CN104112036A - 混联式混合动力电动汽车的仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，包括首先建立由发动机、发电机、电动机、储能装置(蓄电池)、动力分配装置、制动能量回收系统、能量管理系统组成的数学仿真模型，再对该系统进行系统性能分析和优化设计，最后得出仿真系统的各项性能指标；其仿真方法包括如下步骤：1.确定系统组成，2.建立系统模型，3.进行系统仿真；该方法可以实现能量利用率的最优管理，使有限的燃油发挥最大的功效；使混联式混合动力电动汽车可以在再生制动状态下将制动能量回馈给电池，实现电动汽车能量的回收，从而大量减少混联式混合动力电动汽车的油耗和排放，达到节能和环保的目的，还可对能量进行最优利用，迅速、平稳地进行加、减速，具有良好的动力性能。

Description

混联式混合动力电动汽车的仿真方法

技术领域

本发明涉及一种混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，属于能源技术领域。 

背景技术

现代水力发电、核能发电、风力发电和太阳能的利用，为人们提供了巨大的能源。各种高能蓄电池和高效率电机不断地出现，使人们把目光转向了电动汽车，电动车辆可以摆脱对石油燃料的依赖和实现“零污染”或“超低污染”的排放，为电动汽车的“东山再起”创造了有利条件。因此，各国和各大汽车公司都重视了电动汽车的研究、开发和试制； 

混联式混合动力电动汽车的主要特征是同时具有串联式和并联式两种驱动方式。混联式混合动力电动汽车是在综合了串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力电动汽车的结构特点而组成的，既可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合模式下工作。它与串联式相比，主要增加了机械动力传递路线，而与并联式相比它增加了电力驱动传输路线。即同时兼顾了串联式和并联式的优点，结构上保证了在各种复杂工况下可灵活采取串联方式或并联方式，以实现热效率最高、污染量排放最低的目标。 

发明内容

本发明的目的是提供一种混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，用以实现混联式混合动力电动汽车的运行，使电动车辆可以摆脱对石油燃料的依赖，实现“零污染”或“超低污染”的排放，为电动汽车的“东山再起”创造有利条件；使混联式混合动力电动汽车可以实现能量的最优利用，从而实现低油耗、低排放和节能的目标。 

为实现发明目的，本发明采用的技术方案是：根据混联式混合动力电动汽车系统的工作原理，建立系统的仿真模型，运用混联式驱动系统和能量管理系统的控制策略，对系统进行仿真，得到电动汽车行驶速度图、发动机输出功率图、发电机转速图、电池荷电状态图和电动机转速图。为了进行系统性能分析 和优化设计，建立由发动机、发电机、电动机、储能装置(蓄电池)、动力分配装置、制动能量回收系统、能量管理系统等组成的仿真模型，并在MATLAB/SIMULINK平台上对此模型进行仿真，其仿真方法包括如下步骤：1.确定系统组成：2.建立系统模型，3.进行系统仿真。 

其中1：所述确定系统组成，是确定本系统由发动机、发电机、电动机、储能装置即蓄电池、动力分配装置、制动能量回收系统、能量管理系统组成。 

其中2：所述建立系统模型是根据系统工作原理，建立混联式混合动力电动汽车系统各个组成部分的模型。以下主要介绍发动机模型、发电机模型、电动机模型、储能装置即蓄电池模型、动力分配装置模型、制动能量回收系统模型、能量管理系统模型： 

其中：A.发动机模型： 

考虑发动机单独驱动的情况，汽车行驶时的功率平衡方程式为 

$P_e=\frac{1}{{\mathrm{\η}}_T}(\frac{{\mathrm{Gfu}}_a}{3600}+\frac{{\mathrm{Giu}}_a}{3600}+\frac{C_D{\mathrm{Au}}_a^3}{76140}+\frac{\mathrm{\δ}{\mathrm{mu}}_a}{3600}\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}})---\left(1\right)$

式中，P_e为发动机输出功率；η_T为传动系效率；G为汽车重量；f为滚动阻力系数；i为汽车行驶路面的坡度；u_a为汽车行驶速度；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积；δ为旋转质量换算系数；m为汽车质量； 

