[發明專利]混聯式混合動力電動汽車的仿真方法

有效

• 申請號: 201410259855.6
• 申請日: 2014-06-12
• 公開（公告）號: CN104112036B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 杜云峰
• 申請（專利權）人: 湖南文理學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 常德市長城專利事務所(普通合伙)43204
• 代理人: 蔡大盛

1.一種混聯式混合動力電動汽車系統的仿真方法，其特征是：根據混聯式混合動力電動汽車系統工作原理，先確定系統組成，再載建立系統的仿真模型，然后運用混聯式驅動系統和能量管理系統的控制策略，對系統進行仿真，得到電動汽車行駛速度圖、發動機輸出功率圖、發電機轉速圖、電池荷電狀態圖和電動機轉速圖；為了進行系統性能分析和優化設計，建立由發動機、發電機、電動機、儲能裝置(蓄電池)、動力分配裝置、制動能量回收系統、能量管理系統組成的仿真模型，并在MATLAB/SIMULINK平臺上對此模型進行仿真，其仿真方法包括如下步驟：1.確定系統組成：2.建立系統模型，3.進行系統仿真。?

2.根據權利要求1所述混聯式混合動力電動汽車系統的仿真方法，其特征是：所述建立系統模型是根據系統工作原理，建立混聯式混合動力電動汽車系統各個組成部分的模型，主要是建立發動機模型、發電機模型、電動機模型、儲能裝置即蓄電池模型、動力分配裝置模型、制動能量回收系統模型和能量管理系統模型：?

其中：A.發動機模型：?

考慮發動機單獨驅動的情況，汽車行駛時的功率平衡方程式為：?

式中，P_e為發動機輸出功率；η_T為傳動系效率；G為汽車重量；f為滾動阻力系數；i為汽車行駛路面的坡度；u_a為汽車行駛速度；C_D為空氣阻力系數；A為迎風面積；δ為旋轉質量換算系數；m為汽車質量；?

B.發電機和電動機模型：?

發電機和電動機均為永磁同步電機，兩個模塊內部模型相同，只是在能量管理系統的控制下其運行方式不同；永磁同步電機轉子是永久磁鐵，磁通有正弦波和梯形波兩種模式，本文采用正弦波控制永磁同步電機；正弦波控制永磁同步電機模型假定定子磁通是正弦分布的，因此產生的感應電動勢也是正弦的，因為一般永磁同步電機氣隙比較大，因此模型沒有考慮定子磁路的飽和和鐵損；永磁同步電機模型是建立在二相旋轉坐標系(dq坐標系)上的，所有參數也折算到旋轉坐標系上；電機方程如下：?

T_e＝1.5p[λi_q+(L_d-L_q)i_di_q]?????(4)?

式中，L_q、L_d為q、d軸電感；R為定子繞組電阻；i_q、i_d為q、d軸電流分量；u_q、u_d為q、d軸電壓分量；ω_r為轉子角速度；p為極對數；T_e為電磁轉矩；λ為永磁轉子對定子的磁通系數；?

永磁同步電機的機械方程：?

式中，J為轉子和負載的轉動慣量；F為轉子和負載的摩擦系數；θ為轉子位置角；T_m為軸上機械轉矩；?

C.儲能裝置即蓄電池模型：?

本系統的蓄電池采用KiBaM模型，該模型可以實時反映蓄電池容量與充、放電電流的關系；設在仿真步長Δt內，系統額定電壓為U，負載需求功率為P_d，系統剩余功率為P_e，則有：?

充電電流：I_c＝P_e/U，?

最大充電電流I_cmax：?

I_cmax＝[-kcq_max+Kq₁₀e^-kΔt+q₀kc(1-e^-kΔt)]/[1-e^-kΔt+c(kΔt-1+e^-kΔt)]?????(7)?

放電電流：I_d＝P_d/U，?

最大放電電流I_dmax：?

I_dmax＝[kq₁₀e^-kΔt+q₀kc(1-e^-kΔt)]/[1-e^-kΔt+c(kΔt-1+e^-kΔt)]?????(8)?

式中，c表示可用電荷容量與總容量的比值；q₁₀表示在時間步長Δt起始時刻可用電荷容量；q₀表示在時間步長Δt起始時刻總電荷容量；k表示比率常數；q_max表示最大容量；?

D.動力分配裝置模型：?

