燃料电池电动汽车传动系统匹配仿真

• 燃料电池电动汽车传动系统匹配仿真
  • 简介
  • 使用说明
    • 一、实验目的
    • 二、仿真数据
    • 三、实验步骤
      • 1.建立驱动电机匹配数学模型
      • 2.利用MWORKS匹配驱动电机参数
      • 3.建立燃料电池匹配数学模型
      • 4.利用MWORKS匹配燃料电池参数

简介

   燃料电池电动汽车是指以燃料电池系统作为单一动力源或者是以燃料电池系统与可充电储能系统作为混合动力源的电动汽车。目前，燃料电池电动汽车主要以后一种为主。燃料电池电动汽车传动系统匹配主要匹配驱动电机和燃料电池。

使用说明

一、实验目的

1. 建立驱动电机匹配数学模型
2. 利用MWORKS匹配驱动电机参数
3. 建立燃料电池匹配数学模型
4. 利用MWORKS匹配燃料电池参数

二、仿真数据

燃料电池电动汽车传动系统匹配仿真所需参数见表7-7-1。

表7-7-1燃料电池电动汽车传动系统匹配仿真所需参数

整车质量/kg	滚动阻力系数	空气阻力系数	迎风面积/m²
2175	0.012	0.32	2.1
轮胎滚动半径/m	旋转质量换算系数	传动系统效率	传动系统传动比
0.281	1.05	0.92	8.5

燃料电池电动汽车设计目标：最高行驶车速不低于160km/h；最大爬坡度不低于20°；百公里加速时间不超过14s。

三、实验步骤

1.建立驱动电机匹配数学模型

原理参见教材第7章实例7

2.利用MWORKS匹配驱动电机参数

利用驱动电机匹配数学模型，编写驱动电机功率匹配的MWORKS程序

m=2175;g=9.8;f=0.012;Cd=0.32;A=2.1;x=0.281;at=0.92;#汽车参数赋值

u=0:5:160;#设置最高车速范围

Pm1=u.*(m*g*f.+Cd*A*u.^2/21.15)/3600/at;#根据最高车速计算电机功率

figure(1)#设置图形窗口1

plot(u, Pm1)#绘制电机功率-最高车速曲线

xlabel("最高车速/(km/h)")#x轴标注

ylabel("电机功率/kw")#y轴标注

af=atan(20*pi/180);#设置最大坡度角

up=0:5:50;#设置爬坡车速范围

Pm2=up.*(m*g*f*cos(af).+m*g*sin(af).+Cd*A*up.^2/21.15)/3600/at;#根据最大爬坡度求电机功率

figure(2)#设置图形窗口2

plot(up, Pm2)#绘制电机功率-爬坡车速曲线

xlabel("爬坡车速/(km/h)")#x轴标注

ylabel("电机功率/kw")#y轴标注

ue=100;#加速终止速度赋值

dt=1.05;#旋转质量换算系数赋值

te=5:0.1:20;#设置加速时间范围

Pm3=(m*g*f*ue./1.5.+Cd*A*ue^3 ./52.875.+dt*m*ue^2 ./te./7.2)./3600/at;#根据加速时间求电机功率

figure(3)#设置图形窗口3

plot(te, Pm3)#绘制电机功率-加速时间曲线

xlabel("加速时间/s")#×轴标注

ylabel("电机功率/kW")#y轴标注

Pm11=160*(m*g*f+Cd*A*160^2/21.15)/3600/at;#计算电机需求功率1

Pm22=30*(m*g*f*cos(af)+m*g*sin(af)+Cd*A*30^2/21.15)/3600/at;#计算电机需求功率2

Pm33=(m*g*f*ue./1.5.+Cd*A*ue^3 ./52.875.+dt*m*ue^2 ./14/7.2)./3600/at;#计算电机需求功率3

@printf("电机需求功率Pmax1=%.2fkw\n",Pm11)#输出电机需求功率1

@printf("电机需求功率Pmax2=%.2fkW\n",Pm22)#输出电机需求功率2

@printf("电机需求功率Pmax3=%.2fkW\n",Pm33)#输出电机需求功率3

图7-7-1 电机功率-最高车速曲线

图7-7-2 电机功率-爬坡车速曲线

图7-7-3 电机功率-加速时间曲线

本实例选择电机类型为永磁同步电机，电机峰值功率选80kW，过载系数取2，电机额定功率为40kW

由式（7-7-7）可得电机最高转速为12838r/min，取12900r/min；扩大恒功率区系数取3，则额定转速为4300r/min

根据式（7-7-9）可得电机额定转矩为89N•m；根据式（7-7-10）可得电机峰值转矩为262N•m

综上所述，驱动电机匹配参数见表7-7-2。

表7-7-2驱动电机匹配参数

参数名称	参数值
额定功率/kW	40
峰值功率/kw	80
额定转矩/ N • m	89
峰值转矩/N • m	262
额定转速/(r/min)	4300
最高转速/(r/min)	12900