B.发电机和电动机模型： 

发电机和电动机均为永磁同步电机，两个模块内部模型相同，只是在能量管理系统的控制下其运行方式不同。永磁同步电机转子是永久磁铁，磁通有正弦波和梯形波两种模式，本文采用正弦波控制永磁同步电机。正弦波控制永磁同步电机模型假定定子磁通是正弦分布的，因此产生的感应电动势也是正弦的，因为一般永磁同步电机气隙比较大，因此模型没有考虑定子磁路的饱和和铁损。永磁同步电机模型是建立在二相旋转坐标系(dq坐标系)上的，所有参数也折算到旋转坐标系上。电机方程如下： 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_d=\frac{1}{L_d}{u}_d-\frac{R}{L_d}{i}_d+\frac{L_q}{L_d}p{\mathrm{\ω}}_r{i}_q---\left(2\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_q=\frac{1}{L_q}{u}_q-\frac{R}{L_q}{i}_q-\frac{L_d}{L_q}p{\mathrm{\ω}}_r{i}_d-\frac{\mathrm{\λp}{\mathrm{\ω}}_r}{L_q}---\left(3\right)$

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

式中，L_q、L_d为q、d轴电感；R为定子绕组电阻；i_q、i_d为q、d轴电流分量；u_q、u_d为q、d轴电压分量；ω_r为转子角速度；p为极对数；T_e为电磁转矩；λ为永磁转子对定子的磁通系数。 

永磁同步电机的机械方程： 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ω}}_r=\frac{1}{J}(T_e-F{\mathrm{\ω}}_r-T_m)---\left(5\right)$

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_r---\left(6\right)$

式中，J为转子和负载的转动惯量；F为转子和负载的摩擦系数；θ为转子位置角；T_m为轴上机械转矩； 

C.储能装置即蓄电池模型： 

本系统的蓄电池采用KiBaM模型，该模型可以实时反映蓄电池容量与充、放电电流的关系。设在仿真步长Δt内，系统额定电压为U，负载需求功率为P_d，系统剩余功率为P_e，则有： 

充电电流：I_c＝P_e/U 

最大充电电流I_cmax： 

I_cmax＝[-kcq_max+kq₁₀e^-kΔt+q₀kc(1-e^-kΔt)]/[1-e^-kΔt+c(kΔt-1+e^-kΔt)]     (7) 

放电电流：I_d＝P_d/U 

最大放电电流I_dmax： 

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

式中，c表示可用电荷容量与总容量的比值；q₁₀表示在时间步长Δt起始时刻可用电荷容量；q₀表示在时间步长Δt起始时刻总电荷容量；k表示比率常数；q_max表示最大容量； 

D.动力分配装置模型： 

在混联式混合动力传动结构中，用于实现能量分流和综合的动力分配装置是一个行星齿轮机构，其中行星架与发动机的输出轴相连，齿圈与电动机的转轴相连，同时也与输出齿轮相连，而太阳齿轮轴发出的动力驱动发电机发电，中间与一离合器相连，必要时锁死太阳轮，使行星齿轮机构以一定的传动比工作。发电机的转子刚性联接在发动机的输出轴上； 

通过对行星机构的变速比和受力分析，可以得到如下方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1+k_p{\mathrm{\ω}}_2-(1+k_p){\mathrm{\ω}}_3=0\\ T_3=\frac{(1+k_p)}{{\mathrm{\η}}_S}{T}_1=\frac{(1+k_p)}{{\mathrm{\η}}_R{k}_p}{T}_2\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，k_p为齿数比，k_p＝z₂/z₁；z₁为太阳轮齿数；z₂为齿圈齿数；η_S为由太阳轮到行星架的效率；η_R为由齿圈到行星架的效率；T₁、T₂、T₃分别为太阳轮、齿圈和行星架的转矩；ω₁、ω₂、ω₃分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度； 

作用在驱动轮上的转矩T_t是由发动机产生的转矩经过动力分配装置后传至车轮上的，因此驱动力为： 

$F_t=\frac{T_{\mathrm{tq}}{i}_0{\mathrm{\η}}_T}{r}---\left(10\right)$

式中，T_tq为作用在齿圈上的总转矩；i₀为主减速器速比；η_T为传动系效率；r为车轮半径； 

E.制动能量回收系统模型： 

制动能量回收系统是混合动力电动汽车的重要组成部分之一，又称再生制动系统，是指汽车在制动或下坡时将储存于车身上的势能和动能，通过电动机转化为电能，并储存于储能装置中的过程； 

再生制动系统的结构与原理如图1所示，由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC/DC转换器、DC/DC转换器、能量储存系统以及控制器组成； 

