混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的虛擬原型

1、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的虛擬原型Levent U. Gokdere *, Khalid Benlyazid, Roger A. Dougal,Enrico Santi, Charles W. Brice電氣工程系,南卡羅萊納州大學(xué), Swearingen 3A80,哥倫比亞,SC 29208,USA1999年11月20日接受;2000年10月11日認(rèn)證摘要混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的虛擬原型是在一種已經(jīng)為建模，仿真，分析和大型混合技術(shù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的虛擬建構(gòu)的叫虛擬測(cè)試床（VTB）的環(huán)境下創(chuàng)造的。這種電力系統(tǒng)正在被引起注意，它的組成有：()一種作為基本動(dòng)力源的燃料室系統(tǒng)，（）作為符合高強(qiáng)度動(dòng)力要求的能量?jī)?chǔ)備設(shè)施的電

2、池和超級(jí)電容，（）控制能量流動(dòng)的直流電力轉(zhuǎn)換器，（）作為驅(qū)動(dòng)的三相轉(zhuǎn)換永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)，()一臺(tái)共同的直流轉(zhuǎn)換設(shè)備。被提議系統(tǒng)的仿真操控有兩種驅(qū)動(dòng)循環(huán)模式，即（）快加速和快減速，（）聯(lián)邦城市駕駛安排（FUDS）。成分的參數(shù)價(jià)值選擇和通過觀察仿真獲得的數(shù)值結(jié)果跟實(shí)際的HEV應(yīng)用要保持一致。Cop 2002 Elsevise Science Ltd.所有權(quán)保留。關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；建模和仿真；虛擬建構(gòu)1.介紹發(fā)展混合動(dòng)力電動(dòng)汽車作為高排放的傳統(tǒng)的汽油或柴油小汽車，公汽和卡車等的替代物已經(jīng)做了相當(dāng)大的努力。本文主題是通過合適點(diǎn)仿真模型的使用描述一個(gè)HEV的虛擬構(gòu)架。基于以下兩個(gè)主要的原因，這成為

3、HEV發(fā)展過程的重要步驟，即()一個(gè)好的虛擬樣機(jī)在計(jì)算機(jī)硬件裝配前是允許驗(yàn)證試驗(yàn)的,這樣意味著可以減少生產(chǎn)上的時(shí)間和消費(fèi),()新的設(shè)計(jì)可能性是能探索的;例如,在HEV中部件尺寸大小權(quán)衡的學(xué)習(xí)就是可行的.國(guó)際再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)已經(jīng)開發(fā)了ADVISOR,先進(jìn)的汽車仿真器,它是一種對(duì)不論傳統(tǒng)還是先進(jìn)車輛里能量的使用和排放分析的，非常有用的電腦仿真工具2-4。ADCISOR已經(jīng)發(fā)展成在MATLAB Simulink基礎(chǔ)上運(yùn)行，并且它允許用戶交換大量組件，車輛配置，和控制策略2-4。并且，ADVISOR有個(gè)用戶圖解界面（GUI）允許輸入文件的簡(jiǎn)單操控，測(cè)試路線和輸出平面2-4。更多關(guān)于ADVIS

4、OR和相關(guān)應(yīng)用的信息在網(wǎng)站/analysis/adcisor.html.可以找到。在本次工作中，虛擬測(cè)試床（VTB）被利用于HEV的虛擬原型。VTB有兩個(gè)重要特征5,6；（）它有一個(gè)已經(jīng)被大量語言創(chuàng)造成單一的仿真環(huán)境的集成模型的容量；()它提供了先進(jìn)的可視化仿真結(jié)果，包括機(jī)械部件的全動(dòng)態(tài)激勵(lì)和在系統(tǒng)拓?fù)鋵W(xué)上計(jì)算結(jié)果的可指定部位。VTB的第一個(gè)特性允許每個(gè)大范圍多技術(shù)系統(tǒng)的組成被描述為最合適的語言（比如，為電力組成的SPICE，為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的ACSL,先進(jìn)的連續(xù)仿真語言，以及為動(dòng)力電路分配的SABER）7。另一方面，第二個(gè)特性更形象的加強(qiáng)了用戶對(duì)仿真結(jié)果的理解。不

