本文介紹了在不同抽象層次上有效模擬電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)，仿真目標(biāo)從駕駛周期數(shù)小時(shí)內(nèi)的全局效率和熱分析，到逆變器開(kāi)關(guān)特性和損耗的納秒細(xì)節(jié)。這些技術(shù)可以用來(lái)優(yōu)化電機(jī)和逆變器控制，驗(yàn)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(jì)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(gè)不同抽象級(jí)別的電路以及在SaberRD中進(jìn)行一系列的仿真驗(yàn)證。

概述

*電動(dòng)汽車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)示例(從SaberRD開(kāi)始頁(yè)面安裝)包含4個(gè)抽象級(jí)別，每個(gè)抽象級(jí)別都允許最有效地分析動(dòng)力總成的特定行為。

*通過(guò)單擊導(dǎo)航符號(hào)上的屬性powertrain1到powertrain4，可以方便地瀏覽不同的抽象級(jí)別。

01

Powertrain 1:dq thermal

*powertrain1提供最大模擬速度，允許長(zhǎng)時(shí)間模擬駕駛周期。在圖1中，正在重復(fù)新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)，直到電池耗盡。相當(dāng)于在60秒內(nèi)模擬7個(gè)小時(shí)的駕駛。采用dq模型對(duì)電機(jī)和逆變器進(jìn)行仿真，仿真速度快。dq模型(也稱為基頻模型)通過(guò)使用平均技術(shù)并僅保留相位和幅值信息，抽象了電壓的高頻開(kāi)關(guān)性質(zhì)和電流的正弦性質(zhì)。這種抽象水平非常適合于研究長(zhǎng)時(shí)間的熱效應(yīng)。由于溫度升高和影響汽車在充電之間的距離，逆變器和電機(jī)的損耗在查找表中被準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)。

*電機(jī)和逆變器的損耗是頻率相關(guān)的(頻率是逆變器的開(kāi)關(guān)頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度)。逆變器的損耗取決于溫度，確保充分的電熱耦合。然而，此時(shí)在運(yùn)動(dòng)模型中不存在溫度依賴性。

*逆變器和電機(jī)產(chǎn)生的熱流提供一個(gè)簡(jiǎn)化的熱網(wǎng)絡(luò)，連接到20°C環(huán)境溫度源。在全局變量下，電池組的溫度也設(shè)置為環(huán)境溫度20°C。圖1顯示了真實(shí)的速度、溫度和電池電壓在重復(fù)駕駛循環(huán)中的波形。模擬預(yù)測(cè)NEDC的射程為225公里，而制造商報(bào)告的射程為200公里。略微樂(lè)觀的預(yù)測(cè)的一種可能性是，仿真模型中的制動(dòng)是100%再生的，沒(méi)有耗散成分。然而，事后看來(lái)，額外的車輛載重，有5名乘客被忽略了。考慮到這一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)的射程約為201公里。實(shí)際上，混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型或虛擬原型可以很好地預(yù)測(cè)實(shí)際性能。請(qǐng)注意，此初始測(cè)試假設(shè)新制造的電池組具有100%的額定容量。鋰離子電池從制造時(shí)就開(kāi)始老化，所以這種退化也應(yīng)該被考慮在內(nèi)。

通過(guò)將暫態(tài)分析信號(hào)列表設(shè)置為All Signals(…: )并在vsi_dqx中繪制信號(hào)的瞬時(shí)效率，可以很容易地獲得電機(jī)和逆變器的瞬時(shí)效率。Vsi和jmag_pmsm_dqx.pmsm:fea_pmsm_dqx.pmsm。逆變器的平均效率為79%，電機(jī)的平均效率為85%。電機(jī)和逆變器信號(hào)以及車輛性能與電池組能量的關(guān)系可從Analyze_system_performance實(shí)驗(yàn)中獲得。

