串联混合动力电驱动系统建模与Matlab仿真

鲁子卉

(长春职业技术学院，长春 130033)

石油资源短缺和环境污染成为影响当今汽车发展的两大主题，以电驱动为特点的新能源车辆成为了现如今国内外汽车领域所关注的重点与热点。随着电力电子系统、通讯与计算机系统的飞速发展，电驱动系统在汽车中的应用已日益成熟。混合动力电动汽车(hybrid electric vehicle，HEV)是新能源汽车中最具可行性的产品。由于现如今电池容量不能满足要求，因此HEV 同时采用发动机和驱动电机作为动力源，以燃油和电池作为车载电源［1］，可充分利用多种能量源的优势，有效降低油耗和排放。资料表明，HEV 将成为未来几十年内世界汽车工业发展的主要方向之一。目前，世界主要的能源研究机构和汽车公司都相继加入了HEV 的研发行列［2］。

建模与仿真是新能源汽车研发过程中的重要手段，本文基于串联混合动力电动汽车电驱动系统的建模方法展开研究，分析了串联混合动力电驱动系统的特点，并建立了电驱动系统关键部件的仿真模型。

1 串联混合动力汽车系统结构

串联式混合动力电动汽车的系统结构如图1 所示。电驱动系统主要由发动机-发电机组、整流桥、DC -DC 变换器、动力电池组、电机变频控制器和驱动电机等组成。发动机-发电机组为电机系统持续提供电能，而电池组则适时进行电能补充;DC -DC 变换器调节电池输出电压，起到母线电压调节作用。发动机-发电机组的电压与发动机转速相关，调节发动机工作点同时通过DC-DC 变换器来控制母线电压，使其与发动机-发电机组电压相匹配，电机控制器的作用是通过变频调速使输出转速跟随驾驶员操作意图。

结合图1 系统结构可得到整个系统的功率平衡关系

其中:ηT为从电机输出轴到车轮的机械传动效率;Pψ为道路阻力功率;Pw为空气阻力功率;Pa为加速阻力功率。

图1 串联混合动力系统结构

上述系统中，发动机-发电机组的特点是其工作点控制不受外部负载的影响，即发动机转速与车速无耦合关系，因此发动机-发电机组可工作在最优状态，发动机只带动发电机向驱动电机或蓄电池供电而不直接驱动车辆。发动机-发电机组和驱动电机之间采用柔性连接，因此驱动系统在底盘上易于布置。电驱动系统通过合理控制可实现如下工作模式:①纯电力驱动模式:在该模式下发动机关闭，整个电驱动系统仅由电池来为驱动电机提供电能;②发动机主导模式:该模式下电池并不输出电能，系统中所需能量均来自于发动机-发电机组，而电池组仅用来调节发动机工作点;③协同工作模式:该模式下发动机-发电机组与电池组一起工作，共同为整个系统输出电能，是最为常用的一种模式，在该模式下，动力电池组不断输出或吸收能量，使发动机维持在效率最优的区域;④再生制动模式:当车辆减速时驱动电机用作发电机，将车辆动能转化为电能存储在电池中。

2 电驱动系统建模

为便于混合动力汽车控制系统研究，对电驱动系统进行建模与仿真是重要的技术基础和科学手段，具有十分重要的意义。基于上述分析，对电驱动系统中各关键部件进行建模，主要包括发动机-发电机组子模型、电机驱动系统子模型、动力电池组模型、DC -DC 变换器模型及车辆动力学模型等，进而建立出可用于混合动力系统仿真的电驱动系统仿真模型。系统建模的原则是所建立的模型不能过于复杂却能在足够的精度上反映电驱动系统的工作特性。

2.1 发动机发电机组子模型

发动机-发电机组是混合动力电驱动系统中的主要部件之一，发动机与发电机通过机械增速箱连接，带有滤波电容的不控整流桥连接发电机与直流母线［3］，发动机与发电机动力学关系如下

其中:Te与Tg为发动机与发电机力矩;ωg为发电机转速;ηz为增速箱传动效率;J 为发动机与发电机的转动惯量。

发电机的工作点与发电机系统的电流之间存在如下关系

其中:Ig为发电机在经过不控整流桥之后的输出电流;Ke与Kx分别为与系统结构有关的参数。

2.2 电池模型

动力电池组的建模采用等效内阻法，其等效电路如图2所示。

图2 电池组等效内阻模型

将电池视为理想电压源与内阻串联结构，电池模型的输出为电池组的端电压可用下式描述

其中:Vba为电池组开路电压;Rn为电池等效内阻;Iba为电池组输出电流;Uba为电池组端电压。

内阻Rs为荷电状态(state of charge，SOC)相关的函数，通过查表获得。在建模过程中可采用Ah 积分的方法来进行电池SOC 估计

其中:Q0为电池组初始容量;Ib为动力电池组输出电流;Qm为动力电池组总容量。

2.3 电动机模型

电机驱动系统是串联混合动力电驱动系统中的关键部件。系统对外释放的驱动力矩均来自于电机驱动系统。

混合动力电驱动系统多数采用三相感应电机作为驱动单元，感应电机驱动矢量控制系统［4］的结构如图3 所示。在建模过程中，首先通过Park 变换实现感应电机转矩和磁通之间的解耦。

图3 感应电机电控系统结构

根据上述电路关系可建立平衡关系如式(6)所示。感应电机模型的输入量为定子电压和频率，输出量为电机转速和磁链。

其中:um、Im分别为定子M 轴电压与电流;ut，It分别为定子T 轴电压与电流;Irm、Irt分别为转子M 轴和T 轴瞬时电流;Lm为定转子绕组轴线重合时相间的互感;Rs、Rr为定子和转子每相绕组阻值;Ls、Lr为定子和转子每相绕组的自感;ωe为电压旋转角速度;ωr为转子角速度;eω为定子与转子角速度之差。

4 仿真结果

结合城市循环工况UDDS，对所建立的电驱动系统模型进行Simulink 系统仿真，循环工况速度变化曲线如图4 所示。通过仿真可得到发动机与电机工作状态，截取200 ～500 s部分观察如图5，在减速阶段电机力矩为负值，表示电机系统在进行制动能量回收。

图4 UDDS 城市运行工况

图5 电机输出功率仿真结果

整个循环工况下的仿真结果如图6 所示。可以看出:所建立的系统模型具有良好的仿真效果，适合用于混合动力汽车电驱动系统控制领域的仿真研究。

图6 电驱动系统UDDS 仿真结果

5 结束语

对当前广泛使用的串联式混合动力电驱动系统进行了建模与仿真研究，提出了简化但又抓住各部件主要特点的建模方案，对所建立的电驱动系统模型结合UDDS 城市工况进行了Simulink 系统仿真，结果表明所建立的系统模型可有效用于电驱动系统控制的仿真与研究。

［1］杨为琛，孙逢春.混合电动汽车的技术现状［J］.车辆与动力技术，2001(4):41-46.

［2］陈泽宇，张承宁，李军求，等.双侧电传动履带车辆小半径转向控制策略［J］.中国机械工程学报，2010，21(13):1637-1637.

［3］陈清泉，孙逢春.混合电动车辆基础［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

［4］钱昊，赵忠祥.永磁同步电机矢量控制研究［J］.农机化研究，2006.4(2):90-94.

［5］任鑫，王亚平. 串联混合动力汽车性能仿真软件设计［J］.四川兵工学报，2011(1):82-84.