混合动力电动汽车的虚拟原型.doc

混合动力电动汽车的虚拟原型
Levent U. G€okdere *, Khalid Benlyazid, Roger A. Dougal,
Enrico Santi, Charles W. Brice
电气工程系,南卡罗莱纳州大学, Swearingen 3A80,哥伦比亚,SC 29208,USA
1999年11月20日接受;2000年10月11日认证
摘要
混合动力电动汽车的虚拟原型是在一种已经为建模，仿真，分析和大型混合技术动态系统的虚拟建构的叫虚拟测试床（VTB）的环境下创造的。这种电力系统正在被引起注意，它的组成有：(ⅰ)一种作为基本动力源的燃料室系统，（ⅱ）作为符合高强度动力要求的能量储备设施的电池和超级电容，（ⅲ）控制能量流动的直流电力转换器，（ⅳ）作为驱动的三相转换永磁同步发动机，(ⅴ)一台共同的直流转换设备。被提议系统的仿真操控有两种驱动循环模式，即（ⅰ）快加速和快减速，（ⅱ）联邦城市驾驶安排（FUDS）。成分的参数价值选择和通过观察仿真获得的数值结果跟实际的HEV应用要保持一致。Cop 2002 Elsevise Science Ltd.所有权保留。
关键词：混合动力电动汽车；建模和仿真；虚拟建构
1.介绍
发展混合动力电动汽车作为高排放的传统的汽油或柴油小汽车，公汽和卡车等的替代物已经做了相当大的努力。本文主题是通过合适点仿真模型的使用描述一个HEV的虚拟构架。基于以下两个主要的原因，这成为HEV发展过程的重要步骤，即(ⅰ)一个好的虚拟样机在计算机硬件装配前是允许验证试验的,这样意味着可以减少生产上的时间和消费,(ⅱ)新的设计可能性是能探索的;例如,在HEV中部件尺寸大小权衡的学习就是可行的.
国际再生能源实验室(NREL)已经开发了ADVISOR,先进的汽车仿真器,它是一种对不论传统还是先进车辆里能量的使用和排放分析的，非常有用的电脑仿真工具[2-4]。ADCISOR已经发展成在MATLAB Simulink基础上运行，并且它允许用户交换大量组件，车辆配置，和控制策略[2-4]。并且，ADVISOR有个用户图解界面（GUI）允许输入文件的简单操控，测试路线和输出平面[2-4]。更多关于ADVISOR和相关应用的信息在网站www.ctts.nrel.gov/analysis/adcisor.html.可以找到。
在本次工作中，虚拟测试床（VTB）被利用于HEV的虚拟原型。VTB有两个重要特征[5,6]；（ⅰ）它有一个已经被大量语言创造成单一的仿真环境的集成模型的容量；(ⅱ)它提供了先进的可视化仿真结果，包括机械部件的全动态激励和在系统拓扑学上计算结果的可指定部位。VTB的第一个特性允许每个大范围多技术系统的组成被描述为最合适的语言（比如，为电力组成的SPICE，为动态系统的ACSL,先进的连续仿真语言，以及为动力电路分配的SABER）[7]。另一方面，第二个特性更形象的加强了用户对仿真结果的理解。
不像其他任何仿真器基于多变的建造方法规定（比如MATLAB和ACSL）,VTB解算器是基于稳定的指南建模方法[8]。在这类方法中，每一个设备（成分）都代表电阻和电流源的内部连接，它的价值都依赖于装置参数和装置状态多样性的历史价值[8]。另外，每个装置都被当做一个装了一些终端的盒子，它同时提供对其他装置的连接[8]。RC在多样化情景建模方法中的优势在于一旦装置模拟被建立，任何装置设置的内部连接都能轻松处理[8]。这对大范围多技术动态系统的学习来说很重要。
更多关于VTB的信息在网站http://vtb.engr.sc.edu/能找到，VTB软件和支持工具也能在同样的网站上免费下载。
本次研究中HEV的电动部分的组成有（ⅰ）作为平均电力（10-15kW）基本资源的燃料电池系统，（ⅱ）作为高强动力要求（例如，分别是50和150kW）能源储备装置的电池盒超级电容，（ⅲ）推动和控制电流的Cuk式的直流转换器，（ⅳ）一种已调脉宽（PWM）转换关联矢量控制作为驱动的三相永磁同步发电机（PMSM），以及（v）一个共同的能量分配直流箱。
HEV电力系统为一部分的模型已预先发展使用ACSL，也已经被报道[9,10],这些模型的解释在下节呈现。基于部分描述，一个HEV的虚拟构建才被建设到VTB里。最后，仿真和激励结果被数字化地展示，核实了虚拟原型，也证明了VTB的先进可视化能力。
2．HEV的组成摘要
表格1显示了一个HEV电力部分的简化块的图表[9]。燃料电池系统的定义，电池组，超级电容组，助动变流器，Cuk变流器，PMSM，以及PWM转换器都将展示于以下几节。
2.1.燃料电池系统
一个简单的质子交换膜（PEM）氢燃料电池的当前电压特性在表格2.里做了说明，在此表格里V（纵轴）是在燃料电池终端的电压，I（横轴）是出自燃
料电池的当前电流。它有三个基本控制区。分别是，（1）电流增加引起电压减少的低压电区，（ⅱ）覆盖了大部分特性的线性区（ⅲ）电压陡然降低至零点引起的高电流区[11]。也应注意，V和I的单位分别是毫伏和毫安。
因为横轴的价值包括低电压和线性区，纵轴对于横轴可被表达于