汽车在制动或滑行过程中，根据驾驶员的制动意图，由制动控制器计算得到汽车需要的总制动力。再根据一定的制动力分配控制策略得到电动机应该提供的电动机再生制动力。电动机控制器计算需要的电动机电枢中的制动电流，通过一定的控制方法使电动机跟踪需要的制动电流，从而较准确地提供再生制动力矩，在电动机的电枢中产生的电流经AC/DC转换器整流再经DC/DC转换器反充到储能装置中保存起来； 

F.能量管理系统模型： 

能量管理系统随时向驾驶员提供有用的信息，如充电时，显示充电状态；运行时，显示电池的电压、电流、温度、电解液的密度、剩余电量以及车速等，使驾驶员心中有数，操作正确。上述信息也随时提供给计算机，用来分析诊断故障、保持工作正常或保持最优运行状态，如通过电动机控制器避免电池过度放电，通过平衡单元保持各电池的温度均衡和电量均衡。 

其中3：所述进行系统仿真是在MATLAB/SIMULINK中，对混联式混合动力电动汽车系统进行建模仿真。电动汽车的整车主要参数为：汽车质量约1325kg，满载1600kg；旋转质量换算系数为1.2；迎风面积为2.57m²；空气阻力系数为0.3；滚动阻力系数为0.018；车轮半径为0.3m； 

根据系统工作原理，建立混联式混合动力电动汽车系统的各个子模块。以下主要介绍发动机、发电机、电动机、蓄电池、动力分配装置模块的主要参数： 

(1)发动机模块： 

发动机模块的主要参数为：最大功率为57kW，最大转速为6000rpm，排量为1.5L； 

(2)发电机模块： 

发电机模块的主要参数为：最大功率为30kW，最大转速为13000rpm，定子绕组电阻为0.05Ω，q、d轴电感均为0.000635H，极对数为1； 

(3)电动机模块： 

电动机模块的主要参数为：最大功率为50kW，最大转速为6000rpm，定子绕组电阻为0.0065Ω，q、d轴电感分别为0.002057H和0.001598H，极对数为4； 

(4)蓄电池模块： 

蓄电池模块的主要参数为：最大功率为21kW，额定电压为200V，额定容量为6.5Ah，初始荷电状态为41.53％，满充电电压为235.6V，额定放电电流为1.3A，内阻为0.30769Ω； 

(5)动力分配装置模块： 

动力分配模块的主要参数为：太阳轮齿数为29，齿圈齿数为75，主减速器速比为4.133。 

将系统的各个子模块组合在一起，建立混联式混合动力电动汽车的整体模型，对系统进行仿真，仿真时间为8s。图2、3、4、5、6分别为电动汽车行驶速度图、发动机输出功率图、发电机转速图、电池荷电状态图和电动机转速图。 

在0-1.1s期间，油门踏板状态为80％，对电动汽车进行加速。此时混联式混合动力电动汽车所需功率较小，混联式混合动力电动汽车只由电动机驱动，所需能量由电池提供，混联式混合动力电动汽车以纯电动工作模式运行。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度从0km/h变为12km/h。在图3中，发动机输出功率为0kW。发电机转速如图4所示。在图5中，电池荷电状态从41.53％变为41.36％，电池处于放电状态。在图6中，电动机转速从0rpm变为400rpm。 

在1.1-2s期间，油门踏板状态保持80％不变，对电动汽车继续进行加速。此时混联式混合动力电动汽车所需功率较大，能量管理系统启动混合运行模式， 所需能量由发动机和电池共同提供。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度从12km/h变为22km/h。在图3中，发动机输出功率首先从0kW变为16kW，然后再从16kW变为27kW。发电机转速如图4所示。在图5中，电池荷电状态从41.36％变为41.34％，电池处于放电状态。在图6中，电动机转速从400rpm变为800rpm。 

在2-4s期间，油门踏板状态为20％，对电动汽车继续进行加速。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度从22km/h变为27.5km/h。当t＝2s时，发动机不能立刻减少输出功率，在能量管理系统的控制下，电池停止向电动机供电，而是开始由发电机对其进行充电。当t＝2.2s时，发电机停止工作，所需能量只由电池提供。发动机输出功率如图3所示。发电机转速如图4所示。电池荷电状态如图5所示，在2-2.2s期间，电池处于充电状态，在2.2-4s期间，电池处于放电状态。在图6中，电动机转速从800rpm变为1000rpm。 