圖1 New European Driving Cycle仿真結(jié)果

*一級(jí)動(dòng)力總成示例有一個(gè)“老化性能”實(shí)驗(yàn)，可將電池組的溫度和年齡分布與系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行對(duì)比。這提供了一個(gè)假設(shè)，測(cè)試電池對(duì)系統(tǒng)性能和標(biāo)稱的影響，但也包括壽命和溫度的高到低極端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。要在SaberRD中運(yùn)行該操作，用戶只需要在Simulate選項(xiàng)卡下選擇該實(shí)驗(yàn)。一旦選擇并啟動(dòng)，電池和車輛性能的模擬結(jié)果將自動(dòng)提供。如圖3和4所示。

圖2 Battery pack temperature aging sweep experiment

圖3 Battery pack performance simulation results

*電池壽命從100%(新電池)、90%、80%和70%進(jìn)行掃描。圖3顯示了電池性能隨年齡和溫度的變化。例如，在高溫和標(biāo)稱溫度下，分別為50°C和25°C，當(dāng)SOC達(dá)到零時(shí)，電池組可以完全放電至完全耗盡。然而，當(dāng)電池組溫度下降到0°C和-20°C時(shí)，可以利用的電池容量就少得多。

圖4 Vehicle performance simulation results

*圖4展示了給定新歐洲駕駛循環(huán)下電池壽命和溫度的車輛續(xù)航性能匯總。當(dāng)電池包老化10%時(shí)，其容量約為原來(lái)的90%，在標(biāo)稱溫度為25°C時(shí)，行程從175 Km下降到-20°C時(shí)的75 Km。這樣的研究對(duì)于有效地驗(yàn)證一般性能是非常有益的，因?yàn)樘摂M原型可以作為可執(zhí)行的功能規(guī)格書。

02

Powertrain 2:average abc

*在powertrain2中，使用非開(kāi)關(guān)三相逆變器(vsi_abc)，在同步頻率產(chǎn)生正弦電壓，而不是在dq thermal（powertain 1)中產(chǎn)生直流電壓。模擬速度不如powertain1，因?yàn)闆](méi)有抽象重復(fù)正弦分量，但它明顯快于powertrain3，其中電壓是不連續(xù)的，脈寬是調(diào)制的。powertrain2提供了速度和精度之間的妥協(xié)，適合研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)電動(dòng)力學(xué)。特別是，它允許觀察由電機(jī)的空間諧波引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。圖5顯示了車輛在平坦地形上大約10秒內(nèi)從0加速到60英里/小時(shí)。為了重現(xiàn)這些結(jié)果，將load_veh_dyn符號(hào)實(shí)例的terrain屬性設(shè)置為所有y值都相等(比如為0)。加載并運(yùn)行Acceleration_Flat_Terrain實(shí)驗(yàn)文件以重現(xiàn)圖5所示的結(jié)果。

圖5 Acceleration on flat terrain

*不出所料，相電流的頻率與車速成正比，電流矢量的id分量為負(fù)，符合MTPA公式。
*圖6顯示了不同型號(hào)電機(jī)獲得的轉(zhuǎn)矩波形的細(xì)節(jié)。再現(xiàn)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)名為Torque_study。
*下面的列表的相關(guān)電機(jī)模型信息供設(shè)計(jì)師使用參考：

1.空間諧波精度模式下的JMAG模型

*將rttfile屬性設(shè)置為“100k_S_D_IV_WithUniformSpacing”
*設(shè)置精度屬性為sh
運(yùn)行2秒的瞬態(tài)分析，將信號(hào)列表設(shè)置為:…: (所有信號(hào))
*通過(guò)繪制信號(hào)來(lái)觀察齒槽轉(zhuǎn)矩：gear_box_w.gear_box_w1: trq_inp

2.JMAG模型在LdLq精度模式下

*設(shè)置精度屬性為Idlq
*運(yùn)行2秒的瞬態(tài)分析并繪制圖：gear_box_w.gear_box_w1:trq_inp

3.原Saber LdLq PMSM型號(hào)(dq3pmsyn)

*將imag pmsm模型替換為dg3pmsyn(來(lái)自Saber庫(kù))，并更新以下屬性:rs = 10m;phi_max = 92;lq = 635 u;Id =271u, j=2.27e-2;p = 8

