2024年3月3日发(作者:沃尔沃s60汽车)

…… 楚鱼_棚…一 !蔓 塑………………………………………………………………. 一 纯电动汽车异步电动机驱动系统的Saber建模与仿真 刘 平,刘和平,郭 军 (重庆大学,重庆400044) 摘要:以长安奥拓为原型车改制成纯电动汽车,在该平台上利用Saber软件进行了驱动系统动力性能的匹配 研究。提出了包括三相低电压异步电动机、电压源型逆变器、矢量控制算法以及车辆阻力转矩等子模块的动态模 型。 关键词:纯电动汽车;异步电动机;矢量控制;动态模型;驱动系统 中图分类号:TM343 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2011)03-0069-04 Saber Modeling and Simulation of Induction Motor Drive System for Electric Vehicles L/U ,LIU He-ping,GUO Jun (Chongqing University,Chongqing 400044,China) Abstract:An electric vehicle conve ̄ed by Alto was used as a prototype to simulate the drive system,and a dynamic model was proposed,including sub~modules of induction motors,voltage source inverter,vector control algorithm,vehicle load torque module. Key words:elect6c vehicle;induction motor;vector control;dynamic model;drive system 0引 言 发展电动汽车是人类解决能源短缺危机与大气 污染的主要途径之一 。电机驱动系统是电动汽 1驱动系统结构与建模 本文建立的纯电动汽车驱动系统仿真模型直接 按照实际驱动系统的布局搭建,主要包括异步电动 机本体模块、矢量控制策略模块、循环工况模块、电 池模块、减速器和车辆负载模块等。 1.1异步电动机本体模块 车的关键部件,其性能直接决定着电动汽车运行性 能的优劣。采用矢量控制策略的低电压异步电动机 是纯电动汽车驱动系统极具竞争力的选择之一,其 动力特性接近理想车辆驱动场,且能满足电动汽车 异步电动机本体模块是整个系统中最重要的部 分,本系统采用两相静止坐标系下的数学模型 , 其基本方程式如下: 电压方程: ud 。驱动系统动静态特性好、调速范围宽等性能指 标 。]。 采用Saber进行前向仿真,其模型间的联系更 加接近于车辆的实际情况。这种算法比后向仿真方 法在计算整车性能方面的结果更准确,但是计算量 过大,所以速度通常要比采用后向仿真方法的软件 要慢很多 。此外Saber还提供开放的数据接口, 可实现与基于Matlab开发的电动汽车仿真软件AD— VISOR和PSAT等其它软件的协同仿真。 纯电动汽车一09 ,J 三 P 一+ PtO 『上q 山 L R +L P L P 0 L P l0 0 一(R +L P) l£ 0 0 L (1) 式中:u 分别为定子d轴的电压和电流;“ 分 Saber库中没有本文所需要的全部模型,因此本 文采用给Saber中提供的通用模型的参数赋值和根 据数学模型准确编写出MAST语言模板建立行为模 型这两种方法搭建起各子系统的动态模型,并按照 驱动系统的基本框架和功能结构对相应的模块进行 封装,建立了纯电动汽车驱动系统模型。 别为定子q轴的电压和电流;i 、L‘rq分别为转子d轴 和q轴的电流;R 、 分别为d-q坐标系上定子绕组 的电阻和自感;R 、L 分别为d—q坐标系上转子绕 组的电阻和自感; 为d—q坐标系上定转子绕组间 J 的互感;P为算子,P: ; 。为转差角速度,tO 。=tO。一 ;tO 为同步角速度; 为转子角速度。 转子磁链方程: 收稿日期:2010—09—09 =基金项目:中央高校基本科研业务费资助项目(CDJXS1115(1002) 南 

