串聯(lián)混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與Matlab仿真

魯子卉

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130033)

石油資源短缺和環(huán)境污染成為影響當(dāng)今汽車發(fā)展的兩大主題，以電驅(qū)動(dòng)為特點(diǎn)的新能源車輛成為了現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外汽車領(lǐng)域所關(guān)注的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。隨著電力電子系統(tǒng)、通訊與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用已日益成熟。混合動(dòng)力電動(dòng)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(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)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(shì)，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(jī)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(dòng)力電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模方法展開研究，分析了串聯(lián)混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，并建立了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的仿真模型。

1 串聯(lián)混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組、整流橋、DC -DC 變換器、動(dòng)力電池組、電機(jī)變頻控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組為電機(jī)系統(tǒng)持續(xù)提供電能，而電池組則適時(shí)進(jìn)行電能補(bǔ)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(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的電壓與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)同時(shí)通過DC-DC 變換器來控制母線電壓，使其與發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組電壓相匹配，電機(jī)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(gè)系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系

其中:ηT為從電機(jī)輸出軸到車輪的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)是其工作點(diǎn)控制不受外部負(fù)載的影響，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速無耦合關(guān)系，因此發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組可工作在最優(yōu)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)只帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)或蓄電池供電而不直接驅(qū)動(dòng)車輛。發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間采用柔性連接，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在底盤上易于布置。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過合理控制可實(shí)現(xiàn)如下工作模式:①純電力驅(qū)動(dòng)模式:在該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅由電池來為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能;②發(fā)動(dòng)機(jī)主導(dǎo)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(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組，而電池組僅用來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn);③協(xié)同工作模式:該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組與電池組一起工作，共同為整個(gè)系統(tǒng)輸出電能，是最為常用的一種模式，在該模式下，動(dòng)力電池組不斷輸出或吸收能量，使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在效率最優(yōu)的區(qū)域;④再生制動(dòng)模式:當(dāng)車輛減速時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用作發(fā)電機(jī)，將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在電池中。

2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模

為便于混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)研究，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真是重要的技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)手段，具有十分重要的意義?；谏鲜龇治?，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中各關(guān)鍵部件進(jìn)行建模，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組子模型、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)子模型、動(dòng)力電池組模型、DC -DC 變換器模型及車輛動(dòng)力學(xué)模型等，進(jìn)而建立出可用于混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真的電驅(qū)動(dòng)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(fù)雜卻能在足夠的精度上反映電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特性。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組子模型

發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組是混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主要部件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)通過機(jī)械增速箱連接，帶有濾波電容的不控整流橋連接發(fā)電機(jī)與直流母線［3］，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)動(dòng)力學(xué)關(guān)系如下

其中:Te與Tg為發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)力矩;ωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;ηz為增速箱傳動(dòng)效率;J 為發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

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

其中:Ig為發(fā)電機(jī)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(dòng)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(jìn)行電池SOC 估計(jì)

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

2.3 電動(dòng)機(jī)模型

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是串聯(lián)混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。系統(tǒng)對(duì)外釋放的驅(qū)動(dòng)力矩均來自于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多數(shù)采用三相感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通之間的解耦。

圖3 感應(yīng)電機(jī)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(jī)模型的輸入量為定子電壓和頻率，輸出量為電機(jī)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(shí)電流;Lm為定轉(zhuǎn)子繞組軸線重合時(shí)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(duì)所建立的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)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(dòng)機(jī)與電機(jī)工作狀態(tài)，截取200 ～500 s部分觀察如圖5，在減速階段電機(jī)力矩為負(fù)值，表示電機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

圖4 UDDS 城市運(yùn)行工況

圖5 電機(jī)輸出功率仿真結(jié)果

整個(gè)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(dòng)力汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制領(lǐng)域的仿真研究。

圖6 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)UDDS 仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

對(duì)當(dāng)前廣泛使用的串聯(lián)式混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究，提出了簡(jiǎn)化但又抓住各部件主要特點(diǎn)的建模方案，對(duì)所建立的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型結(jié)合UDDS 城市工況進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)控制的仿真與研究。

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