• 運(yùn)行2秒的瞬態(tài)分析并繪制gear_box_w.gear_box_w1:trq_inp

圖6 Detail of torque waveform

*圖7顯示，電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)在t=5秒左右被鉗位到電池電壓上。超過(guò)這一點(diǎn)，電機(jī)在磁通減弱模式下運(yùn)行，允許速度進(jìn)一步提高，但需求速度與實(shí)現(xiàn)速度之間的不匹配越來(lái)越大。仿真還表明，電機(jī)電流在達(dá)到其最大額定值300A后得到適當(dāng)?shù)捏槲弧ｋ娏縻Q位由MTPA塊(imax參數(shù))完成。通過(guò)選擇并運(yùn)行Flux_Weakening來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)。

圖8 Flux weakening

*圖9和10顯示了車輛在斜坡地形上的動(dòng)態(tài)。在下坡段，車速超過(guò)要求的速度:電機(jī)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，暫時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)。此時(shí)，能量流回電池，從勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，磁性，電和最終的化學(xué)形式。當(dāng)轉(zhuǎn)矩過(guò)零時(shí)，相電流發(fā)生反轉(zhuǎn)。

*為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，運(yùn)行名為Sloped_Terrain_Study的實(shí)驗(yàn)，查看圖9和10所示的信號(hào)。

*值得指出的是，汽車的初始位置(x=0)必須是沒(méi)有呈現(xiàn)斜率的(車輛動(dòng)力學(xué)符號(hào)的地形屬性中前兩點(diǎn)的y值相等)。為了獲得直流工作點(diǎn)的解，這是必要的。由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)速，因此不需要扭矩，因此只有在沒(méi)有重力(斜率=0)的情況下才能實(shí)現(xiàn)靜止時(shí)作用在汽車上的力的平衡。如果修改地形，需要確保在x=0處是平坦的。

圖9 Speed response on sloped terrain

圖10 Torque and current responses on sloped terrain

03

Powertrain 3:ideal switch

*powertrain3包括逆變器的PWM操作，導(dǎo)致模擬速度較慢。然而，在這個(gè)級(jí)別中使用的開(kāi)關(guān)模型(sw1_14_igbt.sin)比powertrain 4的詳細(xì)半導(dǎo)體模型模擬速度快大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

*sw1_14_igbt.sin是數(shù)字控制理想開(kāi)關(guān)sw1_l4.sin與一個(gè)額外的反并行copack二極管和一個(gè)查找表方案，說(shuō)明開(kāi)關(guān)損耗。該模型還考慮了IGBT在開(kāi)啟狀態(tài)下的壓降(參數(shù)von_igbt)。否則它就像二元電阻ron/roff。

*三種類型的開(kāi)關(guān)損耗包括:IGBT的接通損耗、IGBT的關(guān)斷損耗和copack二極管的反向恢復(fù)損耗。這些損耗在文件中指定eon.ai_dat, eoff.ai_dat 和 err.ai_dat 都包含4列:通過(guò)導(dǎo)電開(kāi)關(guān)的電流(安培)(在關(guān)斷/開(kāi)斷事件之前/之后)，通過(guò)阻塞開(kāi)關(guān)的電壓(伏特)(在開(kāi)斷/關(guān)斷事件之前/之后)，開(kāi)關(guān)溫度和與開(kāi)關(guān)事件相關(guān)的損耗(焦耳)。

*自瞬態(tài)模擬開(kāi)始以來(lái)，開(kāi)關(guān)實(shí)例中耗散的總損耗(單位為焦耳)由信號(hào)total_dissipated_energy給出(在信號(hào)列表層次結(jié)構(gòu)中選擇)。該信號(hào)對(duì)應(yīng)switching_energy和傳導(dǎo)能量信號(hào)之和(要查看switching_energy，暫態(tài)分析設(shè)置Save process/shared variables需要設(shè)置為Yes)。

*信號(hào)pwrd表示在參數(shù)tau指定的一段時(shí)間內(nèi)，開(kāi)關(guān)中消耗的瞬時(shí)功率的平均值。

*開(kāi)關(guān)損耗文件中的數(shù)據(jù)基于后來(lái)在powertrain4中使用的英飛凌IGBT FS600R07A2E3的數(shù)據(jù)表。為了避免查找表函數(shù)的異常，重要的是要包括已知損耗為零的點(diǎn)(即在零電壓或零電流條件下，開(kāi)關(guān)能量為零)。