e / ,驱动笋 % ……………………………………………………………………触持电棚 2011年第3期 …一___…………………………. 式中:T为转子时间常数, = 。 n 1.2.4电流控制器与转子磁链角观测器 电流控制器的输入信号是三相实际电流,由 3s/2s变换得到d轴电流分量的反馈值和q轴电流 分量的反馈值,然后各分量的差值分别作为其调节 转矩方程: ,. =P r (3) 器的输入信号,再经过限幅环节后作为参考d、q轴 电流分量,再由定子电流的2s/3s变换得到三相电 式中: 为电磁转矩;p为电机极对数。由式(3)可 得,在转子磁链 恒定时,通过控制电流 就能控 制电机的电磁转矩 。 1.2矢量控制策略模块 矢量控制实现的基本思想是将定子电流分解为 流给定值。其中进行坐标变换所需的角度信号由转 子磁链角观测器得到: r 0 =J dt (8) 相互垂直的两个分量 和i 。 ,其中 用于控制 磁链, 用于调节电磁转矩。 1.2.1速度控制器 速度控制器的作用是将给定转速和实际转速的 偏差 椰作为速度PI调节器的输入信号,再经过限 幅环节后作为参考电磁转矩 71e 。限幅环节可以将参考 电磁转矩的幅值 …限定在 要求的范围内。速度控制器 框图如图1所示。 图1速度控制器框图 1.2.2弱磁控制器  ;由于构造合适的弱磁曲线较为困难,转子磁链 j太大或太小都会导致转矩输出性能降低,从而影响 ;系统的动态特性。采用 弱磁控制方法 ,使转子  :磁链参考在O.7 以上与转子的实际转速成反比。  :/一%d= ) (4) 式中: 为励磁电流给定分量;g‘sdbase为基速区内励磁 j电流的给定分量,而弱磁函数-厂(∞)可表示: 眢 : bl< r (5) 鍪 姜 【1 0≤ I≤I b I 1.2.3转矩控制器 誊 异步电动机的转矩方程式(3)又可以表示: =p 。 =p i ) 婺;乏: (\/6) Ii , 譬i/零  ̄:KT=p 一,则励磁电流的给定分量经 重新整理得到: 建:i 1 謦 =Vqcm )K T (7) 篓 式中: 为给定转矩。转矩控制器如图2所示。 — 乃 d I 咂日 竭 ,㈣ ■ 图2转矩控制器框图 D =∞ + 。1 (9) 1 JLi l= ? (10) 』r , 式(10)中 = 。式(8)中 采用转矩电流和励 n r 磁电流的给定值问接计算,这样在电机运行时,对 。的计算虽是近似估计,在电流动态变化过程中存 在计算不够准确的问题,但它受谐波电流影响小,更 符合实际的要求。电流控制器框图如图3所示。 l交一 :  2逝 岖枷 图3电流控制器框图 1.3车辆负载模块 参照车辆动力学原理,车辆在直线行驶中所受 的阻力有四类_9 J:空气阻力F 、滚动阻力 、坡度阻 力 以及加速阻力 。车辆行驶的总阻力: ∑F=F +Ff+Fi+Fj (11) F =Cd Ff=fmgcosa F。=mgsina (12) =6m dvdf 式中:4为迎风面积(m );C 为空气阻力系数(无 量纲);p为空气密度(kg/m ); 为车速(km/h); 为滚动阻力系数(无量纲); 为坡道的坡度角 (rad);6为车辆旋转质量换算系数(无量纲), >1; m为车辆质量(kg); 为车辆加速度(m/s )。 以纯电动汽车行驶速度 乘以式(11)两端,考 虑机械损耗经过换算之后可得电机输出功率: P一1(mgfvcoso ̄mCedAr3+gvsina+ + ? 卵\36oo3600dv) (13) 

…苎一堕电- …. l-l王箜 旦………………………………………………………………一 一 式中:P 为电机驱动系统输出功率(kW)。 1.4系统模型 素。在车辆参数不变的情况下,纯电动汽车行驶于 无坡与15%坡度时的转矩与功率的比较结果如图6 所示。它由静止起动加速到电机3 000 r/rain、无坡 匀速行驶以及15%坡度行驶等过程组成。 ≥20 r ‘ 将循环工况、蓄电池组、矢量控制策略、电压型 逆变器、异步电动机和减速器及车辆负载等模块进 行有机结合,在Saber环境下构建了纯电动汽车异 步电动机矢量控制驱动系统仿真模型,如图4所示。 一tls  咕—— —— —1—— —— 2~3~~8%r~一i 4 一 -5盅。3『_-——\ /~ 506 —— ——— —— ——— —— {. 二二二二二二. 0 1 2 f,s 3 4 5 速 图5 电动汽车无坡行驶时电机的动态响应结果 J.。  图4纯电动汽车驱动系统仿真框图 2仿真分析 系统模型的驱动系相关部件参数如表1所示。 