， （1）
这里是以mV为单位的燃料电池开放电路的电压，是以mV为单位的Tafel斜率，是以为单位的燃料电池交节区，以W为单位的内部电阻[11].
对全部电流范围更完整的表达是(见[12])
（2）
在（2）中，参数m和n是经验方程式常量，它们能被非线性回归分析观测[12]。
燃料电池堆的全部电压来自于
（3）这里是堆中的电池数。
在表1中列举了燃料电池的数值价值标准。，和的价值是从[4]中获得，同时其他的则被选在表2中为适应曲线，这里低电流和线性区的范围是采纳于[4]。
燃料电池系统产品所考虑的功率达18kW。这足以克服在高速下的平均空气损耗。
另一考虑则是燃料电池同一般的DC电压比较而言，其输出电压经常较低。这就要求一个DC-to-DC能量转换器作为中介，它能把低电压转换到高电压（详见2.4节）。

2.2．电池储库

电池储库是由一系列25个12伏酸性电池组成，每个都额定26安（或93,600库）。每节电池的动态方程式来自

分别为（4），（5），（6）
这里是电池内部电压，是电池充电状态，是电池终端测试电压,
是流出电池的电流。在（4）-（6）里，是的最大值，是电池的等价串联电阻。对于，电池模型（4）-（6）正是跟在[13]里使用的Ford电池模型一样。参数值从[4]中采纳并列于表2中。
在这个仿真中，（0）设置为10.4Ah（的40%），它能产生大约总共308伏的电池内部电压。
电池储库跟燃料电池系统一起共同供应了总数为55千瓦的能量，这足以提供多数城市和高速公路行驶循环包括以一定的速度爬坡。
表2
电池参数

2.3.超级电容储库

在本次工作中，一个简单的双层超级电容器是呈现在表3中的回路中的，它包含了一个等价系列电阻和一个理想的电容[14]。这个等价系列电阻也可缩写为ESR，归为超级电容里的损失计算。
如表格3中所示，让和分别表示为超级电容器的终端电压和流入超级电容器的电流，超级电容器里的电压电流的关系可以表达于
， （7）这里是通过理想电容的最初电压。如果（0）（的初值）等同于（的初值）是零。
表格3列举了简单双层超级电容[14]的参数等级。
为了达到更高的电压等级，超级电容器的串并联在本次工作室应考虑的。特别地，四个并联分支的超级电容网络工作是被利用的，这里每个分支包含了200超级电容器的串联。这形成了超级电容的形成，全部电压等级460伏，电容9.4和0.225欧的ESR。在仿真中，超级电容器的全部初值都设定到460伏。
超级电容器贡献于可能像160千瓦高且像几秒样简洁的HEV的峰值和高强度要求。这在考虑车辆在7秒内加速至50km/hr的情况下很有必要。此超级电容器也接受部分释放于驱动电动机在刹车[9,10]时产生的再生能量。