*可以導(dǎo)入開(kāi)關(guān)損耗文件的內(nèi)容，并在表查找(TLU)工具中查看，如圖11所示。

*在powertrain3中，控制是在MAST模板(foc_pmsm.sin)中實(shí)現(xiàn)的，使用采樣的輸入信號(hào)而不是前面級(jí)別的連續(xù)信號(hào)。此外，這種實(shí)現(xiàn)不輸出占空比，而是產(chǎn)生逆變器開(kāi)關(guān)事件需要觸發(fā)的時(shí)間，使其更接近真正的MCU。盡管如此，大多數(shù)控制操作與powertrain2相同，包括Park和逆Park變換、MTPA、通量削弱、Pl積分和占空比計(jì)算。控制與設(shè)備之間的通信方案如圖12所示。

*默認(rèn)情況下，采樣和開(kāi)關(guān)頻率分別為30 kHz和5 kHz(控制和工廠之間的通信頻率)。每隔200us，從植物中采樣的信號(hào)被傳遞給控制，以計(jì)算下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的開(kāi)關(guān)瞬間(在控制對(duì)植物的響應(yīng)中，不可避免地存在一個(gè)周期的延遲)。

圖11 IGBT turn-on energy Eon viewed in the TLU tool

圖12 Communication scheme between plant and control in levels 3 and 4

*該控制不是通過(guò)異步中斷直接觸發(fā)開(kāi)關(guān)，而是在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)將12個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)間傳遞給發(fā)電機(jī)(六個(gè)開(kāi)關(guān)中的每個(gè)開(kāi)關(guān)都有一個(gè)開(kāi)啟時(shí)間和一個(gè)關(guān)閉時(shí)間)。當(dāng)控件在外部的FPGA仿真器、Virtualizer或Simulink中運(yùn)行時(shí)，該通信方案中使用的固定且相對(duì)較大的時(shí)間間隔(200us)顯著提高了聯(lián)合仿真性能。它允許切換事件在所需的時(shí)間間隔內(nèi)觸發(fā)，沒(méi)有任何聯(lián)合仿真性能損耗。

*如果控制不是通過(guò)聯(lián)合仿真在外部運(yùn)行(就像在安裝的powertrain3和powertrain4中的情況一樣)，可以將控制接收和處理發(fā)電機(jī)信號(hào)的采樣頻率設(shè)置為高于開(kāi)關(guān)頻率。較高的采樣頻率通常允許通過(guò)使用濾波器(如卡爾曼濾波器)來(lái)降低植物信號(hào)中的噪聲。開(kāi)關(guān)頻率和采樣頻率是控制模型的參數(shù)(f_sampling和f_switching)。

*開(kāi)關(guān)瞬間主要基于占空比，其本身基于電壓與直流鏈路電壓綜合的比值。此計(jì)算還考慮了用戶指定的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間是插入兩個(gè)互補(bǔ)IGBT的關(guān)閉和打開(kāi)之間的小間隔，以防止同時(shí)傳導(dǎo)和可能通過(guò)逆變器腿的災(zāi)難性短路。死區(qū)時(shí)間一般在1us到5us之間。

*如圖13所示，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，死區(qū)時(shí)間導(dǎo)致電流波形失真，當(dāng)相電流過(guò)零時(shí)(每個(gè)同步周期發(fā)生6次)尤其明顯。扭曲導(dǎo)致增加THD水平和鐵損失在電機(jī)。在高PWM頻率下，死區(qū)時(shí)間(固定且依賴于IGBT固有開(kāi)關(guān)速度)占開(kāi)關(guān)周期的較大部分，其影響會(huì)惡化。在低同步速度下，死區(qū)時(shí)間的影響也很明顯。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，運(yùn)行Ph_current_study實(shí)驗(yàn)。

