純電動汽車異步電動機驅動系統的Saber建模與仿真

劉 平，劉和平，郭 軍

(重慶大學，重慶400044)

0 引 言

發展電動汽車是人類解決能源短缺危機與大氣污染的主要途徑之一［1］。電機驅動系統是電動汽車的關鍵部件，其性能直接決定著電動汽車運行性能的優劣。采用矢量控制策略的低電壓異步電動機是純電動汽車驅動系統極具競爭力的選擇之一，其動力特性接近理想車輛驅動場，且能滿足電動汽車驅動系統動靜態特性好、調速范圍寬等性能指標［2－3］。

采用Saber進行前向仿真，其模型間的聯系更加接近于車輛的實際情況。這種算法比后向仿真方法在計算整車性能方面的結果更準確，但是計算量過大，所以速度通常要比采用后向仿真方法的軟件要慢很多［4］。此外Saber還提供開放的數據接口，可實現與基于Matlab開發的電動汽車仿真軟件ADVISOR和PSAT等其它軟件的協同仿真。

Saber庫中沒有本文所需要的全部模型，因此本文采用給Saber中提供的通用模型的參數賦值和根據數學模型準確編寫出MAST語言模板建立行為模型這兩種方法搭建起各子系統的動態模型，并按照驅動系統的基本框架和功能結構對相應的模塊進行封裝，建立了純電動汽車驅動系統模型。

1 驅動系統結構與建模

本文建立的純電動汽車驅動系統仿真模型直接按照實際驅動系統的布局搭建，主要包括異步電動機本體模塊、矢量控制策略模塊、循環工況模塊、電池模塊、減速器和車輛負載模塊等。

1.1 異步電動機本體模塊

異步電動機本體模塊是整個系統中最重要的部分，本系統采用兩相靜止坐標系下的數學模型［5］，其基本方程式如下:

電壓方程:

式中:usd、isd分別為定子d軸的電壓和電流;usq、isq分別為定子q軸的電壓和電流;ird、irq分別為轉子d軸和q軸的電流;Rs、Ls分別為d－q坐標系上定子繞組的電阻和自感;Rr、Lr分別為d－q坐標系上轉子繞組的電阻和自感;Lm為d－q坐標系上定轉子繞組間的互感;p為算子為轉差角速度，ωsl=ωs－ωr;ωs為同步角速度;ωr為轉子角速度。

轉子磁鏈方程:

式中:Tr為轉子時間常數

轉矩方程:

式中:Te為電磁轉矩;p為電機極對數。由式(3)可得，在轉子磁鏈Ψr恒定時，通過控制電流isq就能控制電機的電磁轉矩Te。

1.2 矢量控制策略模塊

矢量控制實現的基本思想是將定子電流分解為相互垂直的兩個分量isq和isd［6－7］，其中isd用于控制磁鏈，isq用于調節電磁轉矩。

1.2.1 速度控制器

圖1 速度控制器框圖

速度控制器的作用是將給定轉速和實際轉速的偏差ωdiff作為速度PI調節器的輸入信號，再經過限幅環節后作為參考電磁轉矩Teref。限幅環節可以將參考電磁轉矩的幅值Tqmax限定在要求的范圍內。速度控制器框圖如圖1所示。

1.2.2 弱磁控制器

由于構造合適的弱磁曲線較為困難，轉子磁鏈太大或太小都會導致轉矩輸出性能降低，從而影響系統的動態特性。采用弱磁控制方法［8］，使轉子磁鏈參考在ωb以上與轉子的實際轉速成反比。

1.2.3 轉矩控制器

異步電動機的轉矩方程式(3)又可以表示:

式中:Tqcmd為給定轉矩。轉矩控制器如圖2所示。

圖2 轉矩控制器框圖

1.2.4 電流控制器與轉子磁鏈角觀測器

電流控制器的輸入信號是三相實際電流，由3s/2s變換得到d軸電流分量的反饋值和q軸電流分量的反饋值，然后各分量的差值分別作為其調節器的輸入信號，再經過限幅環節后作為參考d、q軸電流分量，再由定子電流的2s/3s變換得到三相電流給定值。其中進行坐標變換所需的角度信號由轉子磁鏈角觀測器得到:

圖3 電流控制器框圖

1.3 車輛負載模塊

參照車輛動力學原理，車輛在直線行駛中所受的阻力有四類［9］:空氣阻力Fw、滾動阻力Ff、坡度阻力Fi以及加速阻力Fj。車輛行駛的總阻力:

式中:A為迎風面積(m2);Cd為空氣阻力系數 (無量綱);ρ為空氣密度(kg/m3);v為車速(km/h);f為滾動阻力系數(無量綱);α為坡道的坡度角(rad);δ為車輛旋轉質量換算系數(無量綱)，δ＞1;m為車輛質量(kg);為車輛加速度(m/s2)。

以純電動汽車行駛速度v乘以式(11)兩端，考慮機械損耗經過換算之后可得電機輸出功率:

式中:PM為電機驅動系統輸出功率(kW)。

1.4 系統模型

將循環工況、蓄電池組、矢量控制策略、電壓型逆變器、異步電動機和減速器及車輛負載等模塊進行有機結合，在Saber環境下構建了純電動汽車異步電動機矢量控制驅動系統仿真模型，如圖4所示。

圖4 純電動汽車驅動系統仿真框圖

2 仿真分析

系統模型的驅動系相關部件參數如表1所示。

表1 系統模型的驅動系相關部件參數

圖5為純電動汽車無坡行駛時電機輸出功率、電機輸出轉矩、給定與反饋、給定與反饋、電機給定轉速和實際轉速的動態響應結果。

(1)實際轉速能迅速跟隨給定轉速，且反映出異步電動機基速以內恒轉矩，基速以上恒功率特性。

(2)在減速時，輸出功率和輸出轉矩都有較大的回落甚至變成負值，說明電機由電動機運行變為發電機運行，車輛的部分動能轉化為電能，并給蓄電池充電，這是電動汽車的再生制動過程。

純電動汽車的爬坡性是衡量驅動電機參數的重要指標，是決定純電動汽車額定性能指標的主要因素。在車輛參數不變的情況下，純電動汽車行駛于無坡與15%坡度時的轉矩與功率的比較結果如圖6所示。它由靜止起動加速到電機3 000 r/min、無坡勻速行駛以及15%坡度行駛等過程組成。

圖5 電動汽車無坡行駛時電機的動態響應結果

圖6 純電動汽車15%坡度行駛時的轉矩與功率比較結果

從圖5和圖6可知:

(1)驅動電機的最大轉矩發生在車輛的加速過程中，功率峰值發生在加速結束進入勻速運行時;

(2)在車輛勻速行駛時，電機的輸出轉矩和輸出功率只需克服恒定的車輛行駛阻力，則電機輸出功率和轉矩皆為較小的恒定值;

(3)由于爬坡角是恒值15%，即驅動力增加恒定的爬坡阻力值，因此電機轉矩和功率曲線只比無坡時略有增加，進而表明在電機的最大功率與轉矩參數匹配時應由坡度行駛時的最大阻力來確定。

2.2 循環工況仿真

圖7為整車在ECE－15循環工況下的仿真結果。可以看出，車輛的實際車速與轉矩都能迅速跟隨給定值，且波形符合純電動汽車動力性要求。

圖7 ECE－15循環工況仿真結果

3 結 論

電驅動系統是純電動汽車的動力核心，其性能的優劣直接影響著車輛的整體性能。穩態建模仿真方法用于電動汽車的設計與分析在近幾年已經作了大量的研究，本文通過Saber建立系統各部件的動態模型構造純電動汽車驅動系統模型，仿真分析后得到如下結論:

(1)Saber軟件是面向混合信號的系統仿真軟件，但使用中各種控制器的行為模型的建立較難，因此其在電動汽車控制系統仿真中應用并不廣泛。本文所建的純電動汽車異步電動機驅動控制系統模型可為其它各類電動汽車混合系統的Saber建模提供借鑒。

(2)在此驅動控制系統模型基礎上，可進一步實現純電動汽車的再生制動、效率最大化、車輛牽引控制以及其它智能控制策略的研究，設計討論適用于純電動汽車的異步電動機控制方法。

(3)仿真驗證了電機矢量控制策略以及純電動汽車驅動系統具有較好的動、靜態性能。為純電動汽車驅動系統選型、零部件參數選擇及控制策略的制定提供理論基礎和仿真實驗依據。通過仿真分析可靈活地調整設計方案，合理優化參數，預測不同條件下純電動汽車及其子系統的性能，從而節約大量的試驗設備和試驗時間，有助于樣車的制造和試驗，為電動汽車的開發提供一個很好的研究仿真平臺。

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