在混聯式混合動力傳動結構中，用于實現能量分流和綜合的動力分配裝置是一個行星齒輪機構，其中行星架與發動機的輸出軸相連，齒圈與電動機的轉軸相連，同時也與輸出齒輪相連，而太陽齒輪軸發出的動力驅動發電機發電，中間與一離合器相連，必要時鎖死太陽輪，使行星齒輪機構以一定的傳動比工作；發電機的轉子剛性聯接在發動機的輸出軸上；?

通過對行星機構的變速比和受力分析，可以得到如下方程組：?

式中，k_p為齒數比，k_p＝z₂/z₁；z₁為太陽輪齒數；z₂為齒圈齒數；η_S為由太陽輪到行星架的效率；η_R為由齒圈到行星架的效率；T₁、T₂、T₃分別為太陽輪、齒圈和行星架的轉矩；ω₁、ω₂、ω₃分別為太陽輪、齒圈和行星架的角速度；?

作用在驅動輪上的轉矩T_t是由發動機產生的轉矩經過動力分配裝置后傳至車輪上的，因此驅動力為：?

式中，T_tq為作用在齒圈上的總轉矩；i₀為主減速器速比；η_T為傳動系效率；r為車輪半徑；?

E.制動能量回收系統：?

制動能量回收系統是混合動力電動汽車的重要組成部分之一，又稱再生制動系統，是指汽車在制動或下坡時將儲存于車身上的勢能和動能，通過電動機轉化為電能，并儲存于儲能裝置中的過程；?

再生制動系統的結構與原理如圖1所示，由驅動輪、主減速器、變速器、電動機、AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、能量儲存系統以及控制器組成；?

汽車在制動或滑行過程中，根據駕駛員的制動意圖，由制動控制器計算得到汽車需要的總制動力。再根據一定的制動力分配控制策略得到電動機應該提供的電動機再生制動力。電動機控制器計算需要的電動機電樞中的制動電流，通過一定的控制方法使電動機跟蹤需要的制動電流，從而較準確地提供再生制動力矩，在電動機的電樞中產生的電流經AC/DC轉換器整流再經DC/DC轉換器反充到儲能裝置中保存起來；?

F.能量管理系統模塊：?

能量管理系統隨時向駕駛員提供有用的信息，如充電時，顯示充電狀態；運行時，顯示電池的電壓、電流、溫度、電解液的密度、剩余電量以及車速等，使駕駛員心中有數，操作正確。上述信息也隨時提供給計算機，用來分析診斷故障、保持工作正常或保持最優運行狀?態，如通過電動機控制器避免電池過度放電，通過平衡單元保持各電池的溫度均衡和電量均衡。?

3.根據權利要求1所述混聯式混合動力電動汽車系統的仿真方法，其特征是：所述進行系統仿真是在MATLAB/SIMULINK中，對混聯式混合動力電動汽車系統進行建模仿真；電動汽車的整車主要參數為：汽車質量約1325kg，滿載1600kg；旋轉質量換算系數為1.2；迎風面積為2.57m²；空氣阻力系數為0.3；滾動阻力系數為0.018；車輪半徑為0.3m；?

根據系統工作原理，建立混聯式混合動力電動汽車系統的各個子模塊；以下分別介紹發動機、發電機、電動機、蓄電池、動力分配裝置模塊的主要參數：?

(1)發動機模塊：?

發動機模塊的主要參數為：最大功率為57kW，最大轉速為6000rpm，排量為1.5L；?

(2)發電機模塊：?

發電機模塊的主要參數為：最大功率為30kW，最大轉速為13000rpm，定子繞組電阻為0.05Ω，q、d軸電感均為0.000635H，極對數為1；?

(3)電動機模塊：?

電動機模塊的主要參數為：最大功率為50kW，最大轉速為6000rpm，定子繞組電阻為0.0065Ω，q、d軸電感分別為0.002057H和0.001598H，極對數為4；?

(4)蓄電池模塊：?

蓄電池模塊的主要參數為：最大功率為21kW，額定電壓為200V，額定容量為6.5Ah，初始荷電狀態為41.53％，滿充電電壓為235.6V，額定放電電流為1.3A，內阻為0.30769Ω；?

(5)動力分配裝置模塊：?

動力分配模塊的主要參數為：太陽輪齒數為29，齒圈齒數為75，主減速器速比為4.133。?