圖13 Corrected and uncorrected dead-time distortion

*通過(guò)根據(jù)電流的極性調(diào)整開(kāi)關(guān)瞬時(shí)來(lái)糾正死區(qū)失真。當(dāng)相同的leg IGBT都關(guān)閉時(shí)，相關(guān)相位的感應(yīng)電流要么流過(guò)上部的自由輪二極管(電流進(jìn)入leg)，要么流過(guò)下部的自由輪二極管(電流離開(kāi)leg)。由于leg電流的極性是提前已知的，因此可以預(yù)測(cè)有效相位電壓是將變?yōu)榱氵€是變?yōu)橹绷麈溌冯妷海瑥亩鴮?dǎo)致占空比的有效增加或減少。

*值得注意的是，當(dāng)同一支路上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)都被主動(dòng)控制時(shí)，控制只關(guān)心死區(qū)時(shí)間，只有當(dāng)支路電流接近零時(shí)才會(huì)發(fā)生死區(qū)時(shí)間。高于或低于一定的安全裕度(由FOC參數(shù)i_margin定義)，對(duì)中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)是主動(dòng)控制的(如果腿電流離開(kāi)逆變器，則為上開(kāi)關(guān)，否則為下開(kāi)關(guān))。非活動(dòng)開(kāi)關(guān)保持關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)被控制開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，其反平行自由輪二極管處理電流。dt_comp參數(shù)設(shè)置為yes啟用死時(shí)間補(bǔ)償。i_margin參數(shù)對(duì)死區(qū)校正的質(zhì)量沒(méi)有影響，只需要將該值設(shè)置為高于開(kāi)關(guān)紋波電流大小即可正常工作。

04

Powertrain 4:detailed IGBT

*powertrain4提供了逆變器的最高級(jí)別的設(shè)計(jì)，但以模擬速度為代價(jià):這個(gè)級(jí)別的模擬速度比前一個(gè)級(jí)別慢10倍左右。逆變器特性是使用基于英飛凌數(shù)據(jù)表(包含在設(shè)計(jì)示例安裝中)的IGBT工具完成的。通過(guò)打開(kāi)逆變器的層次結(jié)構(gòu)并單擊IGBT模型(包括反平行自由輪二極管)的工具屬性，可以在工具中重新跟蹤該特性的不同方面。

*powertrain4的控件是用C實(shí)現(xiàn)的，但在功能上等同于powertrain3的MAST實(shí)現(xiàn)。C代碼被稱為外部例程，可用于查看和編輯(foc_pmsm.c)。編譯和鏈接指令如下:

*其中SABER_HOME需要替換為SaberRD安裝的路徑。

*transient_analysis實(shí)驗(yàn)可以選擇和運(yùn)行，以方便地檢查IGBT的啟動(dòng)行為和在詳細(xì)的逆變器實(shí)現(xiàn)下產(chǎn)生的電機(jī)電壓和電流。參見(jiàn)圖28和圖29。

圖14 IGBT Voltages and Currents

圖15 Motor Voltages and Currents

05

總結(jié)

一些建模技術(shù)已經(jīng)證明，提供仿真速度與精度的權(quán)衡適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的不同階段。下表總結(jié)了這些技術(shù)。

*dq模型提供了最高的仿真速度，以有效地模擬駕駛循環(huán)，評(píng)估整體系統(tǒng)效率，評(píng)估負(fù)載平衡或電池管理策略，并分析長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)展的熱方面。

*逆變器的平均PWM模型適用于優(yōu)化電機(jī)控制(FOC或DTC)和分析驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)，包括電機(jī)缺陷引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和振動(dòng)。

*理想的開(kāi)關(guān)模型是實(shí)用的，以評(píng)估PWM替代品(如正弦或空間矢量)和故障保護(hù)策略(保險(xiǎn)絲，冗余逆變器等)。

*詳細(xì)的半導(dǎo)體模型對(duì)于評(píng)估逆變器應(yīng)力(最大dl/dt和dV/dt，電壓和電流峰值)，設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)器以獲得最佳的開(kāi)關(guān)速度和死區(qū)時(shí)間，以及確定緩沖元件的尺寸是必要的。此級(jí)別的建模對(duì)于生成支持更高級(jí)別抽象的損耗也是必要的。