5、像其他任何仿真器基于多變的建造方法規(guī)定（比如MATLAB和ACSL）,VTB解算器是基于穩(wěn)定的指南建模方法8。在這類方法中，每一個(gè)設(shè)備（成分）都代表電阻和電流源的內(nèi)部連接，它的價(jià)值都依賴于裝置參數(shù)和裝置狀態(tài)多樣性的歷史價(jià)值8。另外，每個(gè)裝置都被當(dāng)做一個(gè)裝了一些終端的盒子，它同時(shí)提供對(duì)其他裝置的連接8。RC在多樣化情景建模方法中的優(yōu)勢(shì)在于一旦裝置模擬被建立，任何裝置設(shè)置的內(nèi)部連接都能輕松處理8。這對(duì)大范圍多技術(shù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)來說很重要。更多關(guān)于VTB的信息在網(wǎng)站能找到，VTB軟件和支持工具也能在同樣的網(wǎng)站上免費(fèi)下載。本次研究中HEV的電動(dòng)部分的組成有（）作為平均電力（10-15kW）基本資源的燃

6、料電池系統(tǒng)，（）作為高強(qiáng)動(dòng)力要求（例如，分別是50和150kW）能源儲(chǔ)備裝置的電池盒超級(jí)電容，（）推動(dòng)和控制電流的Cuk式的直流轉(zhuǎn)換器，（）一種已調(diào)脈寬（PWM）轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)矢量控制作為驅(qū)動(dòng)的三相永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSM），以及（v）一個(gè)共同的能量分配直流箱。HEV電力系統(tǒng)為一部分的模型已預(yù)先發(fā)展使用ACSL，也已經(jīng)被報(bào)道9,10,這些模型的解釋在下節(jié)呈現(xiàn)。基于部分描述，一個(gè)HEV的虛擬構(gòu)建才被建設(shè)到VTB里。最后，仿真和激勵(lì)結(jié)果被數(shù)字化地展示，核實(shí)了虛擬原型，也證明了VTB的先進(jìn)可視化能力。2HEV的組成摘要 表格1顯示了一個(gè)HEV電力部分的簡(jiǎn)化塊的圖表9。燃料電池系統(tǒng)的定義，電池組，超級(jí)電容組

7、，助動(dòng)變流器，Cuk變流器，PMSM，以及PWM轉(zhuǎn)換器都將展示于以下幾節(jié)。2.1.燃料電池系統(tǒng)一個(gè)簡(jiǎn)單的質(zhì)子交換膜（PEM）氫燃料電池的當(dāng)前電壓特性在表格2.里做了說明，在此表格里V（縱軸）是在燃料電池終端的電壓，I（橫軸）是出自燃料電池的當(dāng)前電流。它有三個(gè)基本控制區(qū)。分別是，（1）電流增加引起電壓減少的低壓電區(qū)，（）覆蓋了大部分特性的線性區(qū)（）電壓陡然降低至零點(diǎn)引起的高電流區(qū)11。也應(yīng)注意，V和I的單位分別是毫伏和毫安。因?yàn)闄M軸的價(jià)值包括低電壓和線性區(qū)，縱軸對(duì)于橫軸可被表達(dá)于 ， （1）這里是以mV為單位的燃料電池開放電路的電壓，是以mV為單位的Tafel斜率，是以為單位的燃料電池交節(jié)區(qū)，以

8、W為單位的內(nèi)部電阻11.對(duì)全部電流范圍更完整的表達(dá)是(見12) （2）在（2）中，參數(shù)m和n是經(jīng)驗(yàn)方程式常量，它們能被非線性回歸分析觀測(cè)12。燃料電池堆的全部電壓來自于 （3）這里是堆中的電池?cái)?shù)。在表1中列舉了燃料電池的數(shù)值價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)。，和的價(jià)值是從4中獲得，同時(shí)其他的則被選在表2中為適應(yīng)曲線，這里低電流和線性區(qū)的范圍是采納于4。燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品所考慮的功率達(dá)18kW。這足以克服在高速下的平均空氣損耗。另一考慮則是燃料電池同一般的DC電壓比較而言，其輸出電壓經(jīng)常較低。這就要求一個(gè)DC-to-DC能量轉(zhuǎn)換器作為中介，它能把低電壓轉(zhuǎn)換到高電壓（詳見2.4節(jié)）。2.2電池儲(chǔ)庫(kù)電池儲(chǔ)庫(kù)是由一系列25個(gè)1

