基于Simulink的电动汽车动力系统模型

1、基于Simulink的电动汽车动力系统模型/郭迪，颜伏伍，全书海设计·研究doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2010.04.009基于Simulink的郭电动汽车动力系统模型迪，颜伏伍，全书海（武汉理工大学汽车工程学院，武汉430070）摘要：运用Simulink进行电动汽车动力系统研究，在分析电动汽车动力系统数学模型的基础上，建立电动汽车动力系统Simulink模型，通过仿真获得动力系统响应特性。关键词：电动汽车；动力系统；Simulink模型；响应特性中图分类号：U469文献标志码：A文章编号：1005-2550（2010）04-0035-04Simuli

2、nk-basedModelofElectricVehiclePowertrainSystemGUODi，YANFu-wu，QUANShu-hai（SchoolofAutomobileEngineering，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070，China）Abstract：Simulinkwasappliedtotheresearchontheelectricvehiclepowertrainsystem.Withtheanalysisofthemathe-maticalmodeloftheelectricvehiclepowertrainsystem

3、，theSimulink-basedmodeloftheelectricvehiclepowertrainsys-temwasbuilt.Throughthesimulation，theresponsecharacteristicoftheelectricvehiclepowertrainsystemwasgained.Keywords：electricvehicle；powertrainsystem；simulink-basedmodel；responsecharacteristic电动汽车是当前国内外新能源动力汽车研究的热门发展方向1。与传统的内燃机动力汽车相比，电动汽车在多个方面具有明显

4、的优势，但是在维护成本和续航里程方面存在一定的劣势。目前，国内外的汽车制造商已经推出了多款电动汽车，随着电动汽车技术的发展，电动汽车会获得更加普遍的使用。电动汽车与传统的内燃机动力汽车在车身结构上存在很多相似点，但是在动力系统结构上存在较大差异，相比传统的内燃机动力汽车，电动汽车动力系统的结构更加简洁，但是需要引入新的机电控制技术。实际研究中，控制的主要对象从电控系统的燃油喷射过程变为总线电压调节过程，前者决定了传统的内燃机动力汽车的各种工况特性，后者则决定了电动汽车的运行特性。在电动汽车控制中，控制总线电压，就决定了提供电能的车载能量源的功率输出状态，同时也决定了作为电动汽车动力源的电动机的

5、运行状态，进而直接决定了汽车的行驶状态，合理的总线电压调节策略可以在满足汽车行驶动力需求的条件下获得更长的续航里程。在车用动力电池技术未取得决定性突破的条件下，电动汽车技术的研究主要集中在探索合理有效收稿日期：2010-03-10的控制方法和开发可靠稳定的控制器上。在电动汽车设计的初期，使用动力系统模型进行仿真研究，可以在基本脱离硬件支持的条件下，完成控制方法的初步筛选，选定简单有效的控制方法可以简化硬件控制器的设计，从而使得硬件控制器工作更加可靠和稳定，使用动力系统模型进行仿真研究还可以方便地进行电动汽车各个部件的匹配研究，从而使得各个部件之间的功率匹配更加合理。在电动汽车动力系统仿真研究的

6、过程中使用Matlab软件的Simulink工具包可以快速完成模型的构建工作，省去了模型程序的编写过程，使得研究者可以更加关注于模型优化，从而使得模型可以更加真实地反映出动力系统的响应特性。1.1动力系统的数学模型电动汽车动力学模型根据功率方程建立电动汽车动力学模型。功率方程的表达式2为：dE=Pii=1n（1）即汽车动能对时间的一阶导数，等于作用于汽·35·设计·研究车的全部力的功率的代数和。行驶过程中的电动汽车的动能包括平动动能和转动动能，其中转动动能由旋转部件的旋转运动产生。在忽略传动系统转动惯量的简化假设下，电动汽车动能的表达式为：E=2mu2+2Jm2m

7、+2Jw2w（2）式中，m为汽车质量；u为车速，Jm为电动机转子对于转轴的转动惯量；m为电动机转子旋转角速度；Jw为车轮对于车轴的转动惯量；w为车轮旋转角速度。车轮旋转角速度w与车速u之间的关系式为：w=r（）w3式中，rw为车轮半径。由于电动机的转速变化范围宽，因此电动汽车可以采用较内燃机动力汽车更为简单的传动系统，部分微型电动汽车可以直接采用轮毂电机驱动。电动机转子旋转角速度m与车速u之间的关系式为：m=igu（w4）式中，ig为固定减速比。将全部车轮的转动惯量叠加为单个车轮的转动惯量，并将（3）式和（4）式代入（2）式可得汽车动能的表达式为：E=（mJ+mi2gJ（w+w）wu25）汽车

8、动能对时间的一阶导数的表达式为：dEJmi2gJwdu=（m+w+）wu（6）电动汽车行驶过程中，作用于汽车的力包括驱动力、滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和机械摩擦阻力3。电动机的电磁转矩T通过传动系统传递到汽车驱动轮，最后表现出驱动力。在忽略传动系统摩擦损失的简化假设下，驱动力的功率表达式为：Pm=Tmm=Tiu（w7）式中，T为电磁转矩；m为电动机转矩输出效率。汽车运行过程中，滚动阻力3的功率表达式为：Pf=mgcosfu（8）·36·汽车科技第4期2010年7月式中，g为重力加速度；为水平方向与汽车行驶方向的夹角，逆时针为正，代表上坡过程，顺时针为负，代表下坡过程；f为

9、滚动阻力系数；u为车速。无风条件下，空气阻力3的功率表达式为：Pw=0.5CDAu3（9）式中，CD为空气阻力系数；A为汽车迎风面积；为空气密度；u为车速。坡度阻力3的功率表达式为：Pi=mgsinu（10）综合可得全部力功率代数和的表达式为：nPi=Pm-Pf-Pw-Pi=（Tmig-i=1wmgcosf-0.5CDAu2-mgsin）u（11）将（6）式和（11）式代入（1）式后，功率方程的表达式为：（m+Jmi2gJduTmigw+w）w=w-mgcosf-0.5CDAu2-mgsin（12）1.2电动机模型本文讨论的电动汽车使用他励直流电动机。他励直流电动机电磁转矩的表达式4为：T=C

10、tIa（13）式中，Ct为转矩常数；为单个磁极磁通；Ia为电枢回路总电流。电枢回路总电流的表达式为：Ia=R（14）a式中，U为电动机端电压；Ea为电枢电动势；Ra为电枢回路总电阻。电枢电动势的表达式4为：Ea=Cen=60C60Ci=u（w15）式中，Ce为电动势常数；为单个磁极磁通；n为电动机转子转速；m为电动机转子旋转角速度。综合（13）式、（14）式和（15）式可得电磁转矩T、电动机端电压U和电动汽车车速u之间的关系式为：T=C60CC2iaU-u（）wa162动力系统的Simulink模型2.1电动汽车动力学Simulink模型公式（12）表明了电动机电磁转矩T与电动汽基于Simul

11、ink的电动汽车动力系统模型/郭迪，颜伏伍，全书海设计·研究车车速u之间的关系，根据这种关系可以建立图1所示的Simulink模块，即为电动汽车动力学的Simulink模型。图1电动汽车动力学Simulink模型2.2电动机Simulink模型公式（16）表明了电动机端电压U、电磁转矩T以及电动汽车车速u之间的关系，根据这种关系可以建立图2所示的Simulink模块，即为电动机的Simulink模型。1f(u)+uFcn112f(u)-TuFcn2subtract图2电动机Simulink模型2.3电动机控制器Simulink模型试探性使用PI控制方式，初步选定Kp与Ti值。根据PI

12、控制原理5可以建立图3所示的Simulink模块，即为电动机控制器的Simulink模型。subtract图3电动机控制器Simulink模型2.4电动汽车动力系统Simulink模型将图1、图2和图3所示的模型分别进行封装形成子系统，并且添加必要的信号发生模块和观测模块，可以建立图4所示的电动汽车动力系统Simulink模型。UTu_refu_refuUUTuTumotormodelcontrollerumotormodelelectrickineticsmodelvehicleuvsu_ref图4电动汽车动力系统Simulink模型2.5模型参数模型使用参数见表1。表1模型参数列表参数符号

13、数值参数符号数值m/kg1000CD0.35Jm/kg·m20.25/kg·m-31.226Jw/kg·m24A/m22.2rw/m0.28Ct42ig2Ce4.4m1/Wb0.028g/m·s-29.8Ra/0.088Kp1Ti1表中参数被预先编写成parameters.M文件，在动力系统模型仿真开始前以运行M文件的方式导入工作空间。2.6动力系统的响应特性电动机控制器模块中PI参数的选择应该使得整个动力系统模型获得符合条件的响应特性，基本要求就是快速和稳定。使用表1中的参数，输入单位阶跃信号进行模型仿真运行，得到结果见图5。0.910.80.70.6

14、0.50.40.30.20.10020406080100图5动力系统模型对单位阶跃信号的响应从图5可以看出，图4所示的动力系统闭环模型对于单位阶跃输入信号的响应没有表现出振荡过程，同时具有比较合理的上升时间，而且不存在稳态误差。依据PI控制特性，进一步增大Kp可以获得更快的上升时间，考虑到图5反映出的动力系统模型的过阻尼特性，因此在控制器实际开发中，增大Kp·37·设计·研究doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2010.04.010汽车科技第4期2010年7月少片簧优化设计张办，罗志龙（东风汽车悬架弹簧有限公司，十堰442046）摘要：通过举

15、例和理论计算分析少片簧的片数、长度和应力状态对少片簧质量的影响，指出在少片簧设计中其产品质量与应力状态成反比关系，与其片数和长度无关系，进而得出在少片簧设计中提高设计应力和选择较少片数和较短长度是生产成本最低、质量最轻的优化设计方法。关键词：少片簧；片数；长度；应力状态中图分类号：U463.33文献标志码：A文章编号：1005-2550（2010）04-0038-04OptimizationDesignforParabolicSpringsZHANGBan，LUOZhi-long（DongfengMotorSuspensionSpringCo.Ltd.，Shiyan442046，China）A

16、bstract：Inthispaper，togiveanexampleandtheoreticalcalculationsanalyzenumberofspringleaf，lengthandstressconditionontheimpactoftheweightofaparabolicsprings，pointingoutthatparabolicspringdesignoftheirproductsisproportionaltotherelationshipbetweenweightandstresscondition，ratherthanthenumberandlengthofspr

17、ingleafThenobtainedinparabolicspringdesign，improvethestressconditionofparabolicsprings，selectionlittlenumberofspringleafandshorterlengthistoproducethelowest，lightestweightoptimizeddesign.Keywords：parabolicsprings；numberofspringleaf；length；stresscondition资源短缺及环境污染已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益来

18、考虑，降低汽车零部件的生产成本和生产满足使用要求的最轻化汽车零部件都是节约型社会发展的需要。本文通过分析影响少片簧产品生产成本和质量的几个参数，得出少片簧设计最优化的设收稿日期：2010-02-05计方法。1根据不同片数和长度对比分析少片簧各参数之间的关系在悬架设计中钢板弹簧最主要的性能参数是承载能力和刚度，在满足主要性能要求时，少片簧的片通过增加燃料电池系统或者蓄电池系统的的主要限制因素是实际部件的工作负载限制，而不是选择较大Kp后可能出现的不稳定脉冲波动。Simulink模块，本文的动力系统模型就可以用来进行整车能量管理策略的研究。3结论参考文献：本文根据电动汽车动力系统数学模型建立的动1顾列铭.中国新