電動車輛動力系統(tǒng)設計及聯(lián)合仿真

龔 昕，陳 龍，江浩斌，高 非

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

電動車輛動力系統(tǒng)設計及聯(lián)合仿真

龔 昕，陳 龍，江浩斌，高 非

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

通過分析電動車輛對驅動電機轉矩和轉速的要求，以一電動車輛為例，選定了永磁無刷直流電機作為驅動電機，利用MATLAB中電氣模塊SimPowerSystems建立電機及其控制器仿真模型，設計了包含轉速PID和電流滯環(huán)控制的雙閉環(huán)控制策略;根據(jù)整車三維實體模型中硬點位置，在ADAMS中建立了整車機械仿真模型。通過MATLAB及ADAMS聯(lián)合仿真，分析了電動車輛的動力性(最大車速、最大爬坡度、加速時間)，對研制的樣車進行了測試并與仿真結果進行對比，結果表明仿真結果與試驗結果吻合良好，驗證了電動車輛仿真模型的有效性。

電動車輛;電機設計;動力性;聯(lián)合仿真

電機驅動系統(tǒng)是電動車輛研究的重點，其核心裝置是電機及其控制器［1］。國內外許多學者都對電動車動力性設計理論進行了研究。山東理工大學鐘磊，等［2］對電機、變速器、主減速器進行了設計、計算與匹配，并使用ADVISOR進行了驗證。合肥工業(yè)大學的唐鵬，等［3］建立了純電動汽車各動力系統(tǒng)部件的數(shù)學模型，用ADVISOR車輛仿真軟件系統(tǒng)對電動汽車在典型的道路環(huán)境(駕駛工況)下的動力性進行了仿真。武漢理工大學的陳志雄，等［4］在某純電動汽車動力系統(tǒng)的基礎上，利用ADVISOR車輛仿真軟件建立了蓄電池、電動機及驅動系統(tǒng)和整車仿真模型。韓國ITESO大學的J.M.Lee，等［5］介紹了電動汽車電子動力系統(tǒng)，包括電池、電機和驅動系統(tǒng)的仿真。葡萄牙Polytechnic Institute of Coimbra 的 Jo?o P.Trov?o［6］介紹了一種微型城市電動汽車VEIL的在ISEC大學進行了動力性測試，并與仿真模型進行了對比。

國內外關于電動車輛動力性的文獻都很少系統(tǒng)的將車輛和電機，機械與電子結合起來進行綜合考慮。筆者根據(jù)電動車輛動力性要求對電機的轉矩及轉速進行匹配設計，在MATLAB中建立電機及其控制器模型，將擅長機械建模的虛擬樣機軟件ADAMS應用到電動車輛仿真分析中，通過聯(lián)合仿真分析電動車輛的特性。

1 電機參數(shù)的選擇

從獲得盡可能高的平均行駛速度的觀點出發(fā)，動力性的評定主要有3方面的指標，即最高車速、加速時間、能爬上的最大坡度，設計最高車速為25 km/h，最大坡度為20%，0到最大車速加速時間為15 s。

1.1 電機驅動轉矩的選擇

動力性3方面指標可以等效換算成電動車輛的行駛總阻力，即當電動車輛驅動力Ft大于行駛總阻力時，便可滿足動力性要求。電動汽車行駛阻力包括4個部分:滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡道阻力Fi、加速阻力 Fj。

式中:io為傳動比;r為滾動半徑，m;η為傳動系效率，%。

1.2 電機最大轉速的選擇

電機所需最大轉速可以通過電動車輛最高車速求得:

式中:f為滾動阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風面積，m2;ua為車速，km/h;m為整車質量，kg;α為坡道角度，(°);δ為旋轉質量換算系數(shù);du/dt為行駛加速度，m/s2。

電機驅動轉矩則可表示為:

式中:umax為車輛最大車速，km/h。

1.3 電機的運動方程

永磁電動機轉矩、功率密度大，位置檢測和控制方法簡單，效率高［7］，已在國內外多款混合動力電動車輛中獲得應用，發(fā)展前景十分廣闊。根據(jù)定子繞組中反電動勢波形的不同，可以分為永磁無刷直流電機和永磁同步電機2種形式。永磁無刷直流電動機在電機有效材料利用率相同的情況下，平均轉矩比永磁同步電機的大，控制器和轉子位置傳感器成本也較低，永磁無刷直流電動機轉矩、功率密度大，更普遍的作為電動車輛的動力源。

筆者研究某電動車輛采用二相導通星形三相六狀態(tài)的控制方法來控制永磁無刷直流電機，這種控制方法在任何時間都是兩相線圈導通，1周內有6種狀態(tài)，其電壓方程為:

式中:ua，ub，uc為三相定子電壓，V;ea，eb，ec為三相定子的反電動勢，V;ia，ib，ic為三相定子相電流，A;Ra，Rb，Rc為三相定子繞組的相電阻，Ω;p為微分算子(d/dt);La，Lb，Lc為三相定子自感，H;Lab，Lac，Lba，Lbc，Lca，Lcb為三相定子繞組之間。又由于三相繞組對稱，則有La=Lb=Lc=L，Lab=Lac=Lba=Lbc=Lca=Lcb=M，Ra=Rb=Rc=R。由于三相對稱的電機中，ia+ib+ic=0，所以電壓方程可簡化為:

電磁功率可以由電機的三相反電動勢和三相電流求出，計算公式為:

式中:ω表示為電機當前轉速，rad/s。

永磁無刷直流電機的運動方程:

式中:TL表示為電機負載轉矩，N·m;J為轉動慣量，kg·m2。

根據(jù)公式(1)～公式(7)，可得該電動車輛運動方程為:

利用上述基本理論，根據(jù)某電動車輛的電機的整車動力性設計要求，可得驅動電機動力性參數(shù)最高轉速為5 000/r·min;最大轉矩為75 N·m;最高功率為40 kW。

2 電機控制器的設計方法

無刷直流電機模型采用MATLAB中的SimPowerSystems模塊，此模塊可提供適合基本電子電路和電力系統(tǒng)的建模與仿真工具。這些工具可幫助發(fā)電、輸電和配電以及向機械能量轉換的建模。Sim-PowerSystems非常適合開發(fā)復雜的自給型電力系統(tǒng)，同樣適合電動車輛控制器硬件設計。

電機控制器采取轉速、相電流雙閉環(huán)控制，主環(huán)控制速度，副環(huán)控制相電流。在最大電流受限的條件下，希望利用電機的允許過載能力。理想的情況是:在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值。同時使電動車輛盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速之后，又讓電流立即降低，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。但由于電感的作用，電流是無法突變的。為了實現(xiàn)在允許條件下最快地起動，關鍵是要獲得一段能使電流保持最大值恒流過程，同時在起動結束后，要保持速度恒定。由于只是轉速參與輸入量的調節(jié)，因此，引入了轉速和電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。電機控制器流程(圖1)。

圖1 控制器控制方式流程Fig.1 Control mode flowchart

電機啟動時，電機輸出轉矩經過減速器，機械差速器后平均分配給2個半軸，從而驅動車輛。隨著電機轉速的增加，電機控制器對給定轉速與實際轉速進行PID控制，輸出給定相電流。給定相電流與實際相電流經過電流滯環(huán)控制，產生脈寬調制PWM信號，調整占空比，改變輸出電壓，從而調整電機轉速，使其與給定轉速相同，同時控制相電流在安全范圍內，防止MOSFET管功率過大。

圖2 電流滯環(huán)控制等效電路Fig.2 Current hysteresis control equivalent circuit

電流的控制是采用滯環(huán)控制，以控制A相電流為例，當A相導通有:

式中:UA為A相電壓，V;LA為A相電感，H;EA為A相反電勢，V;iA為A相電流，A;RA為A相電阻，Ω。

由于在電樞電阻較小，忽略iARA，則通過積分可得

假設A相電流小于給定電流，則功率管A1、C2導通，功率管A2關閉，UA等于電池電壓，此時A相電流開始上升［如圖2(a)］，反之則功率管A2、C2導通，功率管A1關閉，UA等于0，此時A相電流開始下降［如圖2(b)］。模塊結構如圖3，輸入為三相參考電流和三相實際電流，輸出為PWM逆變器控制信號。使用這種方法，實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制，使實際電流不斷跟蹤參考電流的波形。

圖3 電流滯環(huán)控制仿真模型Fig.3 Current hysteresis control simulation model

3 整車模型建立與聯(lián)合仿真

3.1 建模前提

由于車輛是一個復雜的機械系統(tǒng)，建模時需對其結構進行適當簡化。本文將簧上質量視為一個具有6個自由度的剛體，各運動副內摩擦力忽略不計，所有零件均認為是剛體，不考慮變形。

3.2 整車特點

小型電動汽車有以下特點:①后輪驅動，前輪為從動輪、轉向輪;②由一個永磁無刷直流電機作為動力源，連接減速機構，差速機構，最后將電機轉矩傳遞到左右車輪;③傳動比固定，沒有變速器，通過前進檔和后退檔控制電機的正轉、反轉，從而實現(xiàn)前進與倒車。

車輛模型參數(shù)從廠商提供的CATIA模型中獲得，根據(jù)CATIA給出的硬點位置，建立ADAMS模型，彈簧、減振器參數(shù)通過臺架試驗獲得，輪胎參數(shù)主要由輪胎廠商提供。建模主要數(shù)據(jù)如表1。

表1 建模主要數(shù)據(jù)Tab.1 Main design parameters

3.3 建模步驟

根據(jù)車輛模型參數(shù)，運用ADAMS軟件，建立整車系統(tǒng)的運動部件和機構約束，從而建立整車模型。該整車模型包括前懸架系統(tǒng)模型、后懸架系統(tǒng)模型、路面模型以及前后輪胎系統(tǒng)模型，如圖4。

主要步驟:①根據(jù)子系統(tǒng)中各個零部件之間的相對運動關系，建立各個零部件之間的約束關系，把沒有相對運動關系的零部件定義為一個通用零件;②確定前后懸架的剛度、阻尼系數(shù);③定義主銷軸線、前束角和外傾角等定位參數(shù);④底盤部分假設為一個集中質量的球體，設置質心質量，前、后簧上質量;⑤對輪胎參數(shù)(滾動阻力系數(shù)、滾動半徑、轉動慣量)進行設置;⑥設置路面坡度。

圖4ADAMS模型Fig.4 ADAMS model

3.4ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真

以Windows作為平臺的電動車輛仿真軟件有EVSIM、HEVSim、ADVISOR、PSAT 等，其中關于電動車輛動力學仿真的文獻大都局限于使用ADVISOR仿真。這些軟件都是通過數(shù)學公式在MATLAB/Simulink建立數(shù)學模型，再通過封裝，界面化，以簡單、方便的操作滿足使用者，體現(xiàn)出電動車輛的共性，但對個性的要求卻不能滿足，仿真精度低，且不能形象的顯示出仿真過程。筆者采用MATLAB與ADAMS聯(lián)合仿真，直接利用ADAMS建立機械系統(tǒng)仿真模型，而不需要使用數(shù)學公式建模(圖5)［8］。

圖5MATLAB與ADAMS聯(lián)合仿真模型Fig.5 MATLAB and ADAMS co － simulation model

4 動力性試驗驗證

4.1 試驗設備

試驗與仿真對比主要在4個方面(母線電流，電池電壓、車輛驅動力、車速)。電池電壓通過VSM500D/20 mA磁平衡霍爾電壓傳感器采集，母線電流則使用CS1000EK2霍爾電流傳感器，NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖6)接受傳感器傳出的信號，驅動力和轉速可以通過底盤測功機(圖7)測得。