9、2伏酸性電池組成，每個(gè)都額定26安（或93,600庫(kù)）。每節(jié)電池的動(dòng)態(tài)方程式來自分別為（4），（5），（6）這里是電池內(nèi)部電壓，是電池充電狀態(tài)，是電池終端測(cè)試電壓,是流出電池的電流。在（4）-（6）里，是的最大值，是電池的等價(jià)串聯(lián)電阻。對(duì)于，電池模型（4）-（6）正是跟在13里使用的Ford電池模型一樣。參數(shù)值從4中采納并列于表2中。在這個(gè)仿真中，（0）設(shè)置為10.4Ah（的40%），它能產(chǎn)生大約總共308伏的電池內(nèi)部電壓。電池儲(chǔ)庫(kù)跟燃料電池系統(tǒng)一起共同供應(yīng)了總數(shù)為55千瓦的能量，這足以提供多數(shù)城市和高速公路行駛循環(huán)包括以一定的速度爬坡。表2電池參數(shù)2.3.超級(jí)電容儲(chǔ)庫(kù)在本次工作中，一個(gè)簡(jiǎn)單的

10、雙層超級(jí)電容器是呈現(xiàn)在表3中的回路中的，它包含了一個(gè)等價(jià)系列電阻和一個(gè)理想的電容14。這個(gè)等價(jià)系列電阻也可縮寫為ESR，歸為超級(jí)電容里的損失計(jì)算。如表格3中所示，讓和分別表示為超級(jí)電容器的終端電壓和流入超級(jí)電容器的電流，超級(jí)電容器里的電壓電流的關(guān)系可以表達(dá)于， （7）這里是通過理想電容的最初電壓。如果（0）（的初值）等同于（的初值）是零。表格3列舉了簡(jiǎn)單雙層超級(jí)電容14的參數(shù)等級(jí)。為了達(dá)到更高的電壓等級(jí)，超級(jí)電容器的串并聯(lián)在本次工作室應(yīng)考慮的。特別地，四個(gè)并聯(lián)分支的超級(jí)電容網(wǎng)絡(luò)工作是被利用的，這里每個(gè)分支包含了200超級(jí)電容器的串聯(lián)。這形成了超級(jí)電容的形成，全部電壓等級(jí)460伏，電容9.4和0

11、.225歐的ESR。在仿真中，超級(jí)電容器的全部初值都設(shè)定到460伏。超級(jí)電容器貢獻(xiàn)于可能像160千瓦高且像幾秒樣簡(jiǎn)潔的HEV的峰值和高強(qiáng)度要求。這在考慮車輛在7秒內(nèi)加速至50km/hr的情況下很有必要。此超級(jí)電容器也接受部分釋放于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在剎車9,10時(shí)產(chǎn)生的再生能量。因?yàn)檠杆賱x車和加速時(shí)額外的輸入和輸出的電流影響，通過超級(jí)電容器的電壓可能震蕩低于或高于常值電壓。它迫使需要一個(gè)能操控高低不同模式的雙向的能量轉(zhuǎn)換器（見2.4節(jié)）。2.4.燃料電池系統(tǒng)和超級(jí)電容的動(dòng)力轉(zhuǎn)換器燃料電池系統(tǒng)和超級(jí)電容是通過推動(dòng)和Cuk局部分析學(xué)的DC-to-DC動(dòng)力轉(zhuǎn)換器共同連接到DC動(dòng)力轉(zhuǎn)換儲(chǔ)庫(kù)的。整流器跟燃料電池

12、一起促進(jìn)了燃料電池能量輸出的模式和命令。另一方面，超級(jí)電容的整流器是直接和Cuk模式的。它控制了超級(jí)電容能量的流入和流出。圖4顯示了助整流器的電路表15。電流回路的狀態(tài)空間平均模式在16中展示 （8） （9）這里斜率D的含義是在開關(guān)S1關(guān)閉和開關(guān)S2打開的期間轉(zhuǎn)換期的比值。參數(shù)值安排在表格4里圖5是Cuk偏向整流器15,17的回路圖解。相應(yīng)的平均模型是16, （10） , （11） , （12）這里斜率D定義為類似的規(guī)矩。電感和電容的值如表格5所示。在10,18中，回饋控制已經(jīng)設(shè)計(jì)，也被仿真結(jié)果所證實(shí)，從而完成了助動(dòng)和Cuk整流器的操作目標(biāo)?；仞伩刂剖腔谄骄哪Ｊ剑?），（9）和（10）-（