表1系统模型的驱动系相关部件参数 驱动系部件 参数名 额定功率/kW 最大功率/kW ;_i 参数值 5 15 岳 耐 图6纯电动汽车15%坡度行驶时的转矩与功率比较结果 ; 从图5和图6可知: (1)驱动电机的最大转矩发生在车辆的加速过 程中,功率峰值发生在加速结束进入匀速运行时; (2)在车辆匀速行驶时,电机的输出转矩和输 出功率只需克服恒定的车辆行驶阻力,则电机输出 功率和转矩皆为较小的恒定值; (3)由于爬坡角是恒值15%,即驱动力增加恒 缔 异步电动机 额定转速/(r?min ) 最高转速/(r?min ) 额定转矩/(N?Il1) 最大转矩/(N?m) 3 000 6 000 l5.8 62 电池组 传动系 额定电压/V 额定容量/Ah 减速比 传动系效率 整车总质量/kg 迎风面积/m 48 2oo 7 0.9 860 1.7 定的爬坡阻力值,因此电机转矩和功率曲线只比无 鼻 坡时略有增加,进而表明在电机的最大功率与转矩! 车辆参数 滚动阻力系数 车轮半径/m 空气阻力系数 O.O15 0.266 O.3 参数匹配时应由坡度行驶时的最大阻力来确定。 2.2循环工况仿真 图7为整车在ECE一15循环工况下的仿真结果。可以看出,车辆的实际车速与转矩都能迅速跟 熏 誓 j 图5为纯电动汽车无坡行驶时电机输出功率、 电机输出转矩、给定与反馈、给定与反馈、电机给 定转速和实际转速的动态响应结果。 (1)实际转速能迅速跟随给定转速,且反映出 异步电动机基速以内恒转矩,基速以上恒功率特性。 (2)在减速时,输出功率和输出转矩都有较大 随给定值,且波形符合纯电动汽车动力性要求。 翁 一。60 。加。如。 [ 。。 ∞ 。。 。。 一 。 :篓 i是 i 的回落甚至变成负值,说明电机由电动机运行变为 发电机运行,车辆的部分动能转化为电能,并给蓄电 池充电,这是电动汽车的再生制动过程。 纯电动汽车的爬坡性是衡量驱动电机参数的重 60 r 一 t/s 一 一 l 模 喜。 1uo  00 200  300△400 500 6 00 700 80 0 二t/s 。 : 要指标,是决定纯电动汽车额定性能指标的主要因 图7 ECE一15循 工况仿真结果 ■ 

… 触持电棚 2011年第3期 的试验设备和试验时间,有助于样车的制造和试验, 为电动汽车的开发提供一个很好的研究仿真平台。 参考文献 [1]Chan C C.The State ofthe Art of Electric,Hybrid and Fuel Cell Vehicles[J].Proceedings ofthe IEEE,2007,95(4):704—718. f2] Zeraoulia M,Benbouzid M E H.Diallo D.Electirc motor drive se— lection issues for HEV propulsion systems:A Comparative Study 3结 论 电驱动系统是纯电动汽车的动力核心,其性能 的优劣直接影响着车辆的整体性能。稳态建模仿真 方法用于电动汽车的设计与分析在近几年已经作了 大量的研究,本文通过Saber建立系统各部件的动 态模型构造纯电动汽车驱动系统模型,仿真分析后 得到如下结论: [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2006,55(6): 1756—1764. (1)Saber软件是面向混合信号的系统仿真软 件,但使用中各种控制器的行为模型的建立较难,因 此其在电动汽车控制系统仿真中应用并不广泛。本 文所建的纯电动汽车异步电动机驱动控制系统模型 可为其它各类电动汽车混合系统的Saber建模提供 借鉴。 [4] 张翔,钱立军,张柄力,等.电动汽车仿真软件进展[J]。系统仿 真学报,2004,16(8):1621—1623. [5] 王毅,马洪飞,赵凯岐,等.电动汽车用感应电机磁场定向矢量 控制研究[J].中国电机工程学报,2005,25(1f):113-117. [6]Liu Y,Shao C,Ding Y.Modeling and simulating of variable param— eters induction motors in electirc vehicle applications[J].Journal of System Simulation,2006,18(12):3358-3361. (2)在此驱动控制系统模型基础上,可进一步 [7]Liu H,Zhang Y,Zheng Q.Design and simulation of an inverter—fed induction motor for electric vehicles『C]//2007 Vehicle Power and Propulsion Conference.2007,Arlington,TX,USA,2008:4. 