1、混合動力電動汽車的虛擬原型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, Swearingen 3A80,哥倫比亞,SC 29208,USA1999年11月20日接受;2000年10月11日認證摘要混合動力電動汽車的虛擬原型是在一種已經為建模，仿真，分析和大型混合技術動態系統的虛擬建構的叫虛擬測試床（VTB）的環境下創造的。這種電力系統正在被引起注意，它的組成有：()一種作為基本動力源的燃料室系統，（）作為符合高強度動力要求的能量儲備設施的電

2、池和超級電容，（）控制能量流動的直流電力轉換器，（）作為驅動的三相轉換永磁同步發動機，()一臺共同的直流轉換設備。被提議系統的仿真操控有兩種驅動循環模式，即（）快加速和快減速，（）聯邦城市駕駛安排（FUDS）。成分的參數價值選擇和通過觀察仿真獲得的數值結果跟實際的HEV應用要保持一致。Cop 2002 Elsevise Science Ltd.所有權保留。關鍵詞：混合動力電動汽車；建模和仿真；虛擬建構1.介紹發展混合動力電動汽車作為高排放的傳統的汽油或柴油小汽車，公汽和卡車等的替代物已經做了相當大的努力。本文主題是通過合適點仿真模型的使用描述一個HEV的虛擬構架。基于以下兩個主要的原因，這成為

3、HEV發展過程的重要步驟，即()一個好的虛擬樣機在計算機硬件裝配前是允許驗證試驗的,這樣意味著可以減少生產上的時間和消費,()新的設計可能性是能探索的;例如,在HEV中部件尺寸大小權衡的學習就是可行的.國際再生能源實驗室(NREL)已經開發了ADVISOR,先進的汽車仿真器,它是一種對不論傳統還是先進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已經發展成在MATLAB Simulink基礎上運行，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有個用戶圖解界面（GUI）允許輸入文件的簡單操控，測試路線和輸出平面2-4。更多關于ADVIS

4、OR和相關應用的信息在網站/analysis/adcisor.html.可以找到。在本次工作中，虛擬測試床（VTB）被利用于HEV的虛擬原型。VTB有兩個重要特征5,6；（）它有一個已經被大量語言創造成單一的仿真環境的集成模型的容量；()它提供了先進的可視化仿真結果，包括機械部件的全動態激勵和在系統拓撲學上計算結果的可指定部位。VTB的第一個特性允許每個大范圍多技術系統的組成被描述為最合適的語言（比如，為電力組成的SPICE，為動態系統的ACSL,先進的連續仿真語言，以及為動力電路分配的SABER）7。另一方面，第二個特性更形象的加強了用戶對仿真結果的理解。不

5、像其他任何仿真器基于多變的建造方法規定（比如MATLAB和ACSL）,VTB解算器是基于穩定的指南建模方法8。在這類方法中，每一個設備（成分）都代表電阻和電流源的內部連接，它的價值都依賴于裝置參數和裝置狀態多樣性的歷史價值8。另外，每個裝置都被當做一個裝了一些終端的盒子，它同時提供對其他裝置的連接8。RC在多樣化情景建模方法中的優勢在于一旦裝置模擬被建立，任何裝置設置的內部連接都能輕松處理8。這對大范圍多技術動態系統的學習來說很重要。更多關于VTB的信息在網站能找到，VTB軟件和支持工具也能在同樣的網站上免費下載。本次研究中HEV的電動部分的組成有（）作為平均電力（10-15kW）基本資源的燃

6、料電池系統，（）作為高強動力要求（例如，分別是50和150kW）能源儲備裝置的電池盒超級電容，（）推動和控制電流的Cuk式的直流轉換器，（）一種已調脈寬（PWM）轉換關聯矢量控制作為驅動的三相永磁同步發電機（PMSM），以及（v）一個共同的能量分配直流箱。HEV電力系統為一部分的模型已預先發展使用ACSL，也已經被報道9,10,這些模型的解釋在下節呈現。基于部分描述，一個HEV的虛擬構建才被建設到VTB里。最后，仿真和激勵結果被數字化地展示，核實了虛擬原型，也證明了VTB的先進可視化能力。2HEV的組成摘要 表格1顯示了一個HEV電力部分的簡化塊的圖表9。燃料電池系統的定義，電池組，超級電容組

7、，助動變流器，Cuk變流器，PMSM，以及PWM轉換器都將展示于以下幾節。2.1.燃料電池系統一個簡單的質子交換膜（PEM）氫燃料電池的當前電壓特性在表格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前電流。它有三個基本控制區。分別是，（1）電流增加引起電壓減少的低壓電區，（）覆蓋了大部分特性的線性區（）電壓陡然降低至零點引起的高電流區11。也應注意，V和I的單位分別是毫伏和毫安。因為橫軸的價值包括低電壓和線性區，縱軸對于橫軸可被表達于 ， （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區，以

8、W為單位的內部電阻11.對全部電流范圍更完整的表達是(見12) （2）在（2）中，參數m和n是經驗方程式常量，它們能被非線性回歸分析觀測12。燃料電池堆的全部電壓來自于 （3）這里是堆中的電池數。在表1中列舉了燃料電池的數值價值標準。，和的價值是從4中獲得，同時其他的則被選在表2中為適應曲線，這里低電流和線性區的范圍是采納于4。燃料電池系統產品所考慮的功率達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，其輸出電壓經常較低。這就要求一個DC-to-DC能量轉換器作為中介，它能把低電壓轉換到高電壓（詳見2.4節）。2.2電池儲庫電池儲庫是由一系列25個1

9、2伏酸性電池組成，每個都額定26安（或93,600庫）。每節電池的動態方程式來自分別為（4），（5），（6）這里是電池內部電壓，是電池充電狀態，是電池終端測試電壓,是流出電池的電流。在（4）-（6）里，是的最大值，是電池的等價串聯電阻。對于，電池模型（4）-（6）正是跟在13里使用的Ford電池模型一樣。參數值從4中采納并列于表2中。在這個仿真中，（0）設置為10.4Ah（的40%），它能產生大約總共308伏的電池內部電壓。電池儲庫跟燃料電池系統一起共同供應了總數為55千瓦的能量，這足以提供多數城市和高速公路行駛循環包括以一定的速度爬坡。表2電池參數2.3.超級電容儲庫在本次工作中，一個簡單的

10、雙層超級電容器是呈現在表3中的回路中的，它包含了一個等價系列電阻和一個理想的電容14。這個等價系列電阻也可縮寫為ESR，歸為超級電容里的損失計算。如表格3中所示，讓和分別表示為超級電容器的終端電壓和流入超級電容器的電流，超級電容器里的電壓電流的關系可以表達于， （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列舉了簡單雙層超級電容14的參數等級。為了達到更高的電壓等級，超級電容器的串并聯在本次工作室應考慮的。特別地，四個并聯分支的超級電容網絡工作是被利用的，這里每個分支包含了200超級電容器的串聯。這形成了超級電容的形成，全部電壓等級460伏，電容9.4和0

11、.225歐的ESR。在仿真中，超級電容器的全部初值都設定到460伏。超級電容器貢獻于可能像160千瓦高且像幾秒樣簡潔的HEV的峰值和高強度要求。這在考慮車輛在7秒內加速至50km/hr的情況下很有必要。此超級電容器也接受部分釋放于驅動電動機在剎車9,10時產生的再生能量。因為迅速剎車和加速時額外的輸入和輸出的電流影響，通過超級電容器的電壓可能震蕩低于或高于常值電壓。它迫使需要一個能操控高低不同模式的雙向的能量轉換器（見2.4節）。2.4.燃料電池系統和超級電容的動力轉換器燃料電池系統和超級電容是通過推動和Cuk局部分析學的DC-to-DC動力轉換器共同連接到DC動力轉換儲庫的。整流器跟燃料電池

12、一起促進了燃料電池能量輸出的模式和命令。另一方面，超級電容的整流器是直接和Cuk模式的。它控制了超級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S1關閉和開關S2打開的期間轉換期的比值。參數值安排在表格4里圖5是Cuk偏向整流器15,17的回路圖解。相應的平均模型是16, （10） , （11） , （12）這里斜率D定義為類似的規矩。電感和電容的值如表格5所示。在10,18中，回饋控制已經設計，也被仿真結果所證實，從而完成了助動和Cuk整流器的操作目標。回饋控制是基于平均的模式（8），（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，則是轉子的角速度，是繞線圈電阻，L是繞線圈的電感，p是極數，是永磁的流量連接。參數，和跟反作用于車輛運動趨勢相關，其定義如表5所示 (16), （17） ， （18）這里m是指汽車的質量，車輛對水平面的角度，n是全部的齒輪比率，h是指傳輸效率，是指輪子半徑，是旋轉電阻系數，g是對重力的加速度，r是空氣密度，是延緩系數，是正面面積，是指驅動發動機（PMSM）的慣性瞬間，指輪胎的慣性瞬間19。在（15）中，是電動轉矩（如，通過發動機產生的

14、轉矩），它通過下式計算. (19)定子的d-q電壓和跟定子的三相電壓，和關系如下 （20）此關系對定子的d-q和三相電流同樣有效。PMSM和車輛的參數值分別列舉于圖6和7中，表7中的參數值是菲亞特Cinquecento19電動汽車原型的。為了滿足車輛的加減速要求，設計了一種適應型定子電流命令速度控制器（矢量控制器），在9中，它也被仿真結果所證實。對更多的PMSM信息和關聯矢量控制器，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制（SVPWM）技術因為它的安裝方便和卓越的表演性能已經得到了廣泛的應用，比如低頻損失因素22-25。SVPWM技術的線性