13、12）。2.5.三相PMSM為HEV考慮的三相PMSM的d-q模型如下所示， （13）， （14）， （15）這里和分別代表d和q的電壓，和分別代表d和q的電流，則是轉(zhuǎn)子的角速度，是繞線圈電阻，L是繞線圈的電感，p是極數(shù)，是永磁的流量連接。參數(shù)，和跟反作用于車輛運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相關(guān)，其定義如表5所示 (16), （17） ， （18）這里m是指汽車的質(zhì)量，車輛對(duì)水平面的角度，n是全部的齒輪比率，h是指?jìng)鬏斝?，是指輪子半徑，是旋轉(zhuǎn)電阻系數(shù)，g是對(duì)重力的加速度，r是空氣密度，是延緩系數(shù)，是正面面積，是指驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（PMSM）的慣性瞬間，指輪胎的慣性瞬間19。在（15）中，是電動(dòng)轉(zhuǎn)矩（如，通過發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的

14、轉(zhuǎn)矩），它通過下式計(jì)算. (19)定子的d-q電壓和跟定子的三相電壓，和關(guān)系如下 （20）此關(guān)系對(duì)定子的d-q和三相電流同樣有效。PMSM和車輛的參數(shù)值分別列舉于圖6和7中，表7中的參數(shù)值是菲亞特Cinquecento19電動(dòng)汽車原型的。為了滿足車輛的加減速要求，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)型定子電流命令速度控制器（矢量控制器），在9中，它也被仿真結(jié)果所證實(shí)。對(duì)更多的PMSM信息和關(guān)聯(lián)矢量控制器，閱讀器指的是20，,21。2.6.PMSM的PWM換流器近幾年，電壓源反相器的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)因?yàn)樗陌惭b方便和卓越的表演性能已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，比如低頻損失因素22-25。SVPWM技術(shù)的線性

15、調(diào)制范圍終止于的調(diào)制指標(biāo)。換句話說，在SVPWM表中，在沒引進(jìn)的低頻，是DC鏈電壓的情況下，基礎(chǔ)部分的輸出端（相）電壓26的最大值也能被命令。基于此考慮，PMSM定子的d-q電壓被限制在（見轉(zhuǎn)換（20）26 (21)假設(shè)反相器失效，輸入反相器的輸入電流是通過計(jì)算的，然后解決，這里 (22)是轉(zhuǎn)化器的輸入能量和 （23）換流器分配的輸出到PMSM26的輸出電壓。的表達(dá)來自于。 （24）此約束和表達(dá)式代表了SVPWM換流器26的平均值模型。3.在VTB里，HEV的虛擬模型在本節(jié)中，基于第2節(jié)的成分說明，HEV的電動(dòng)部分的虛擬模型有所發(fā)展，也在VTB環(huán)境下被仿真結(jié)果所證實(shí)。HEV的虛擬原型完成于用C

16、+源程序編寫的VTB本土模型的使用。一旦每部分的源代碼被創(chuàng)造，它就會(huì)被建成為在一個(gè)交互仿真5,6期間，一旦需要就允許部分從系統(tǒng)拓?fù)鋵W(xué)被建造和移除的動(dòng)態(tài)聯(lián)系文庫(kù)（DLL）形式。C+源代碼包括了基于RC模擬方式8的部分描述。數(shù)據(jù)庫(kù)6說明了HEV（18）電力系統(tǒng)的VTB圖表式的觀點(diǎn)。在此圖表中，用戶通過編輯器雙擊此本部分便能輕松交換部分參數(shù)的值。所提議的HEV系統(tǒng)仿真被兩種可行的驅(qū)動(dòng)循環(huán)模式來實(shí)施。它們是：（i）迅速的加速和減速，（ii）聯(lián)邦城市駕駛安排（FUDS）。以下幾段展現(xiàn)了仿真結(jié)果。不做特殊說明的話，被選擇的部件和車輛的參數(shù)值跟第2節(jié)的相同。3.1.迅速的加速和減速在本次試驗(yàn)中，車輛首先在7

17、秒內(nèi)加速指50km/h（31.1mph），然后在此速度保持3秒，最后停下休息7秒。圖7-9顯示了本次試驗(yàn)獲得的結(jié)果。數(shù)表7展示了車輛的速度變化軌跡。在此表格中，因?yàn)槭欠忾]的軌跡，實(shí)際速度和參考速度都分別是其極值。輸入PWM轉(zhuǎn)化器的輸入電流和DC箱電壓顯示在圖8里。在加速階段（從0到7秒）可見，伴隨著的減少而降低。另一方面，在減速階段（從10到17秒），到達(dá)了一個(gè)極大值。 當(dāng)減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的能量通過DC箱向電池組充電。結(jié)果是在電池組電壓附近浮動(dòng)的DC箱的電壓增加9。表格9顯示了輸入換流器的全部輸入能量和燃料電池的貢獻(xiàn)值（），電池組（）和超級(jí)電容()直到。在加速時(shí)，燃料電池系統(tǒng)被命令提供到達(dá)1