3.建立燃料电池匹配数学模型

原理参见教材第7章实例7

4.利用MWORKS匹配燃料电池参数

根据表7-7-1中的数据和NEDC循环工况燃料电池匹配数学模型，编写NEDC循环工况 燃料电池所需功率的MWORKS仿真程序如下。

axis([0 1200 -30 50])#设置坐标轴范围

x1=[0 1200];#设置x1坐标值

y1=[0 0];#设置y1坐标值

plot(x1,y1)#绘制x1和y1直线

hold(true)#保存图形

m=2175;g=9.8;f=0.012;Cd=0.32;A=2.1;r=0.281;nt=0.92;#汽车参数赋值

uj1=15;u01=0;aj1=1.04;#速度和加速度赋值

Pj1=uj1*(m*g*f+Cd*A*uj1^2/21.15+dt*m*aj1)/3600/nt;#计算需求功率

ud1=15;#行驶速度赋值

Pd1=ud1*(m*g*f+Cd*A*ud1^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj2=0;u02=15;aj2=-0.83;#速度和减速度赋值

Pj2=uj2*(m*g*f+Cd*A*uj2^2/21.15+dt*m*aj2)/3600/nt;#计算需求功率

uj3=15;u03=0;aj3=0.69;#速度和加速度赋值

Pj3=uj3*(m*g*f+Cd*A*uj3^2/21.15+dt*m*aj3)/3600/nt;#计算需求功率

uj4=32;u04=15;aj4=0.79;#速度和加速度赋值

Pj4=uj4*(m*g*f+Cd*A*uj4^2/21.15+dt*m*aj4)/3600/nt;#计算需求功率

ud2=32;#行驶速度赋值

Pd2=ud2*(m*g*f+Cd*A*ud2^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj5=0;u05=32;aj5=-0.81;#速度和减速度赋值

Pj5=uj5*(m*g*f+Cd*A*uj5^2/21.15+dt*m*aj5)/3600/nt;#计算需求功率

uj6=15;u06=0;aj6=0.69;#速度和加速度赋值

Pj6=uj6*(m*g*f+Cd*A*uj6^2/21.15+dt*m*aj6)/3600/nt;#计算需求功率

uj7=35;u07=15;aj7=0.51;#速度和加速度赋值

Pj7=uj7*(m*g*f+Cd*A*uj7^2/21.15+dt*m*aj7)/3600/nt;#计算需求功率

uj8=50;u08=35;aj8=0.46;#速度和加速度赋值

Pj8=uj8*(m*g*f+Cd*A*uj8^2/21.15+dt*m*aj8)/3600/nt;#计算需求功率

ud3=50;#行驶速度赋值

Pd3=ud3*(m*g*f+Cd*A*ud3^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj9=35;u09=50;aj9=-0.52;#速度和减速度赋值

Pj9=uj9*(m*g*f+Cd*A*uj9^2/21.15+dt*m*aj9)/3600/nt;#计算功率需求

ud4=35;#行驶速度赋值

Pd4=ud4*(m*g*f+Cd*A*ud4^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj10=0;u010=35;aj10=-0.97;#速度和减速度赋值

Pj10=uj10*(m*g*f+Cd*A*uj10^2/21.15+dt*m*aj10)/3600/nt;#计算功案需求

t=[11,15,23,28,49,55,61,85,96,117,123,134,143,155,163,178,188,195];#设置市区第1个循环时间

w=[0,Pj1,Pd1,Pj2,0,Pj3,Pj4,Pd2,Pj5,0,Pj6,Pj7,Pj8,Pd3,Pj9,Pd4,Pj10,0];#设置市区第1个循环功率

plot(t,w)#绘制市区第1个循环工况需求功率图

hold(true)#保存图形

t=[206,210,218,223,244,250,256,280,291,312,318,329,338,350,358,373,383,390];#设置市区第2个循环时间

w=[0,Pj1,Pd1,Pj2,0,Pj3,Pj4,Pd2,Pj5,0,Pj6,Pj7,Pj8,Pd3,Pj9,Pd4,Pj10,0];#设置市区第2个循环功率

plot(t,w)#绘制市区第2个循环工况需求功案图

hold(true)#保存图形

t=[401,405,413,418,439,445,451,475,486,507,513,524,533,545,553,568,578,585];#设置市区第3个循环时间