4.2 試驗過程與分析

動力性試驗在轉鼓排放試驗室進行，根據(jù)GB/T 18385—2005《電動車輛動力性能試驗方法》，在試驗前首先以制造廠估計的30 min最高車速的80%速度(即60 km/h)行駛5 000 m，使電機及傳動系統(tǒng)預熱，之后分別進行了平路上4%、12%、20%坡度的最大車速的試驗。

通過平路上最大車速試驗的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比，以驗證仿真的正確性。

在電動車輛起步時，為了克服轉鼓的靜摩擦力并使電機迅速啟動，需向電機繞組注入大電流，因為電機的輸出轉矩與相電流成正比，故向電機繞組注入大電流可以獲得高輸出轉矩，以此克服轉鼓靜摩擦力和迅速啟動電機。為了滿足電機的大功率需求，此時需電池輸出大電流，所以在這個階段電機的母線電流大，又因為電池自身存在內阻，在電池大電流供電時，電池的端電壓被拉低。

隨著車速繼續(xù)爬升，此時電機的轉速也已經很高了相應的，電機的反電動勢也已經很高了。所以在此階段，電池向電機繞組注入大電流的能力大大下降，電池無法維持輸出大電流。具體表現(xiàn)為電機的母線電流小，電池端電壓慢慢地恢復到正常狀態(tài)。

從圖8～圖11可以發(fā)現(xiàn)，無論在輸入(電流、電壓)還是輸出(驅動力、轉速)仿真結果和試驗結果都基本吻合。采用轉速PID和電流滯環(huán)控制的雙閉環(huán)控制策略的整車在起步階段車速上升速度快，平穩(wěn)，車輛獲得的驅動力大。

圖8 時間－速度曲線Fig.8 Time － velocity curve

5 結論

筆者從動力性要求出發(fā)，設計電機和控制器，最后在通過運用MATLAB建立電機模型與ADAMS建立的整車模型相結合，對平路上最大車速工況進行了仿真分析，得出以下結論:

1)提出了不同于其他電動車輛一味使用ADVISOR軟件建模的方法，而是根據(jù)動力性指標設計電機及其控制，再通過ADAMS和MATLAB/SimPower-Systems聯(lián)合仿真，試驗結果與仿真結果類似，所建立的整車多體模型是精確的，建立的虛擬試驗平臺是可行的。運用該方法可以對影響電動車輛動力性的各因素進行分析，為整車動力性性能的優(yōu)化設計提供了虛擬試驗平臺，具有重要的工程應用價值。

2)對車輛模型進行適當修改后，即可對操縱穩(wěn)定性、平順性等車輛其他技術指標進行仿真，最大發(fā)揮ADAMS在運動學仿真上的優(yōu)勢?？梢哉J為，聯(lián)合仿真可以為實際生產提供仿真度較高的參考價值，減少開發(fā)費用，縮短開發(fā)周期，提高產品質量。

3)從動力性要求來設計電機和控制器的方法是可行的，有效的。由于電機控制器在MATLAB中建立，控制算法易于修改，可以根據(jù)不同需要，修改其控制方式，滿足電動車輛各方面的要求。

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Power System Design and Co－simulation for Electric Vehicle

GONG Xin，CHEN Long，JIANG Hao-bin，GAO Fei
(School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China)

Based on analysis of electric vehicles driving motor torque and speed，brushless DC motor was chosen to be power source.Double closed loop speed regulation system was applied to the electric vehicle controller;motor and controller were designed in MATLAB/SimPowerSystems;the mechanical model was built by ADAMS through the hardpoints.Based on co-simulation，the dynamic performance including max speed，maximum gradability and acceleration time was analyzed and dynamic test was conducted.Comparison between simulation results and test results showed validity of the simulation model.

electric vehicle;motor design;dynamic performance;co-simulation

U469

A

1674-0696(2011)03-0485-05

2010-12-16;

2010-12-30

龔 昕(1986-)，男，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事電動車輛仿真方面的研究。E-mail:124315063@qq.com。