18、8千瓦的動(dòng)力（因?yàn)樯a(chǎn)商的建議，燃料電池的最小電壓被限制到60伏，才能與功率最大值18千瓦4相匹配）。另一方面燃料電池和電池組一起僅能提供大約55千瓦（最大）。最后，超級(jí)電容提供輸入功率的余下部分，它能在加速時(shí)達(dá)到160千瓦。要注意的是，超級(jí)電容也接收在為防止電池組因?yàn)檫^度充電而減速的輸入功率的有效部分。在另一個(gè)測(cè)試中，車輛在18秒里被加速至100km/h（62.1mph）的最大速度，然后，在此速度保持12秒，最后，停止休息18秒。可以觀測(cè)到在最大速度是，所要求的穩(wěn)定狀態(tài)操控的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和全部輸入功率分別是14.5Nm和12.5Kw。這和在19中提及的保持一致。圖10和11說明了本次測(cè)試的結(jié)果

19、。3.2.聯(lián)邦城市驅(qū)動(dòng)安排（FUDS）表格12顯示了FUDS的實(shí)際和參考的車輛速度（兩條線在各自頂端的部分導(dǎo)致了封閉的軌跡）。全部的輸入能量和每個(gè)能源裝置的貢獻(xiàn)值都在表13-16中。能源設(shè)備的控制策略跟3.1節(jié)相同。從數(shù)表16中，可以看見對(duì)多數(shù)驅(qū)動(dòng)循環(huán)而言，超級(jí)電容都是擱置的。這是因?yàn)槿枯斎雱?dòng)力大部分都保持低于55千瓦的事實(shí)。同時(shí)，在循環(huán)最后簡(jiǎn)單的電池充電減少到只有9.8Ah（10.4Ah），也能在整個(gè)循環(huán)中觀察到箱電壓在250和340伏間波動(dòng)。這表明了在控制策略的提醒下，車輛為維持了足夠的動(dòng)力來克服要求和漫長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)循環(huán)。在另一個(gè)測(cè)試中，從4中被采納了新的車輛參數(shù)設(shè)置。表8列舉了新的價(jià)值（其

20、他參數(shù)保持不變）。這此測(cè)試的全部輸入動(dòng)力遵循4中相同的模式。結(jié)果在數(shù)表17中展示。4.HEV的激勵(lì)VTB的一個(gè)重要特性即是它的先進(jìn)可視化系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件的全部動(dòng)作激勵(lì)。此形象化不管是交互還是離線都能操控。在交互期間，仿真輸出數(shù)據(jù)跟可視化全系統(tǒng)5有關(guān)。在另一方面，在離線仿真時(shí)的數(shù)據(jù)集成首先存貯在文本文件的形式中，然后通過即插式設(shè)備出現(xiàn)在可視化系統(tǒng)界面中。VTB的利用方向已經(jīng)被用作達(dá)到HEV的全運(yùn)動(dòng)激勵(lì)。圖18和19展示了來自激勵(lì)的屏幕快照。圖18是車身的激勵(lì)現(xiàn)象，圖19是汽車儀表盤的激勵(lì)現(xiàn)象。在此激勵(lì)期間，車輛運(yùn)行在范圍標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，被驅(qū)動(dòng)循環(huán)證實(shí)了規(guī)定速度，且儀表盤上的進(jìn)度指示了相應(yīng)變量的瞬時(shí)

21、值。5.結(jié)論HEV的虛擬原型已經(jīng)有所發(fā)展，也在VTB環(huán)境下被仿真結(jié)果數(shù)字化證實(shí)。虛擬原型已經(jīng)達(dá)成了使用VTB部件的自身模型。同時(shí)，基于這仿真結(jié)果，一個(gè)HEV的動(dòng)作激勵(lì)已被演示證明VTB的先進(jìn)形象化能力。虛擬原型的一個(gè)獨(dú)特特性是下一代的HEV包含了所有可能的能量設(shè)備（燃料電池系統(tǒng)，電池組和超級(jí)電容器）。進(jìn)一步講，為了與真實(shí)世界一直，非線性動(dòng)力學(xué)，歐米伽損失，以及部件的電壓/電流限制都將被考慮在內(nèi)。答謝本次工作受到了海洋研究所辦公室的補(bǔ)助N00014-96-1-0926和N00014-00-1-0131。參考文獻(xiàn)1 Riezenman MJ. Engineering the EV future.

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