純電動汽車異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的Saber建模與仿真

劉 平，劉和平，郭 軍

(重慶大學(xué)，重慶400044)

0 引 言

發(fā)展電動汽車是人類解決能源短缺危機與大氣污染的主要途徑之一［1］。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵部件，其性能直接決定著電動汽車運行性能的優(yōu)劣。采用矢量控制策略的低電壓異步電動機是純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)極具競爭力的選擇之一，其動力特性接近理想車輛驅(qū)動場，且能滿足電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)動靜態(tài)特性好、調(diào)速范圍寬等性能指標［2－3］。

采用Saber進行前向仿真，其模型間的聯(lián)系更加接近于車輛的實際情況。這種算法比后向仿真方法在計算整車性能方面的結(jié)果更準確，但是計算量過大，所以速度通常要比采用后向仿真方法的軟件要慢很多［4］。此外Saber還提供開放的數(shù)據(jù)接口，可實現(xiàn)與基于Matlab開發(fā)的電動汽車仿真軟件ADVISOR和PSAT等其它軟件的協(xié)同仿真。

Saber庫中沒有本文所需要的全部模型，因此本文采用給Saber中提供的通用模型的參數(shù)賦值和根據(jù)數(shù)學(xué)模型準確編寫出MAST語言模板建立行為模型這兩種方法搭建起各子系統(tǒng)的動態(tài)模型，并按照驅(qū)動系統(tǒng)的基本框架和功能結(jié)構(gòu)對相應(yīng)的模塊進行封裝，建立了純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)模型。

1 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與建模

本文建立的純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型直接按照實際驅(qū)動系統(tǒng)的布局搭建，主要包括異步電動機本體模塊、矢量控制策略模塊、循環(huán)工況模塊、電池模塊、減速器和車輛負載模塊等。

1.1 異步電動機本體模塊

異步電動機本體模塊是整個系統(tǒng)中最重要的部分，本系統(tǒng)采用兩相靜止坐標系下的數(shù)學(xué)模型［5］，其基本方程式如下:

電壓方程:

式中:usd、isd分別為定子d軸的電壓和電流;usq、isq分別為定子q軸的電壓和電流;ird、irq分別為轉(zhuǎn)子d軸和q軸的電流;Rs、Ls分別為d－q坐標系上定子繞組的電阻和自感;Rr、Lr分別為d－q坐標系上轉(zhuǎn)子繞組的電阻和自感;Lm為d－q坐標系上定轉(zhuǎn)子繞組間的互感;p為算子為轉(zhuǎn)差角速度，ωsl=ωs－ωr;ωs為同步角速度;ωr為轉(zhuǎn)子角速度。

轉(zhuǎn)子磁鏈方程:

式中:Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)

轉(zhuǎn)矩方程:

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;p為電機極對數(shù)。由式(3)可得，在轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr恒定時，通過控制電流isq就能控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te。

1.2 矢量控制策略模塊

矢量控制實現(xiàn)的基本思想是將定子電流分解為相互垂直的兩個分量isq和isd［6－7］，其中isd用于控制磁鏈，isq用于調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2.1 速度控制器

圖1 速度控制器框圖

速度控制器的作用是將給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差ωdiff作為速度PI調(diào)節(jié)器的輸入信號，再經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)后作為參考電磁轉(zhuǎn)矩Teref。限幅環(huán)節(jié)可以將參考電磁轉(zhuǎn)矩的幅值Tqmax限定在要求的范圍內(nèi)。速度控制器框圖如圖1所示。

1.2.2 弱磁控制器

由于構(gòu)造合適的弱磁曲線較為困難，轉(zhuǎn)子磁鏈太大或太小都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩輸出性能降低，從而影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。采用弱磁控制方法［8］，使轉(zhuǎn)子磁鏈參考在ωb以上與轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速成反比。

1.2.3 轉(zhuǎn)矩控制器

異步電動機的轉(zhuǎn)矩方程式(3)又可以表示:

式中:Tqcmd為給定轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制器如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩控制器框圖

1.2.4 電流控制器與轉(zhuǎn)子磁鏈角觀測器

電流控制器的輸入信號是三相實際電流，由3s/2s變換得到d軸電流分量的反饋值和q軸電流分量的反饋值，然后各分量的差值分別作為其調(diào)節(jié)器的輸入信號，再經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)后作為參考d、q軸電流分量，再由定子電流的2s/3s變換得到三相電流給定值。其中進行坐標變換所需的角度信號由轉(zhuǎn)子磁鏈角觀測器得到:

圖3 電流控制器框圖

1.3 車輛負載模塊

參照車輛動力學(xué)原理，車輛在直線行駛中所受的阻力有四類［9］:空氣阻力Fw、滾動阻力Ff、坡度阻力Fi以及加速阻力Fj。車輛行駛的總阻力:

式中:A為迎風(fēng)面積(m2);Cd為空氣阻力系數(shù) (無量綱);ρ為空氣密度(kg/m3);v為車速(km/h);f為滾動阻力系數(shù)(無量綱);α為坡道的坡度角(rad);δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)(無量綱)，δ＞1;m為車輛質(zhì)量(kg);為車輛加速度(m/s2)。

以純電動汽車行駛速度v乘以式(11)兩端，考慮機械損耗經(jīng)過換算之后可得電機輸出功率:

式中:PM為電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率(kW)。

1.4 系統(tǒng)模型

將循環(huán)工況、蓄電池組、矢量控制策略、電壓型逆變器、異步電動機和減速器及車輛負載等模塊進行有機結(jié)合，在Saber環(huán)境下構(gòu)建了純電動汽車異步電動機矢量控制驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。

圖4 純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)仿真框圖

2 仿真分析

系統(tǒng)模型的驅(qū)動系相關(guān)部件參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)模型的驅(qū)動系相關(guān)部件參數(shù)

圖5為純電動汽車無坡行駛時電機輸出功率、電機輸出轉(zhuǎn)矩、給定與反饋、給定與反饋、電機給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。

(1)實際轉(zhuǎn)速能迅速跟隨給定轉(zhuǎn)速，且反映出異步電動機基速以內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩，基速以上恒功率特性。

(2)在減速時，輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩都有較大的回落甚至變成負值，說明電機由電動機運行變?yōu)榘l(fā)電機運行，車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能，并給蓄電池充電，這是電動汽車的再生制動過程。

純電動汽車的爬坡性是衡量驅(qū)動電機參數(shù)的重要指標，是決定純電動汽車額定性能指標的主要因素。在車輛參數(shù)不變的情況下，純電動汽車行駛于無坡與15%坡度時的轉(zhuǎn)矩與功率的比較結(jié)果如圖6所示。它由靜止起動加速到電機3 000 r/min、無坡勻速行駛以及15%坡度行駛等過程組成。

圖5 電動汽車無坡行駛時電機的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果

圖6 純電動汽車15%坡度行駛時的轉(zhuǎn)矩與功率比較結(jié)果

從圖5和圖6可知:

(1)驅(qū)動電機的最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在車輛的加速過程中，功率峰值發(fā)生在加速結(jié)束進入勻速運行時;

(2)在車輛勻速行駛時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率只需克服恒定的車輛行駛阻力，則電機輸出功率和轉(zhuǎn)矩皆為較小的恒定值;

(3)由于爬坡角是恒值15%，即驅(qū)動力增加恒定的爬坡阻力值，因此電機轉(zhuǎn)矩和功率曲線只比無坡時略有增加，進而表明在電機的最大功率與轉(zhuǎn)矩參數(shù)匹配時應(yīng)由坡度行駛時的最大阻力來確定。

2.2 循環(huán)工況仿真

圖7為整車在ECE－15循環(huán)工況下的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，車輛的實際車速與轉(zhuǎn)矩都能迅速跟隨給定值，且波形符合純電動汽車動力性要求。

圖7 ECE－15循環(huán)工況仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

電驅(qū)動系統(tǒng)是純電動汽車的動力核心，其性能的優(yōu)劣直接影響著車輛的整體性能。穩(wěn)態(tài)建模仿真方法用于電動汽車的設(shè)計與分析在近幾年已經(jīng)作了大量的研究，本文通過Saber建立系統(tǒng)各部件的動態(tài)模型構(gòu)造純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)模型，仿真分析后得到如下結(jié)論:

(1)Saber軟件是面向混合信號的系統(tǒng)仿真軟件，但使用中各種控制器的行為模型的建立較難，因此其在電動汽車控制系統(tǒng)仿真中應(yīng)用并不廣泛。本文所建的純電動汽車異步電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)模型可為其它各類電動汽車混合系統(tǒng)的Saber建模提供借鑒。

(2)在此驅(qū)動控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，可進一步實現(xiàn)純電動汽車的再生制動、效率最大化、車輛牽引控制以及其它智能控制策略的研究，設(shè)計討論適用于純電動汽車的異步電動機控制方法。

(3)仿真驗證了電機矢量控制策略以及純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的動、靜態(tài)性能。為純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)選型、零部件參數(shù)選擇及控制策略的制定提供理論基礎(chǔ)和仿真實驗依據(jù)。通過仿真分析可靈活地調(diào)整設(shè)計方案，合理優(yōu)化參數(shù)，預(yù)測不同條件下純電動汽車及其子系統(tǒng)的性能，從而節(jié)約大量的試驗設(shè)備和試驗時間，有助于樣車的制造和試驗，為電動汽車的開發(fā)提供一個很好的研究仿真平臺。

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