实现纯电动汽车的再生制动、效率最大化、车辆牵引 控制以及其它智能控制策略的研究,设计讨论适用 于纯电动汽车的异步电动机控制方法。 (3)仿真验证了电机矢量控制策略以及纯电动 [8]Briz F,Diez A,Degner M W D,et a1.Current and Flux Regulation in Field—Weakening Operation[J].IEEE Trans.on Indus.App1., 2001 37(1):42—51. 汽车驱动系统具有较好的动、静态性能。为纯电动 汽车驱动系统选型、零部件参数选择及控制策略的 制定提供理论基础和仿真实验依据。通过仿真分析 可灵活地调整设计方案,合理优化参数,预测不同条 件下纯电动汽车及其子系统的性能,从而节约大量 [9] 余志生.汽车理论[M].北京:机械 业出版社,2009:7—2O. 作者简介:刘平(1983一),男,博士研究生,主要从事电动汽车驱 动控制的研究。 (上接第68页)  j图3给出了A相断路故障前后的仿真波形,在 5结 语 本文对永磁容错电机和转矩控制算法进行了分 析,提出基于电压调制的转矩控制方法,建立了与实 际情况基本一致的仿真模型。仿真结果验证了算法 的正确性,能够实现一相短路或断路容错运行,且转 矩、转速性能与正常态相比基本不变。 0.02 s时A相发生断路故障,可以看出,在发生 相 断路故障前,六相电流为依次互差60。电角度的正 弦波,当发生故障后,电流变为不规则波形,且发生 电 故障后,某些正常相电流会变大,以补偿平均转矩和 抵消转矩脉动。整个过程中,转矩平均值较正常情 姜i况时不变,转矩脉动在正常态为28%,断路后为 参考文献 :28.2%,转矩脉动在故障前后基本不变。转速在故 [1] Anthony S.The development of a highly reliable power management 动i障前后也都能够稳定在给定值。图4给出了 相 and distirbution system for transport air—craft[J].AIAA,1994,12 (8):1—6. 短路故障前后的仿真波形,控制周期为62.5 s,在 0.02 s时 相发生短路故障。故障前,各相电流均 [2] Joseph A,Weimer A.Power technology for the more electircal air— craft[R].Aerospace design conference,AIAA,93:16—19, [3]郝振洋,胡育文,黄文新.电力作动器中永磁容错电机及其控 制系统的发展[J].航空学报,2008,29(1):65-74. 鍪;为正弦波,当4相出现短路故障后,某些正常相电 流会变大,以补偿平均转矩和抵消脉动转矩,转速在 香!故障前后都能够稳定在给定值。转矩脉动在正常态 [4]Edu J D,Atallah K,Wang J B,et a1.Modular Fault Tolerant Per’ manent Magnet Brushless Machines[J].1EE Proceedings of Power Electronics,Machines and Drives,2002,487:415—420 莲 为28%,短路后为30%,转矩脉动在故障前后变化 是 不大。短路相电流的直流分量呈指数衰减至零,稳 真 定后短路相电流为周期性变化的正弦波,且只比额 [5] 郝振洋,胡育文,黄文新,等电力作动器中永磁容错电机的电 感和谐波分析[J].航空学报,2009,30(6):1063—1069. !定值稍大,为额定值的1.2倍,这是由于永磁容错电 机的电感标幺化设计具有抑制短路电流的能力[51。 一 作者简介:沈天珉(1987一),男,硕士研究生,主要研究方向为电 力电子以及电机控制。 

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