串聯混合動力電驅動系統建模與Matlab仿真

魯子卉

(長春職業技術學院，長春 130033)

石油資源短缺和環境污染成為影響當今汽車發展的兩大主題，以電驅動為特點的新能源車輛成為了現如今國內外汽車領域所關注的重點與熱點。隨著電力電子系統、通訊與計算機系統的飛速發展，電驅動系統在汽車中的應用已日益成熟。混合動力電動汽車(hybrid electric vehicle，HEV)是新能源汽車中最具可行性的產品。由于現如今電池容量不能滿足要求，因此HEV 同時采用發動機和驅動電機作為動力源，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勢，有效降低油耗和排放。資料表明，HEV 將成為未來幾十年內世界汽車工業發展的主要方向之一。目前，世界主要的能源研究機構和汽車公司都相繼加入了HEV 的研發行列［2］。

建模與仿真是新能源汽車研發過程中的重要手段，本文基于串聯混合動力電動汽車電驅動系統的建模方法展開研究，分析了串聯混合動力電驅動系統的特點，并建立了電驅動系統關鍵部件的仿真模型。

1 串聯混合動力汽車系統結構

串聯式混合動力電動汽車的系統結構如圖1 所示。電驅動系統主要由發動機-發電機組、整流橋、DC -DC 變換器、動力電池組、電機變頻控制器和驅動電機等組成。發動機-發電機組為電機系統持續提供電能，而電池組則適時進行電能補充;DC -DC 變換器調節電池輸出電壓，起到母線電壓調節作用。發動機-發電機組的電壓與發動機轉速相關，調節發動機工作點同時通過DC-DC 變換器來控制母線電壓，使其與發動機-發電機組電壓相匹配，電機控制器的作用是通過變頻調速使輸出轉速跟隨駕駛員操作意圖。

結合圖1 系統結構可得到整個系統的功率平衡關系

其中:ηT為從電機輸出軸到車輪的機械傳動效率;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 串聯混合動力系統結構

上述系統中，發動機-發電機組的特點是其工作點控制不受外部負載的影響，即發動機轉速與車速無耦合關系，因此發動機-發電機組可工作在最優狀態，發動機只帶動發電機向驅動電機或蓄電池供電而不直接驅動車輛。發動機-發電機組和驅動電機之間采用柔性連接，因此驅動系統在底盤上易于布置。電驅動系統通過合理控制可實現如下工作模式:①純電力驅動模式:在該模式下發動機關閉，整個電驅動系統僅由電池來為驅動電機提供電能;②發動機主導模式:該模式下電池并不輸出電能，系統中所需能量均來自于發動機-發電機組，而電池組僅用來調節發動機工作點;③協同工作模式:該模式下發動機-發電機組與電池組一起工作，共同為整個系統輸出電能，是最為常用的一種模式，在該模式下，動力電池組不斷輸出或吸收能量，使發動機維持在效率最優的區域;④再生制動模式:當車輛減速時驅動電機用作發電機，將車輛動能轉化為電能存儲在電池中。

2 電驅動系統建模

為便于混合動力汽車控制系統研究，對電驅動系統進行建模與仿真是重要的技術基礎和科學手段，具有十分重要的意義。基于上述分析，對電驅動系統中各關鍵部件進行建模，主要包括發動機-發電機組子模型、電機驅動系統子模型、動力電池組模型、DC -DC 變換器模型及車輛動力學模型等，進而建立出可用于混合動力系統仿真的電驅動系統仿真模型。系統建模的原則是所建立的模型不能過于復雜卻能在足夠的精度上反映電驅動系統的工作特性。

2.1 發動機發電機組子模型

發動機-發電機組是混合動力電驅動系統中的主要部件之一，發動機與發電機通過機械增速箱連接，帶有濾波電容的不控整流橋連接發電機與直流母線［3］，發動機與發電機動力學關系如下

其中:Te與Tg為發動機與發電機力矩;ωg為發電機轉速;ηz為增速箱傳動效率;J 為發動機與發電機的轉動慣量。

發電機的工作點與發電機系統的電流之間存在如下關系

其中:Ig為發電機在經過不控整流橋之后的輸出電流;Ke與Kx分別為與系統結構有關的參數。

2.2 電池模型

動力電池組的建模采用等效內阻法，其等效電路如圖2所示。

圖2 電池組等效內阻模型

將電池視為理想電壓源與內阻串聯結構，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為電池等效內阻;Iba為電池組輸出電流;Uba為電池組端電壓。

內阻Rs為荷電狀態(state of charge，SOC)相關的函數，通過查表獲得。在建模過程中可采用Ah 積分的方法來進行電池SOC 估計

其中:Q0為電池組初始容量;Ib為動力電池組輸出電流;Qm為動力電池組總容量。

2.3 電動機模型

電機驅動系統是串聯混合動力電驅動系統中的關鍵部件。系統對外釋放的驅動力矩均來自于電機驅動系統。

混合動力電驅動系統多數采用三相感應電機作為驅動單元，感應電機驅動矢量控制系統［4］的結構如圖3 所示。在建模過程中，首先通過Park 變換實現感應電機轉矩和磁通之間的解耦。

圖3 感應電機電控系統結構

根據上述電路關系可建立平衡關系如式(6)所示。感應電機模型的輸入量為定子電壓和頻率，輸出量為電機轉速和磁鏈。

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分別為轉子M 軸和T 軸瞬時電流;Lm為定轉子繞組軸線重合時相間的互感;Rs、Rr為定子和轉子每相繞組阻值;Ls、Lr為定子和轉子每相繞組的自感;ωe為電壓旋轉角速度;ωr為轉子角速度;eω為定子與轉子角速度之差。

4 仿真結果

結合城市循環工況UDDS，對所建立的電驅動系統模型進行Simulink 系統仿真，循環工況速度變化曲線如圖4 所示。通過仿真可得到發動機與電機工作狀態，截取200 ～500 s部分觀察如圖5，在減速階段電機力矩為負值，表示電機系統在進行制動能量回收。

圖4 UDDS 城市運行工況

圖5 電機輸出功率仿真結果

整個循環工況下的仿真結果如圖6 所示。可以看出:所建立的系統模型具有良好的仿真效果，適合用于混合動力汽車電驅動系統控制領域的仿真研究。

圖6 電驅動系統UDDS 仿真結果

5 結束語

對當前廣泛使用的串聯式混合動力電驅動系統進行了建模與仿真研究，提出了簡化但又抓住各部件主要特點的建模方案，對所建立的電驅動系統模型結合UDDS 城市工況進行了Simulink 系統仿真，結果表明所建立的系統模型可有效用于電驅動系統控制的仿真與研究。

［1］楊為琛，孫逢春.混合電動汽車的技術現狀［J］.車輛與動力技術，2001(4):41-46.

［2］陳澤宇，張承寧，李軍求，等.雙側電傳動履帶車輛小半徑轉向控制策略［J］.中國機械工程學報，2010，21(13):1637-1637.

［3］陳清泉，孫逢春.混合電動車輛基礎［M］.北京:北京理工大學出版社，2001.

［4］錢昊，趙忠祥.永磁同步電機矢量控制研究［J］.農機化研究，2006.4(2):90-94.

［5］任鑫，王亞平. 串聯混合動力汽車性能仿真軟件設計［J］.四川兵工學報，2011(1):82-84.