(qū)動電機或蓄電池供電而不直接驅(qū)動車輛。發(fā)動機-發(fā)電機組和驅(qū)動電機之間采用柔性連接，因此驅(qū)動系統(tǒng)在底盤上易于布置。電驅(qū)動系統(tǒng)通過合理控制可實現(xiàn)如下工作模式:①純電力驅(qū)動模式:在該模式下發(fā)動機關(guān)閉，整個電驅(qū)動系統(tǒng)僅由電池來為驅(qū)動電機提供電能;②發(fā)動機主導模式:該模式下電池并不輸出電能，系統(tǒng)中所需能量均來自于發(fā)動機-發(fā)電機組，而電池組僅用來調(diào)節(jié)發(fā)動機工作點;③協(xié)同工作模式:該模式下發(fā)動機-發(fā)電機組與電池組一起工作，共同為整個系統(tǒng)輸出電能，是最為常用的一種模式，在該模式下，動力電池組不斷輸出或吸收能量，使發(fā)動機維持在效率最優(yōu)的區(qū)域;④再生制動模式:當車輛減速時驅(qū)動電機用作發(fā)電機，將車輛動能轉(zhuǎn)化為電能存儲在電池中。

2 電驅(qū)動系統(tǒng)建模

為便于混合動力汽車控制系統(tǒng)研究，對電驅(qū)動系統(tǒng)進行建模與仿真是重要的技術(shù)基礎(chǔ)和科學手段，具有十分重要的意義?；谏鲜龇治觯瑢﹄婒?qū)動系統(tǒng)中各關(guān)鍵部件進行建模，主要包括發(fā)動機-發(fā)電機組子模型、電機驅(qū)動系統(tǒng)子模型、動力電池組模型、DC -DC 變換器模型及車輛動力學模型等，進而建立出可用于混合動力系統(tǒng)仿真的電驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)建模的原則是所建立的模型不能過于復雜卻能在足夠的精度上反映電驅(qū)動系統(tǒng)的工作特性。

2.1 發(fā)動機發(fā)電機組子模型

發(fā)動機-發(fā)電機組是混合動力電驅(qū)動系統(tǒng)中的主要部件之一，發(fā)動機與發(fā)電機通過機械增速箱連接，帶有濾波電容的不控整流橋連接發(fā)電機與直流母線［3］，發(fā)動機與發(fā)電機動力學關(guān)系如下

其中:Te與Tg為發(fā)動機與發(fā)電機力矩;ωg為發(fā)電機轉(zhuǎn)速;ηz為增速箱傳動效率;J 為發(fā)動機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量。

發(fā)電機的工作點與發(fā)電機系統(tǒng)的電流之間存在如下關(guān)系

其中:Ig為發(fā)電機在經(jīng)過不控整流橋之后的輸出電流;Ke與Kx分別為與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。

2.2 電池模型

動力電池組的建模采用等效內(nèi)阻法，其等效電路如圖2所示。

圖2 電池組等效內(nèi)阻模型

將電池視為理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電池模型的輸出為電池組的端電壓可用下式描述

其中:Vba為電池組開路電壓;Rn為電池等效內(nèi)阻;Iba為電池組輸出電流;Uba為電池組端電壓。

內(nèi)阻Rs為荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)相關(guān)的函數(shù)，通過查表獲得。在建模過程中可采用Ah 積分的方法來進行電池SOC 估計

其中:Q0為電池組初始容量;Ib為動力電池組輸出電流;Qm為動力電池組總?cè)萘俊?/p>

2.3 電動機模型

電機驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)混合動力電驅(qū)動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。系統(tǒng)對外釋放的驅(qū)動力矩均來自于電機驅(qū)動系統(tǒng)。

混合動力電驅(qū)動系統(tǒng)多數(shù)采用三相感應(yīng)電機作為驅(qū)動單元，感應(yīng)電機驅(qū)動矢量控制系統(tǒng)［4］的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在建模過程中，首先通過Park 變換實現(xiàn)感應(yīng)電機轉(zhuǎn)矩和磁通之間的解耦。

圖3 感應(yīng)電機電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述電路關(guān)系可建立平衡關(guān)系如式(6)所示。感應(yīng)電機模型的輸入量為定子電壓和頻率，輸出量為電機轉(zhuǎn)速和磁鏈。

其中:um、Im分別為定子M 軸電壓與電流;ut，It分別為定子T 軸電壓與電流;Irm、Irt分別為轉(zhuǎn)子M 軸和T 軸瞬時電流;Lm為定轉(zhuǎn)子繞組軸線重合時相間的互感;Rs、Rr為定子和轉(zhuǎn)子每相繞組阻值;Ls、Lr為定子和轉(zhuǎn)子每相繞組的自感;ωe為電壓旋轉(zhuǎn)角速度;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;eω為定子與轉(zhuǎn)子角速度之差。

4 仿真結(jié)果

結(jié)合城市循環(huán)工況UDDS，對所建立的電驅(qū)動系統(tǒng)模型進行Simulink 系統(tǒng)仿真，循環(huán)工況速度變化曲線如圖4 所示。通過仿真可得到發(fā)動機與電機工作狀態(tài)，截取200 ～500 s部分觀察如圖5，在減速階段電機力矩為負值，表示電機系統(tǒng)在進行制動能量回收。

圖4 UDDS 城市運行工況

圖5 電機輸出功率仿真結(jié)果

整個循環(huán)工況下的仿真結(jié)果如圖6 所示。可以看出:所建立的系統(tǒng)模型具有良好的仿真效果，適合用于混合動力汽車電驅(qū)動系統(tǒng)控制領(lǐng)域的仿真研究。

圖6 電驅(qū)動系統(tǒng)UDDS 仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

對當前廣泛使用的串聯(lián)式混合動力電驅(qū)動系統(tǒng)進行了建模與仿真研究，提出了簡化但又抓住各部件主要特點的建模方案，對所建立的電驅(qū)動系統(tǒng)模型結(jié)合UDDS 城市工況進行了Simulink 系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明所建立的系統(tǒng)模型可有效用于電驅(qū)動系統(tǒng)控制的仿真與研究。

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