因为迅速刹车和加速时额外的输入和输出的电流影响，通过超级电容器的电压可能震荡低于或高于常值电压。它迫使需要一个能操控高低不同模式的双向的能量转换器（见2.4节）。

2.4.燃料电池系统和超级电容的动力转换器
燃料电池系统和超级电容是通过推动和Cuk局部分析学的DC-to-DC动力转换器共同连接到DC动力转换储库的。整流器跟燃料电池一起促进了燃料电池能量输出的模式和命令。另一方面，超级电容的整流器是直接和Cuk模式的。它控制了超级电容能量的流入和流出。
图4显示了助整流器的电路表[15]。电流回路的状态空间平均模式在[16]中展示
（8）
（9）这里斜率D的含义是在开关S1关闭和开关S2打开的期间转换期的比值。参数值安排在表格4里
图5是Cuk偏向整流器[15,17]的回路图解。相应的平均模型是[16]
, （10）
, （11）
, （12）这里斜率D定义为类似的规矩。电感和电容的值如表格5所示。
在[10,18]中，回馈控制已经设计，也被仿真结果所证实，从而完成了助动和Cuk整流器的操作目标。回馈控制是基于平均的模式（8），（9）和（10）-（12）。2.5.三相PMSM
为HEV考虑的三相PMSM的d-q模型如下所示
， （13）
， （14）
， （15）这里和分别代表d和q的电压，和分别代表d和q的电流，则是转子的角速度，是绕线圈电阻，L是绕线圈的电感，p是极数，是永磁的流量连接。参数，和跟反作用于车辆运动趋势相关，其定义如表5所示
(16)
, （17）
， （18）
这里m是指汽车的质量，车辆对水平面的角度，n是全部的齿轮比率，h是指传输效率，是指轮子半径，是旋转电阻系数，g是对重力的加速度，r是空气密度，是延缓系数，是正面面积，是指驱动发动机（PMSM）的惯性瞬间，指轮胎的惯性瞬间[19]。
在（15）中，是电动转矩（如，通过发动机产生的转矩），它通过下式计算
. (19)定子的d-q电压和跟定子的三相电压，和关系如下
（20）此关系对定子的d-q和三相电流同样有效。
PMSM和车辆的参数值分别列举于图6和7中，表7中的参数值是菲亚特Cinquecento[19]电动汽车原型的。
为了满足车辆的加减速要求，设计了一种适应型定子电流命令速度控制器（矢量控制器），在[9]中，它也被仿真结果所证实。对更多的PMSM信息和关联矢量控制器，阅读器指的是[20，,21]。

2.6.PMSM的PWM换流器
近几年，电压源反相器的空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术因为它的安装方便和卓越的表演性能已经得到了广泛的应用，比如低频损失因素[22-25]。SVPWM技术的线性调制范围终止于的调制指标。换句话说，在SVPWM表中，在没引进的低频，是DC链电压的情况下，基础部分的输出端（相）电压[26]的最大值也能被命令。基于此考虑，PMSM定子的d-q电压被限制在（见转换（20））[26]
(21)假设反相器失效，输入反相器的输入电流是通过计算的，然后解决，这里
(22)是转化器的输入能量和
（23）换流器分配的输出到PMSM[26]的输出电压。的表达来自于
。 （24）此约束和表达式代表了SVPWM换流器[26]的平均值模型。