在4-6s期间，油门踏板状态为75％，对电动汽车继续进行加速。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度从27.5km/h变为47.5km/h。当t＝4.2s时，发动机重新启动，向混联式混合动力电动汽车提供能量。发动机输出功率如图3所示。发电机转速如图4所示。在图5中，电池荷电状态从41.09％变为40.78％，电池处于放电状态。在图6中，电动机转速从1000rpm变为1720rpm。 

在6-8s期间，油门踏板状态为-60％(即刹车踏板状态为60％)，对电动汽车进行减速(即进行刹车)。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度首先从47.5km/h变为48km/h，然后再从48km/h变为40km/h。混联式混合动力电动汽车进入再生制动状态，发电机停止工作，而电动机开始作发电机运行，将制动能量回馈给电池，电池处于充电状态，将能量储存在电池中，从而实现电动汽车能量的回收。发动机输出功率如图3所示。发电机转速如图4所示。在图5中，电池荷电状态从40.78％变为41.45％。在图6中，电动机转速首先从1720rpm变为1740rpm，然后再从1740rpm变为1450rpm。 

与现有技术相比，本发明有如下特点和进步：由于本混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，建立了由发动机、发电机、电动机、储能装置(蓄电池)、动力分配装置、制动能量回收系统、能量管理系统等组成的混联式混合动力电动汽车系统的数学仿真模型，然后在MATLAB软件中应用SIMULINK对系统进行了建模仿真。因此该方法可以实现能量利用率的最优管理，使有限的燃油发挥最大的功效。混联式混合动力电动汽车可以在再生制动状态下将制动能量回馈给电池，实现电动汽车能量的回收，从而大量减少混联式混合动力电动汽车的油耗和排放，达到节能和环保的目的。另外，在能量管理系统的控制下，电动机辅助发动机工作，混联式混合动力电动汽车可以迅速平稳地响应加、减速的 要求。能量管理系统根据电池的荷电状态，对电池进行充、放电等管理，保持电池的电量平衡。混联式混合动力电动汽车能够对能量进行最优利用，可以迅速、平稳地进行加、减速，具有良好的动力性能。混联式混合动力电动汽车在再生制动状态下，能够回收电动汽车的制动能量，可以获得较高的燃油经济性，使发动机的排污大为降低。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本本发明进一步说明： 

图1是本发明的再生制动系统结构与原理图； 

图2是本发明的电动汽车行驶速度图； 

图3是本发明系统运行时的发动机输出功率图； 

图4是本发明系统运行时的发电机转速图； 

图5是本发明系统运行时的电池荷电状态图； 

图6是本发明系统运行时的电动机转速图。 

具体实施方式

参照附图：设计出的混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法包括如下步骤：1.确定系统组成：所述混联式混合动力电动汽车系统，由发动机、发电机、电动机、储能装置(蓄电池)、动力分配装置、制动能量回收系统、能量管理系统等组成；发动机输出的一部分功率通过机械传动装置直接输送到驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给蓄电池或电动机，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：当汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，驱动系统则以并联工作方式为主。混联式混合动力结构采用行星齿轮机构作为动力分配装置。将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来，动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到传动轴，同时发电机也可以驱动电动机来驱动传动轴。这种机构有两个自由度，可以自由地控制两个不同的速度。此时车辆并不是串联式或并联式，而是两种驱动形式同时存在。这种形式充分利用了两种驱动形式 的优点。能量管理系统根据汽车运行工况，控制各部分协调工作。能量管理系统在满足汽车动力性能的前提下，最优分配电动机、发动机、电池等动力部件的功率输出，从而实现能量的最优分配，减少汽车的油耗和排放。另外，能量管理系统还要考虑电池的荷电状态平衡，对电池进行充、放电等管理，以延长电池的寿命，降低汽车的维护成本； 

2.建立系统模型：根据系统工作原理，建立混联式混合动力电动汽车系统各个组成部分的模型。以下主要介绍发动机模型、发电机模型、电动机模型、储能装置(蓄电池)模型、动力分配装置模型、制动能量回收系统模型、能量管理系统模型： 

其中：A.发动机： 

考虑发动机单独驱动的情况，汽车行驶时的功率平衡方程式为 

$P_e=\frac{1}{{\mathrm{\η}}_T}(\frac{{\mathrm{Gfu}}_a}{3600}+\frac{{\mathrm{Giu}}_a}{3600}+\frac{C_D{\mathrm{Au}}_a^3}{76140}+\frac{\mathrm{\δ}{\mathrm{mu}}_a}{3600}\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}})---\left(1\right)$