15、調制范圍終止于的調制指標。換句話說，在SVPWM表中，在沒引進的低頻，是DC鏈電壓的情況下，基礎部分的輸出端（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（見轉換（20）26 (21)假設反相器失效，輸入反相器的輸入電流是通過計算的，然后解決，這里 (22)是轉化器的輸入能量和 （23）換流器分配的輸出到PMSM26的輸出電壓。的表達來自于。 （24）此約束和表達式代表了SVPWM換流器26的平均值模型。3.在VTB里，HEV的虛擬模型在本節中，基于第2節的成分說明，HEV的電動部分的虛擬模型有所發展，也在VTB環境下被仿真結果所證實。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造，它就會被建成為在一個交互仿真5,6期間，一旦需要就允許部分從系統拓撲學被建造和移除的動態聯系文庫（DLL）形式。C+源代碼包括了基于RC模擬方式8的部分描述。數據庫6說明了HEV（18）電力系統的VTB圖表式的觀點。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的值。所提議的HEV系統仿真被兩種可行的驅動循環模式來實施。它們是：（i）迅速的加速和減速，（ii）聯邦城市駕駛安排（FUDS）。以下幾段展現了仿真結果。不做特殊說明的話，被選擇的部件和車輛的參數值跟第2節的相同。3.1.迅速的加速和減速在本次試驗中，車輛首先在7

17、秒內加速指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顯示了本次試驗獲得的結果。數表7展示了車輛的速度變化軌跡。在此表格中，因為是封閉的軌跡，實際速度和參考速度都分別是其極值。輸入PWM轉化器的輸入電流和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），到達了一個極大值。 當減速時，發動機提供的能量通過DC箱向電池組充電。結果是在電池組電壓附近浮動的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值（），電池組（）和超級電容()直到。在加速時，燃料電池系統被命令提供到達1

18、8千瓦的動力（因為生產商的建議，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，超級電容提供輸入功率的余下部分，它能在加速時達到160千瓦。要注意的是，超級電容也接收在為防止電池組因為過度充電而減速的輸入功率的有效部分。在另一個測試中，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。可以觀測到在最大速度是，所要求的穩定狀態操控的發動機轉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說明了本次測試的結果

19、。3.2.聯邦城市驅動安排（FUDS）表格12顯示了FUDS的實際和參考的車輛速度（兩條線在各自頂端的部分導致了封閉的軌跡）。全部的輸入能量和每個能源裝置的貢獻值都在表13-16中。能源設備的控制策略跟3.1節相同。從數表16中，可以看見對多數驅動循環而言，超級電容都是擱置的。這是因為全部輸入動力大部分都保持低于55千瓦的事實。同時，在循環最后簡單的電池充電減少到只有9.8Ah（10.4Ah），也能在整個循環中觀察到箱電壓在250和340伏間波動。這表明了在控制策略的提醒下，車輛為維持了足夠的動力來克服要求和漫長的驅動循環。在另一個測試中，從4中被采納了新的車輛參數設置。表8列舉了新的價值（其

20、他參數保持不變）。這此測試的全部輸入動力遵循4中相同的模式。結果在數表17中展示。4.HEV的激勵VTB的一個重要特性即是它的先進可視化系統，它能實現機械部件的全部動作激勵。此形象化不管是交互還是離線都能操控。在交互期間，仿真輸出數據跟可視化全系統5有關。在另一方面，在離線仿真時的數據集成首先存貯在文本文件的形式中，然后通過即插式設備出現在可視化系統界面中。VTB的利用方向已經被用作達到HEV的全運動激勵。圖18和19展示了來自激勵的屏幕快照。圖18是車身的激勵現象，圖19是汽車儀表盤的激勵現象。在此激勵期間，車輛運行在范圍標準內，被驅動循環證實了規定速度，且儀表盤上的進度指示了相應變量的瞬時

21、值。5.結論HEV的虛擬原型已經有所發展，也在VTB環境下被仿真結果數字化證實。虛擬原型已經達成了使用VTB部件的自身模型。同時，基于這仿真結果，一個HEV的動作激勵已被演示證明VTB的先進形象化能力。虛擬原型的一個獨特特性是下一代的HEV包含了所有可能的能量設備（燃料電池系統，電池組和超級電容器）。進一步講，為了與真實世界一直，非線性動力學，歐米伽損失，以及部件的電壓/電流限制都將被考慮在內。答謝本次工作受到了海洋研究所辦公室的補助N00014-96-1-0926和N00014-00-1-0131。參考文獻1 Riezenman MJ. Engineering the EV future.

22、IEEE Spectrum 1998;35(11):1820.2 Wipke K, Cuddy M, Bharathan D, Burch S, Johnson V, Markel T, Sprik S. ADVISOR 2.0: Asecond-generation advanced vehicle simulator for systems analysis. North American EV &Infrastructure Conference and Exposition (NAEVI 98), December 34, 1998, Phoenix, Arizona.3 Wipke KB, Cuddy MR, Burch SD. ADVISOR 2.1: A user-friendly advanced powertrain simulat