w=[0,Pj1,Pd1,Pj2,0,Pj3,Pj4,Pd2,Pj5,0,Pj6,Pj7,Pj8,Pd3,Pj9,Pd4,Pj10,0];#设置市区第3个循环功率

plot(t,w)#绘制市区第3个循环工况需求功率图

hold(true)#保存图形

t=[596,600,608,613,634,640,646,670,681,702,708,719,728,740,748,763,773,780];#设置市区第4个循环时间

w=[0,Pj1,Pd1,Pj2,0,Pj3,Pj4,Pd2,Pj5,0,Pj6,Pj7,Pj8,Pd3,Pj9,Pd4,Pj10,0];#设置市区第4个循环功率

plot(t,w)#绘制市区第4个循环工况需求功率图

hold(true)#保存图形

uj11=15;u011=0;aj11=0.69;#速度和加速度赋值

Pj11=uj11*(m*g*f+Cd*A*uj11^2/21.15+dt*m*aj11)/3600/nt;#计算需求功率

uj12=35;u012=15;aj12=0.51;#速度和加速度赋值

Pj12=uj12*(m*g*f+Cd*A*uj12^2/21.15+dt*m*aj12)/3600/nt;#计算需求功率

uj13=50;u013=35;aj13=0.42;#速度和加速度赋值

Pj13=uj13*(m*g*f+Cd*A*uj13^2/21.15+dt*m*aj13)/3600/nt;#计算需求功率

uj14=70;u014=50;aj14=0.40;#速度和加速度赋值

Pj14=uj14*(m*g*f+Cd*A*uj14^2/21.15+dt*m*aj14)/3600/nt;#计算需求功率

ud5=70;#行驶速度赋值

Pd5=ud5*(m*g*f+Cd*A*ud5^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj15=50;u015=70;aj15=-0.69;#速度和减速度赋值

Pj15=uj15*(m*g*f+Cd*A*uj15^2/21.15+dt*m*aj15)/3600/nt;#计算需求功率

ud6=50;#速度赋值

Pd6=ud6*(m*g*f+Cd*A*ud6^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj16=70;u016=50;aj16=0.43;#速度和加速度赋值

Pj16=uj16*(m*g*f+Cd*A*uj16^2/21.15+dt*m*aj16)/3600/nt;#计算需求功率

ud7=70;#行驶速度赋值

Pd7=ud7*(m*g*f+Cd*A*ud7^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj17=100;u017=70;aj17=0.24;#速度和加速度赋值

Pj17=uj17*(m*g*f+Cd*A*uj17^2/21.15+dt*m*aj17)/3600/nt;#计算需求功率

ud8=100#行驶速度赋值

Pd8=ud8*(m*g*f+Cd*A*ud8^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj18=120;u018=100;aj18=0.28;#速度和加速度赋值

Pj18=uj18*(m*g*f+Cd*A*uj18^2/21.15+dt*m*aj18)/3600/nt;#计算需求功率

ud9=120#行驶速度赋值

Pd9=ud9*(m*g*f+Cd*A*ud9^2/21.15)/3600/nt;#计算需求功率

uj19=80;u019=120;aj19=-0.69;#速度和减速度赋值

Pj19=uj19*(m*g*f+Cd*A*uj19^2/21.15+dt*m*aj19)/3600/nt;#计算功率需求

uj20=50;u020=80;aj20=-1.04;#速度和减速度赋值

Pj20=uj20*(m*g*f+Cd*A*uj20^2/21.15+dt*m*aj20)/3600/nt;#计算功率需求

uj21=0;u021=50;aj21=-1.39;#速度和减速度赋值

Pj21=uj21*(m*g*f+Cd*A*uj21^2/21.15+dt*m*aj21)/3600/nt;#计算功率需求

t=[800,806,817,827,841,891,899,968,981,1031,1066,1096,1116,1126,1142,1150,1160,1180];#设置市郊循环时间

w=[0,Pj11,Pj12,Pj13,Pj14,Pd5,Pj15,Pd6,Pj16,Pd7,Pj17,Pd8,Pj18,Pd9,Pj19,Pj20,Pj21,0];#设置市郊循环功率

plot(t,w)#绘制市郊循环工况需求功率图

hold(true)#保存图形

xlabel("时间/s")#x轴标注

ylabel("功率/kW")#y轴标注

在MWORKS编辑器中输入这些程序，点击运行按钮，即可得到燃料电池电动汽车NEDC循环工况燃料电池需求功率图，如图7-7-4所示。

图7-7-4 燃料电池电动汽车 NEDC循环工况燃料电池需求功率图

可以看出，燃料电池电动汽车NEDC循环工况下，在100～120km/h加速末时刻，燃 料电池需求功率达到最大值，为49.0131kW，可选择燃料电池的峰值输出功率为50kW。