式中，P_e为发动机输出功率；η_T为传动系效率；G为汽车重量；f为滚动阻力系数；i为汽车行驶路面的坡度；u_a为汽车行驶速度；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积；δ为旋转质量换算系数；m为汽车质量。 

B.发电机和电动机： 

发电机和电动机均为永磁同步电机，两个模块内部模型相同，只是在能量管理系统的控制下其运行方式不同。永磁同步电机转子是永久磁铁，磁通有正弦波和梯形波两种模式，本文采用正弦波控制永磁同步电机。正弦波控制永磁同步电机模型假定定子磁通是正弦分布的，因此产生的感应电动势也是正弦的，因为一般永磁同步电机气隙比较大，因此模型没有考虑定子磁路的饱和和铁损。永磁同步电机模型是建立在二相旋转坐标系(dq坐标系)上的，所有参数也折算到旋转坐标系上。电机方程如下： 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_d=\frac{1}{L_d}{u}_d-\frac{R}{L_d}{i}_d+\frac{L_q}{L_d}p{\mathrm{\ω}}_r{i}_q---\left(2\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_q=\frac{1}{L_q}{u}_q-\frac{R}{L_q}{i}_q-\frac{L_d}{L_q}p{\mathrm{\ω}}_r{i}_d-\frac{\mathrm{\λp}{\mathrm{\ω}}_r}{L_q}---\left(3\right)$

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

式中，L_q、L_d为q、d轴电感；R为定子绕组电阻；i_q、i_d为q、d轴电流分量；u_q、u_d为q、d轴电压分量；ω_r为转子角速度；p为极对数；T_e为电磁转矩；λ为永磁转子对定子的磁通系数。 

永磁同步电机的机械方程： 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ω}}_r=\frac{1}{J}(T_e-F{\mathrm{\ω}}_r-T_m)---\left(5\right)$

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_r---\left(6\right)$

式中，J为转子和负载的转动惯量；F为转子和负载的摩擦系数；θ为转子位置角；T_m为轴上机械转矩。 

C.储能装置(蓄电池)： 

本文的蓄电池采用KiBaM模型，该模型可以实时反映蓄电池容量与充、放电电流的关系。设在仿真步长Δt内，系统额定电压为U，负载需求功率为P_d，系统剩余功率为P_e，则有： 

充电电流：I_c＝P_e/U 

最大充电电流I_cmax： 

I_cmax＝[-kcq_max+kq₁₀e^-kΔt+q₀kc(1-e^-kΔt)]/[1-e^-kΔt+c(kΔt-1+e^-kΔt)]     (7) 

放电电流：i_d＝P_d/U 

最大放电电流I_dmax： 

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

式中，c表示可用电荷容量与总容量的比值；q₁₀表示在时间步长Δt起始时刻可用电荷容量；q₀表示在时间步长Δt起始时刻总电荷容量；k表示比率常数；q_max表示最大容量。 

D.动力分配装置： 

在混联式混合动力传动结构中，用于实现能量分流和综合的动力分配装置是一个行星齿轮机构，其中行星架与发动机的输出轴相连，齿圈与电动机的转轴相连，同时也与输出齿轮相连，而太阳齿轮轴发出的动力驱动发电机发电，中间与一离合器相连，必要时锁死太阳轮，使行星齿轮机构以一定的传动比工作。发电机的转子刚性联接在发动机的输出轴上； 

通过对行星机构的变速比和受力分析，可以得到如下方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1+k_p{\mathrm{\ω}}_2-(1+k_p){\mathrm{\ω}}_3=0\\ T_3=\frac{(1+k_p)}{{\mathrm{\η}}_S}{T}_1=\frac{(1+k_p)}{{\mathrm{\η}}_R{k}_p}{T}_2\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，k_p为齿数比，k_p＝z₂/z₁；z₁为太阳轮齿数；z₂为齿圈齿数；η_S为由太阳轮到行星架的效率；η_R为由齿圈到行星架的效率；T₁、T₂、T₃分别为太阳轮、齿圈和行星架的转矩；ω₁、ω₂、ω₃分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度； 

作用在驱动轮上的转矩T_t是由发动机产生的转矩经过动力分配装置后传至车轮上的，因此驱动力为： 

$F_t=\frac{T_{\mathrm{tq}}{i}_0{\mathrm{\η}}_T}{r}---\left(10\right)$

式中，T_tq为作用在齿圈上的总转矩；i₀为主减速器速比；η_T为传动系效率；r为车轮半径。 

E.制动能量回收系统： 

制动能量回收系统是混合动力电动汽车的重要组成部分之一，又称再生制动系统，是指汽车在制动或下坡时将储存于车身上的势能和动能，通过电动机转化为电能，并储存于储能装置中的过程； 

