[发明专利]混联式混合动力电动汽车的仿真方法

摘要

一种混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，包括首先建立由发动机、发电机、电动机、储能装置(蓄电池)、动力分配装置、制动能量回收系统、能量管理系统组成的数学仿真模型，再对该系统进行系统性能分析和优化设计，最后得出仿真系统的各项性能指标；其仿真方法包括如下步骤1.确定系统组成，2.建立系统模型，3.进行系统仿真；该方法可以实现能量利用率的最优管理，使有限的燃油发挥最大的功效；使混联式混合动力电动汽车可以在再生制动状态下将制动能量回馈给电池，实现电动汽车能量的回收，从而大量减少混联式混合动力电动汽车的油耗和排放，达到节能和环保的目的，还可对能量进行最优利用，迅速、平稳地进行加、减速，具有良好的动力性能。

主权项

一种混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，其特征是：根据混联式混合动力电动汽车系统工作原理，先确定系统组成，再载建立系统的仿真模型，然后运用混联式驱动系统和能量管理系统的控制策略，对系统进行仿真，得到电动汽车行驶速度图、发动机输出功率图、发电机转速图、电池荷电状态图和电动机转速图；为了进行系统性能分析和优化设计，建立由发动机、发电机、电动机、蓄电池、动力分配装置、制动能量回收系统、能量管理系统组成的仿真模型，并在MATLAB/SIMULINK平台上对此模型进行仿真，其仿真方法包括如下步骤：1.确定系统组成，2.建立系统模型，3. 进行系统仿真；所述建立系统模型是根据系统工作原理，建立混联式混合动力电动汽车系统各个组成部分的模型，主要是建立发动机模型、发电机模型、电动机模型、蓄电池模型、动力分配装置模型、制动能量回收系统模型和能量管理系统模型：其中：A.发动机模型：考虑发动机单独驱动的情况，汽车行驶时的功率平衡方程式为：Pe=(1/ηT)×(Gƒuɑ/3600+Giuɑ/3600+CDAuɑ3/76140+δmuɑ/3600×du/dt)  (1)式(1)中，Pe为发动机输出功率；ηT为传动系效率；G为汽车重量；ƒ为滚动阻力系数；i为汽车行驶路面的坡度；uɑ为汽车行驶速度；CD为空气阻力系数，A为迎风面积；δ为旋转质量换算系数；m为汽车质量；B．发电机和电动机模型：发电机和电动机均为永磁同步电机，两个模块内部模型相同，只是在能量管理系统的控制下其运行方式不同；永磁同步电机转子是永久磁铁，磁通有正弦波和梯形波两种模式，本文采用正弦波控制永磁同步电机；正弦波控制永磁同步电机模型假定定子磁通是正弦分布的，因此产生的感应电动势也是正弦的，因为一般永磁同步电机气隙比较大，因此模型没有考虑定子磁路的饱和和铁损；永磁同步电机模型是建立在二相旋转坐标系(dq坐标系)上的，所有参数也折算到旋转坐标系上；电机方程如下：did/dt=1/Ld×ud－R/Ld×id+Lq/Ld×pωriq  (2)diq/dt=1/Lq×uq－R/Lq×iq－Ld/Lq×pωrid－λpωr/Lq  (3)Te=1.5p[λiq+(Ld－Lq)×idiq]  (4)式（2）、（3）和（4）中，Lq、Ld为q、d轴电感；R为定子绕组电阻；iq、id为q、d轴电流分量；uq、ud为q、d轴电压分量；ωr为转子角速度；p为极对数；Te为电磁转矩；λ为永磁转子对定子的磁通系数；永磁同步电机的机械方程：dωr/dt=1/J×(Te－Fωr－Tm)  (5)dθ/dt=ωr  (6)式（5）和（6）中，J为转子和负载的转动惯量；F为转子和负载的摩擦系数；θ为转子位置角；Tm为轴上机械转矩；C．蓄电池模型：本系统的蓄电池采用KiBaM模型，该模型可以实时反映蓄电池容量与充、放电电流的关系；设在仿真步长Δt内，系统额定电压为U，负载需求功率为Pd，系统剩余功率为Pe，则有：充电电流：Ic=Pe/U，最大充电电流Icmax：Icmax=[‑kcqmax+kq10exp(‑kΔt)+q0kc(1－exp(‑kΔt))]/[1－exp(‑kΔt)+c(kΔt－1+exp(‑kΔt))]  (7)放电电流：Id=Pd/U，最大放电电流Idmax：Idmax=[kq10exp(‑kΔt)+q0kc(1－exp(‑kΔt))]/[1－exp(‑kΔt)+c(kΔt－1+exp(‑kΔt))]  (8)式（7）和（8）中，c表示可用电荷容量与总容量的比值；q10表示在时间步长Δt起始时刻可用电荷容量；q0表示在时间步长Δt起始时刻总电荷容量；k表示比率常数；qmax表示最大容量；D. 动力分配装置模型：在混联式混合动力传动结构中，用于实现能量分流和综合的动力分配装置是一个行星齿轮机构，其中行星架与发动机的输出轴相连，齿圈与电动机的转轴相连，同时也与输出齿轮相连，而太阳齿轮轴发出的动力驱动发电机发电，中间与一离合器相连，必要时锁死太阳轮，使行星齿轮机构以一定的传动比工作；发电机的转子刚性联接在发动机的输出轴上；通过对行星机构的变速比和受力分析，可以得到如下方程组：ω1+kpω2－(1+kp)ω3=0T3=(1+kp)×T1/ηS=(1+kp)×T2/(ηRkp)  (9)式（9）中，kp为齿数比，kp=z2/z1；z1为太阳轮齿数；z2为齿圈齿数；ηS为由太阳轮到行星架的效率；ηR为由齿圈到行星架的效率；T1、T2、T3分别为太阳轮、齿圈和行星架的转矩；ω1、ω2、ω3分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度；作用在驱动轮上的转矩Tt是由发动机产生的转矩经过动力分配装置后传至车轮上的，因此驱动力为：Ft=Ttqi0ηT/r  (10)式（10）中，Ttq为作用在齿圈上的总转矩；i0为主减速器速比；ηT为传动系效率；r为车轮半径；E.制动能量回收系统：制动能量回收系统是混合动力电动汽车的重要组成部分之一，又称再生制动系统，是指汽车在制动或下坡时将储存于车身上的势能和动能，通过电动机转化为电能，并储存于储能装置中的过程；再生制动系统的结构与原理如图1所示，由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC／DC转换器、DC／DC转换器、能量储存系统以及控制器组成；汽车在制动或滑行过程中，根据驾驶员的制动意图，由制动控制器计算得到汽车需要的总制动力；再根据一定的制动力分配控制策略得到电动机应该提供的电动机再生制动力；电动机控制器计算需要的电动机电枢中的制动电流，通过一定的控制方法使电动机跟踪需要的制动电流，从而较准确地提供再生制动力矩，在电动机的电枢中产生的电流经AC／DC转换器整流再经DC／DC转换器反充到储能装置中保存起来；F.能量管理系统模块：能量管理系统随时向驾驶员提供有用的信息，如充电时，显示充电状态；运行时，显示电池的电压、电流、温度、电解液的密度、剩余电量以及车速等，使驾驶员心中有数，操作正确；上述信息也随时提供给计算机，用来分析诊断故障、保持工作正常或保持最优运行状态，如通过电动机控制器避免电池过度放电，通过平衡单元保持各电池的温度均衡和电量均衡。