基于ADVISOR的動力系統(tǒng)設計及其仿真分析

引言

為了解決世界的能源和環(huán)保問題，電動汽車的研發(fā)倍受關注。但我國電動汽車的研發(fā)工作，大多建立在對現(xiàn)有燃油汽車進行改裝設計的基礎上完成的。因此，為了研制出經(jīng)濟、實用的電動汽車，利用先進的仿真技術對其性能進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行改裝設計的基礎上，利用ADVISOR仿真軟件對其性能進行仿真分析，從而為該微型電動汽車的設計和產(chǎn)業(yè)化提供參考。

1　動力系統(tǒng)設計及主要部件選擇

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動車輛，由蓄電池供電，通過電動機及控制器將電能轉化為機械能來驅動整車。由某微型燃油汽車底盤改裝設計的微型電動汽車動力系統(tǒng)結構如圖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，因而得到廣泛的應用。

電動機及驅動系統(tǒng)將蓄電池的能量轉換為車輪的動能，或者將車輪上的動能反饋到蓄電池中。目前正在應用或開發(fā)的電動汽車電動機主要有直流電動機、交流感應電動機、永磁無刷直流電動機和開關磁阻電動機等。而永磁無刷直流電動機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，得到電動汽車領域內廣泛關注。

故本文選用以鉛酸蓄電池組和無刷直流電動機等部件構成的動力系統(tǒng)來替代原燃油微型汽車的內燃機和油箱。

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的能量接受請求功率，從蓄電池中返回可用功率或實際功率的過程。

它主要包括以下模塊：

1）開路電壓和內阻的計算模塊。在電動汽車仿真中，最常見的蓄電池模型是內阻模型。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)下的開路電壓Voc和內阻R。

2）電流計算模塊。電流計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運算模塊。荷電狀態(tài)（SOC）的數(shù)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間積分法計算。

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測以時間為函數(shù)的電池溫度。

2.2　電動機及驅動系統(tǒng)仿真模型

電動機及驅動系統(tǒng)的建?；A是電動機的電壓、轉矩、功率的平衡方程和運動特性方程。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）可以得到電動機的等效電路圖，如圖3所示。

這樣，電動機的電磁轉矩tem為：