再生制动系统的结构与原理如图1所示，由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC/DC转换器、DC/DC转换器、能量储存系统以及控制器组成； 

汽车在制动或滑行过程中，根据驾驶员的制动意图，由制动控制器计算得到汽车需要的总制动力。再根据一定的制动力分配控制策略得到电动机应该提供的电动机再生制动力。电动机控制器计算需要的电动机电枢中的制动电流，通过一定的控制方法使电动机跟踪需要的制动电流，从而较准确地提供再生制动力矩，在电动机的电枢中产生的电流经AC/DC转换器整流再经DC/DC转换器反充到储能装置中保存起来。 

F.能量管理系统： 

能量管理系统随时向驾驶员提供有用的信息，如充电时，显示充电状态；运行时，显示电池的电压、电流、温度、电解液的密度、剩余电量以及车速等，使驾驶员心中有数，操作正确。上述信息也随时提供给计算机，用来分析诊断故障、保持工作正常或保持最优运行状态，如通过电动机控制器避免电池过度放电，通过平衡单元保持各电池的温度均衡和电量均衡等。 

3.进行系统仿真： 

在MATLAB/SIMULINK中，对混联式混合动力电动汽车系统进行建模仿真。电动汽车的整车主要参数为：汽车质量约1325kg，满载1600kg；旋转质量换算系数为1.2；迎风面积为2.57m²；空气阻力系数为0.3；滚动阻力系数为0.018；车轮半径为0.3m。 

根据系统工作原理，建立混联式混合动力电动汽车系统的各个子模块。以下主要介绍发动机、发电机、电动机、蓄电池、动力分配装置模块的主要参数： 

(1)发动机模块： 

发动机模块的主要参数为：最大功率为57kW，最大转速为6000rpm，排量为1.5L； 

(2)发电机模块： 

发电机模块的主要参数为：最大功率为30kW，最大转速为13000rpm，定子绕组电阻为0.05Ω，q、d轴电感均为0.000635H，极对数为1； 

(3)电动机模块： 

电动机模块的主要参数为：最大功率为50kW，最大转速为6000rpm，定子绕组电阻为0.0065Ω，q、d轴电感分别为0.002057H和0.001598H，极对数为4； 

(4)蓄电池模块： 

蓄电池模块的主要参数为：最大功率为21kW，额定电压为200V，额定容量为6.5Ah，初始荷电状态为41.53％，满充电电压为235.6V，额定放电电流为1.3A，内阻为0.30769Ω； 

(5)动力分配装置模块： 

动力分配模块的主要参数为：太阳轮齿数为29，齿圈齿数为75，主减速器速比为4.133。 

将系统的各个子模块组合在一起，建立混联式混合动力电动汽车的整体模型，对系统进行仿真，仿真时间为8s。图2、3、4、5、6分别为电动汽车行驶速度图、发动机输出功率图、发电机转速图、电池荷电状态图和电动机转速图。 

在0-1.1s期间，油门踏板状态为80％，对电动汽车进行加速。此时混联式混合动力电动汽车所需功率较小，混联式混合动力电动汽车只由电动机驱动，所需能量由电池提供，混联式混合动力电动汽车以纯电动工作模式运行。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度从0km/h变为12km/h。在图3中，发动机输出功率为0kW。发电机转速如图4所示。在图5中，电池荷电状态从41.53％变为41.36％，电池处于放电状态。在图6中，电动机转速从0rpm变为400rpm。 

在1.1-2s期间，油门踏板状态保持80％不变，对电动汽车继续进行加速。此时混联式混合动力电动汽车所需功率较大，能量管理系统启动混合运行模式，所需能量由发动机和电池共同提供。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度从12km/h变为22km/h。在图3中，发动机输出功率首先从0kW变为16kW，然后再从16kW变为27kW。发电机转速如图4所示。在图5中，电池荷电状态从41.36％变为41.34％，电池处于放电状态。在图6中，电动机转速从400rpm变为800rpm。 

