基于ADVISOR的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真分析

引言

為了解決世界的能源和環(huán)保問題，電動(dòng)汽車的研發(fā)倍受關(guān)注。但我國電動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車的設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)化提供參考。

1　動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要部件選擇

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

作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源蓄電池，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，決定著電動(dòng)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(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(yīng)用。

電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將蓄電池的能量轉(zhuǎn)換為車輪的動(dòng)能，或者將車輪上的動(dòng)能反饋到蓄電池中。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。而永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成的動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)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(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(shí)間積分法計(jì)算。

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

2.2　電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建?；A(chǔ)是電動(dòng)機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩、功率的平衡方程和運(yùn)動(dòng)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(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(dòng)機(jī)的等效電路圖，如圖3所示。

這樣，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩tem為：