SaberRD基于JMAG電機(jī)模型的電動汽車動力系統(tǒng)仿真（一）

本文介紹了在不同抽象層次上有效模擬電動汽車動力系統(tǒng)的技術(shù)，仿真目標(biāo)從駕駛周期數(shù)小時內(nèi)的全局效率和熱分析，到逆變器開關(guān)特性和損耗的納秒細(xì)節(jié)。這些技術(shù)可以用來優(yōu)化電機(jī)和逆變器控制，驗證電能質(zhì)量(THD和損耗)，并模擬故障。

本文分為兩部分，第一部分闡述電路設(shè)計思路以及在Saber RD中進(jìn)行的選型與建模；第二部分闡述SaberRD基于JMAG電機(jī)模型搭建的四個不同抽象級別的電路以及在SaberRD中進(jìn)行一系列的仿真

01

電路拓?fù)浼霸O(shè)計思路

*該動力系統(tǒng)設(shè)計的核心是使用JMAG FEA求解器生成的高保真PMSM電機(jī)模型，包括空間諧波、磁通飽和和頻率相關(guān)的鐵損耗。電機(jī)由三相電壓源逆變器(VSI)提供電流，由FOC算法控制，實現(xiàn)每安培最大轉(zhuǎn)矩(MTPA)和磁通弱化策略，并使用攔截正弦PWM方法。直流鏈接電壓(365V)是由兩個并聯(lián)的鋰離子電池實現(xiàn)的，每個電池有96個電池單元串聯(lián)。

圖1:電動汽車動力傳動系統(tǒng)示意圖

*電機(jī)軸連接到一個單比變速箱，其本身連接到一個簡化的汽車動力學(xué)模型，該模型考慮了傾斜地形上的重力，以及滾動和空氣動力。

圖二：簡化車輛動力學(xué)模型。

*電動汽車動力總成規(guī)格。

表一：電動汽車動力總成規(guī)格

02

模型搭建

1.PMSM永磁同步電動機(jī)模型

本文采用JMAGTM有限元分析(FEA)工具對PMSM模型進(jìn)行了表征。JMAG-RT模塊通過表達(dá)電機(jī)在磁通飽和、轉(zhuǎn)矩空間諧波、頻率依賴性鐵損耗、直接軸和正交軸之間的顯著性等方面的非線性行為，為硬件在環(huán)(HIL)和電路仿真生成緊湊的PMSM模型。

所有這些方面都是通過從JMAG獲得的三個查找表面來建模的，并存儲在JMAG- rt數(shù)據(jù)文件(擴(kuò)展名為.rtt)中:

1.磁通作為轉(zhuǎn)子角度、電流幅值和電流角的函數(shù)(圖4)

2.轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子角、電流幅值和電流角的關(guān)系(圖5)

3.鐵損耗(渦流和遲滯損耗的組合)作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電流幅值和電流角度的函數(shù)(圖6)。* 注意，鐵損耗表在rtt文件中是可選的。如果不包括在內(nèi)，則基于并行電阻(模型參數(shù)rp)的較不詳細(xì)的頻率依賴性鐵損耗表示。

*圖4到圖6中所示角度的約定在圖3中說明。轉(zhuǎn)子角度以電氣度為單位。
*PMSM的幾個Saber模型(在不同的抽象級別上)使用JMAG-RT查找表數(shù)據(jù):

1.jmag_pmsm.sin(以及相關(guān)的動態(tài)熱jmag_pmsmx.sin)有3個電氣連接，每個相一個。利用JMAG產(chǎn)生的全部空間諧波細(xì)節(jié)而不降低表維數(shù)。

2.jmag_pmsm_dq.sin(以及相關(guān)的動態(tài)熱jmag_pmsm_dqx.sin)在dq參考系中工作，只有兩個電氣連接。這種更高層次的抽象不保留空間諧波，但仍然解釋了Ld(id)和La(iq)的通量飽和，以及完整的鐵損失表。扭矩的計算是解析式的(等式3)，而不是基于一個查找表。

圖3：磁通量和扭矩表(a)和鐵損表(b)的角度約定

圖4電流角為0時磁通量隨轉(zhuǎn)子角度和電流幅值的變化(a)

轉(zhuǎn)子角度為0時磁通量隨轉(zhuǎn)子角度和電流幅值的變化(b)

圖5：轉(zhuǎn)子角度設(shè)為0時轉(zhuǎn)矩對電流角和幅值的函數(shù)(a)

電流角度設(shè)為0時轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)子角度和電流的函數(shù)(b)

圖6：轉(zhuǎn)速設(shè)置為10,000轉(zhuǎn)/分時，鐵損隨電流角度和振幅的變化(a)

電流幅值設(shè)置為390安培時，鐵損隨電流角度和速度的變化(b)

本設(shè)計中使用的8極電機(jī)的特性如圖7所示(來自JMAG網(wǎng)站)。

圖7：永磁同步電機(jī)規(guī)格

對于ANSYS Maxwell軟件生成的有限元分析數(shù)據(jù)，存在類似jmag_pmsm.sin的模型。在SaberRD模型庫里可以找到maxwell_pmsm.sin模型。

2.FDC