在2-4s期间，油门踏板状态为20％，对电动汽车继续进行加速。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度从22km/h变为27.5km/h。当t＝2s时，发动机不能立刻减少输出功率，在能量管理系统的控制下，电池停止向电动机供电，而是开始由发电机对其进行充电。当t＝2.2s时，发电机停止工作，所需能量只由电池提供。发动机输出功率如图3所示。发电机转速如图4所示。电池荷电状态如图5所示，在2-2.2s期间，电池处于充电状态，在2.2-4s期间，电池处于放电状态。在图6中，电动机转速从800rpm变为1000rpm。 

在4-6s期间，油门踏板状态为75％，对电动汽车继续进行加速。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度从27.5km/h变为47.5km/h。当t＝4.2s时，发动机重新启动，向混联式混合动力电动汽车提供能量。发动机输出功率如图3所示。发电机转速如图4所示。在图5中，电池荷电状态从41.09％变为40.78％，电池处于放电状态。在图6中，电动机转速从1000rpm变为1720rpm。 

在6-8s期间，油门踏板状态为-60％(即刹车踏板状态为60％)，对电动汽车进行减速(即进行刹车)。在图2中，混联式混合动力电动汽车的速度首先从47.5km/h变为48km/h，然后再从48km/h变为40km/h。混联式混合动力电动汽车进入再生制动状态，发电机停止工作，而电动机开始作发电机运行，将制动能量回馈给电池，电池处于充电状态，将能量储存在电池中，从而实现电动汽车能量的回收。发动机输出功率如图3所示。发电机转速如图4所示。在图5中，电池荷电状态从40.78％变为41.45％。在图6中，电动机转速首先从1720rpm变为1740rpm，然后再从1740rpm变为1450rpm。 

Claims (3)

1.一种混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，其特征是：根据混联式混合动力电动汽车系统工作原理，先确定系统组成，再载建立系统的仿真模型，然后运用混联式驱动系统和能量管理系统的控制策略，对系统进行仿真，得到电动汽车行驶速度图、发动机输出功率图、发电机转速图、电池荷电状态图和电动机转速图；为了进行系统性能分析和优化设计，建立由发动机、发电机、电动机、储能装置(蓄电池)、动力分配装置、制动能量回收系统、能量管理系统组成的仿真模型，并在MATLAB/SIMULINK平台上对此模型进行仿真，其仿真方法包括如下步骤：1.确定系统组成：2.建立系统模型，3.进行系统仿真。 

2.根据权利要求1所述混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，其特征是：所述建立系统模型是根据系统工作原理，建立混联式混合动力电动汽车系统各个组成部分的模型，主要是建立发动机模型、发电机模型、电动机模型、储能装置即蓄电池模型、动力分配装置模型、制动能量回收系统模型和能量管理系统模型： 

其中：A.发动机模型： 

考虑发动机单独驱动的情况，汽车行驶时的功率平衡方程式为： 

式中，P_e为发动机输出功率；η_T为传动系效率；G为汽车重量；f为滚动阻力系数；i为汽车行驶路面的坡度；u_a为汽车行驶速度；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积；δ为旋转质量换算系数；m为汽车质量； 

B.发电机和电动机模型： 

发电机和电动机均为永磁同步电机，两个模块内部模型相同，只是在能量管理系统的控制下其运行方式不同；永磁同步电机转子是永久磁铁，磁通有正弦波和梯形波两种模式，本文采用正弦波控制永磁同步电机；正弦波控制永磁同步电机模型假定定子磁通是正弦分布的，因此产生的感应电动势也是正弦的，因为一般永磁同步电机气隙比较大，因此模型没有考虑定子磁路的饱和和铁损；永磁同步电机模型是建立在二相旋转坐标系(dq坐标系)上的，所有参数也折算到旋转坐标系上；电机方程如下： 

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

式中，L_q、L_d为q、d轴电感；R为定子绕组电阻；i_q、i_d为q、d轴电流分量；u_q、u_d为q、d轴电压分量；ω_r为转子角速度；p为极对数；T_e为电磁转矩；λ为永磁转子对定子的磁通系数； 

永磁同步电机的机械方程： 

式中，J为转子和负载的转动惯量；F为转子和负载的摩擦系数；θ为转子位置角；T_m为轴上机械转矩； 

C.储能装置即蓄电池模型： 

本系统的蓄电池采用KiBaM模型，该模型可以实时反映蓄电池容量与充、放电电流的关系；设在仿真步长Δt内，系统额定电压为U，负载需求功率为P_d，系统剩余功率为P_e，则有： 