3.在VTB里，HEV的虚拟模型
在本节中，基于第2节的成分说明，HEV的电动部分的虚拟模型有所发展，也在VTB环境下被仿真结果所证实。HEV的虚拟原型完成于用C++源程序编写的VTB本土模型的使用。一旦每部分的源代码被创造，它就会被建成为在一个交互仿真[5,6]期间，一旦需要就允许部分从系统拓扑学被建造和移除的动态联系文库（DLL）形式。C++源代码包括了基于RC模拟方式[8]的部分描述。数据库6说明了HEV（18）电力系统的VTB图表式的观点。在此图表中，用户通过编辑器双击此本部分便能轻松交换部分参数的值。
所提议的HEV系统仿真被两种可行的驱动循环模式来实施。它们是：（i）迅速的加速和减速，（ii）联邦城市驾驶安排（FUDS）。以下几段展现了仿真结果。不做特殊说明的话，被选择的部件和车辆的参数值跟第2节的相同。
3.1.迅速的加速和减速
在本次试验中，车辆首先在7秒内加速指50km/h（31.1mph），然后在此速度保持3秒，最后停下休息7秒。图7-9显示了本次试验获得的结果。数表7展示了车辆的速度变化轨迹。在此表格中，因为是封闭的轨迹，实际速度和参考速度都分别是其极值。输入PWM转化器的输入电流和DC箱电压显示在图8里。在加速阶段（从0到7秒）可见，伴随着的减少而降低。另一方面，在减速阶段（从10到17秒），到达了一个极大值。
当减速时，发动机提供的能量通过DC箱向电池组充电。结果是在电池组电压附近浮动的DC箱的电压增加[9]。表格9显示了输入换流器的全部输入能量和燃料电池的贡献值（），电池组（）和超级电容()直到。在加速时，燃料电池系统被命令提供到达18千瓦的动力（因为生产商的建议，燃料电池的最小电压被限制到60伏，才能与功率最大值18千瓦[4]相匹配）。另一方面燃料电池和电池组一起仅能提供大约55千瓦（最大）。最后，超级电容提供输入功率的余下部分，它能在加速时达到160千瓦。要注意的是，超级电容也接收在为防止电池组因为过度充电而减速的输入功率的有效部分。
在另一个测试中，车辆在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。可以观测到在最大速度是，所要求的稳定状态操控的发动机转矩和全部输入功率分别是14.5Nm和12.5Kw。这和在[19]中提及的保持一致。图10和11说明了本次测试的结果。

3.2.联邦城市驱动安排（FUDS）
表格12显示了FUDS的实际和参考的车辆速度（两条线在各自顶端的部分导致了封闭的轨迹）。全部的输入能量和每个能源装置的贡献值都在表13-16中。能源设备的控制策略跟3.1节相同。从数表16中，可以看见对多数驱动循环而言，超级电容都是搁置的。这是因为全部输入动力大部分都保持低于55千瓦的事实。同时，在循环最后简单的电池充电减少到只有9.8Ah（10.4Ah），也能在整个循环中观察到箱电压在250和340伏间波动。这表明了在控制策略的提醒下，车辆为维持了足够的动力来克服要求和漫长的驱动循环。
在另一个测试中，从[4]中被采纳了新的车辆参数设置。表8列举了新的价值（其他参数保持不变）。这此测试的全部输入动力遵循[4]中相同的模式。结果在数表17中展示。

4.HEV的激励
VTB的一个重要特性即是它的先进可视化系统，它能实现机械部件的全部动作激励。此形象化不管是交互还是离线都能操控。在交互期间，仿真输出数据跟可视化全系统[5]有关。在另一方面，在离线仿真时的数据集成首先存贮在文本文件的形式中，然后通过即插式设备出现在可视化系统界面中。
VTB的利用方向已经被用作达到HEV的全运动激励。图18和19展示了来自激励的屏幕快照。图18是车身的激励现象，图19是汽车仪表盘的激励现象。在此激励期间，车辆运行在范围标准内，被驱动循环证实了规定速度，且仪表盘上的进度指示了相应变量的瞬时值。

5.结论
HEV的虚拟原型已经有所发展，也在VTB环境下被仿真结果数字化证实。虚拟原型已经达成了使用VTB部件的自身模型。同时，基于这仿真结果，一个HEV的动作激励已被演示证明VTB的先进形象化能力。
虚拟原型的一个独特特性是下一代的HEV包含了所有可能的能量设备（燃料电池系统，电池组和超级电容器）。进一步讲，为了与真实世界一直，非线性动力学，欧米伽损失，以及部件的电压/电流限制都将被考虑在内。

答谢
本次工作受到了海洋研究所办公室的补助N00014-96-1-0926和N00014-00-1-0131。

参考文献
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