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汽车电力系统建模与仿真

时间:2023-10-03 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于环境问题,汽车业正朝着电动、混合动力、多电和燃料电池汽车的新推进系统发展。图5-23 ADVISOR中并联混合动力汽车框图如图5-23所示,ADVISOR的汽车模型是模块化的。这意味着汽车的每一个子系统是分离的,只通过输入口和输出口与模型的其他子系统相连。最大转矩曲线是发动机子系统的另一个约束条件。目前ADVISOR中没有模拟组件的能力。Saber尤其适用于多电汽车的研究,因为它允许对车辆中电力子系统进行详细的分析。

汽车电力系统建模与仿真

由于环境问题,汽车业正朝着电动、混合动力、多电和燃料电池汽车的新推进系统发展。因此,美国国家可再生能源实验室(NREL)开发了一种工具,旨在加快发展这些新型高燃油效率汽车。1994年,先进车辆模拟软件(ADVI-SOR)的第一个版本刚面世[23,24]。自那时以来,该软件已经更新并且增加了新的功能。专业的汽车制造商和大学一直在参与开发这个软件。

ADVISOR是与MathWorks公司现有的MATLAB和Simulink一起使用的一套模型、数据和脚本文本文件。它是专为分析传统、电动、混合动力和燃料电池汽车的性能、燃油经济性和排放而设计的。ADVISOR的强大在于它不需要实际组装测试车辆而能预测出车辆的性能。它有助于选择和计算汽车部件的大小,满足最佳的性能、燃油经济性和排放特性。

ADVISOR模型的核心部分是Simulink框图,如图5-23所示(对于并联混合动力汽车)。框图的每个子系统都有一个MATLAB文件(m-文件)定义子系统的参数。用户可以改变框图和m-文件来满足他/她的需要。

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图5-23 ADVISOR中并联混合动力汽车框图

如图5-23所示,ADVISOR的汽车模型模块化的。这意味着汽车的每一个子系统是分离的,只通过输入口和输出口与模型的其他子系统相连。这样的设置是为了便于车辆的开发,因为每一个物理子系统可以很容易地更换,以便能够测量车辆中使用不同子系统的效果。每个子系统的参数可从实验数据中获得。

一般情况下,效率和限定的性能确定每个组件的工作。例如,IEC是使用一个从实验中获得的效率图来建模的。Geo1.OL(43kW)发动机的效率图如图5-24所示。此图也显示了最大转矩曲线。最大转矩曲线是发动机子系统的另一个约束条件。此外,发动机的排放、油耗曲线也是模拟发动机所必需的。

目前ADVISOR中没有模拟组件的能力。另一方面,ADVISOR是模块化的,所以只要提供相同的输入和输出,就可以用一个更为详细的模型来取代某个子系统。一般情况下,用户需要两个步骤:

1)使用测量和估计好的组件和整体车辆数据来定义车辆。

2)给出车辆必须遵循地面路段上的速度—时间轨迹。

然后ADVISOR将车辆放进其模拟步骤中,确保达到其能力的最佳型态,并对从一个组件传递到另一个组件的转矩、速度、电压、电流功率进行测量(或提供测量的机会)。

ADVISOR有一个使程序更易于使用的图形用户界面(GUI)。模拟中涉及三个界面——两个输入界面和一个输出界面。第一个界面(车辆输入)允许用户选择他/她想要仿真的车辆部件和车辆类型。首先,用户选择车辆类型(串联HEV、并联HEV、传统的和燃料电池的),之后选择可以确定的车辆的所有部件。该界面如图5-25所示。

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图5-24 典型发动机效率图

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图5-25 ADVISOR车辆输入界面(www.xing528.com)

接下来,用户选择他/她想要在车辆上执行的测试的种类(见图5-26)。用户可以选择多种测试和驾驶型态。驾驶型态描述车辆速度随时间变化规律。例如,图5-26的左上角显示了城市测力计驾驶计划(UDDS)的驾驶型态。

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图5-26 仿真参数界面

最后的界面用于显示仿真结果(见图5-27)。在右边,可以看到燃油经济性、排放;爬坡能力和模拟车辆的加速性能。我们还可以以图形方式显示某些参数,例如电池的充电状态或电机输出功率随时间变化的曲线。对于复杂的优化过程,仿真时间可以延长到一个小时。平均的仿真时间大约是5~10min。

ADVISOR的最新版本允许和其他软件包(例如Ansoft的Simplorer和Avanti的Saber)的链接,提升了该软件的功能。这种功能强大的软件包允许对车辆的电气系统进行更详细的研究。Saber尤其适用于多电汽车的研究,因为它允许对车辆中电力子系统进行详细的分析。总之,ADVISOR能帮助我们回答这样的问题:

1)车辆能否遵循路径(驾驶型态)?

2)试验时需要多少燃料和/或电能?

3)组件传输的峰值功率是多少?

4)传动的效率是多少?

通过反复改变车辆的定义和/或驾驶型态,用户可以继续回答如下问题:

1)在什么道路等级上车辆可以无限期地保持55m/h?

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图5-27 结果界面

2)要在12s内从0加速到60迈,我们给车辆的最小发动机是多少?

3)尽量减少燃料的使用同时维持40~60m/h低于3s,最终的传动比是多少?

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