充电电流：I_c＝P_e/U， 

最大充电电流I_cmax： 

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

放电电流：I_d＝P_d/U， 

最大放电电流I_dmax： 

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

式中，c表示可用电荷容量与总容量的比值；q₁₀表示在时间步长Δt起始时刻可用电荷容量；q₀表示在时间步长Δt起始时刻总电荷容量；k表示比率常数；q_max表示最大容量； 

D.动力分配装置模型： 

在混联式混合动力传动结构中，用于实现能量分流和综合的动力分配装置是一个行星齿轮机构，其中行星架与发动机的输出轴相连，齿圈与电动机的转轴相连，同时也与输出齿轮相连，而太阳齿轮轴发出的动力驱动发电机发电，中间与一离合器相连，必要时锁死太阳轮，使行星齿轮机构以一定的传动比工作；发电机的转子刚性联接在发动机的输出轴上； 

通过对行星机构的变速比和受力分析，可以得到如下方程组： 

式中，k_p为齿数比，k_p＝z₂/z₁；z₁为太阳轮齿数；z₂为齿圈齿数；η_S为由太阳轮到行星架的效率；η_R为由齿圈到行星架的效率；T₁、T₂、T₃分别为太阳轮、齿圈和行星架的转矩；ω₁、ω₂、ω₃分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度； 

作用在驱动轮上的转矩T_t是由发动机产生的转矩经过动力分配装置后传至车轮上的，因此驱动力为： 

式中，T_tq为作用在齿圈上的总转矩；i₀为主减速器速比；η_T为传动系效率；r为车轮半径； 

E.制动能量回收系统： 

制动能量回收系统是混合动力电动汽车的重要组成部分之一，又称再生制动系统，是指汽车在制动或下坡时将储存于车身上的势能和动能，通过电动机转化为电能，并储存于储能装置中的过程； 

再生制动系统的结构与原理如图1所示，由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC/DC转换器、DC/DC转换器、能量储存系统以及控制器组成； 

汽车在制动或滑行过程中，根据驾驶员的制动意图，由制动控制器计算得到汽车需要的总制动力。再根据一定的制动力分配控制策略得到电动机应该提供的电动机再生制动力。电动机控制器计算需要的电动机电枢中的制动电流，通过一定的控制方法使电动机跟踪需要的制动电流，从而较准确地提供再生制动力矩，在电动机的电枢中产生的电流经AC/DC转换器整流再经DC/DC转换器反充到储能装置中保存起来； 

F.能量管理系统模块： 

能量管理系统随时向驾驶员提供有用的信息，如充电时，显示充电状态；运行时，显示电池的电压、电流、温度、电解液的密度、剩余电量以及车速等，使驾驶员心中有数，操作正确。上述信息也随时提供给计算机，用来分析诊断故障、保持工作正常或保持最优运行状 态，如通过电动机控制器避免电池过度放电，通过平衡单元保持各电池的温度均衡和电量均衡。 

3.根据权利要求1所述混联式混合动力电动汽车系统的仿真方法，其特征是：所述进行系统仿真是在MATLAB/SIMULINK中，对混联式混合动力电动汽车系统进行建模仿真；电动汽车的整车主要参数为：汽车质量约1325kg，满载1600kg；旋转质量换算系数为1.2；迎风面积为2.57m²；空气阻力系数为0.3；滚动阻力系数为0.018；车轮半径为0.3m； 

根据系统工作原理，建立混联式混合动力电动汽车系统的各个子模块；以下分别介绍发动机、发电机、电动机、蓄电池、动力分配装置模块的主要参数： 

(1)发动机模块： 

发动机模块的主要参数为：最大功率为57kW，最大转速为6000rpm，排量为1.5L； 

(2)发电机模块： 

发电机模块的主要参数为：最大功率为30kW，最大转速为13000rpm，定子绕组电阻为0.05Ω，q、d轴电感均为0.000635H，极对数为1； 

(3)电动机模块： 

电动机模块的主要参数为：最大功率为50kW，最大转速为6000rpm，定子绕组电阻为0.0065Ω，q、d轴电感分别为0.002057H和0.001598H，极对数为4； 

(4)蓄电池模块： 

蓄电池模块的主要参数为：最大功率为21kW，额定电压为200V，额定容量为6.5Ah，初始荷电状态为41.53％，满充电电压为235.6V，额定放电电流为1.3A，内阻为0.30769Ω； 

(5)动力分配装置模块： 

动力分配模块的主要参数为：太阳轮齿数为29，齿圈齿数为75，主减速器速比为4.133。