SaberRD基于JMAG电机模型的电动汽车动力系统仿真（一）

本文介绍了在不同抽象层次上有效模拟电动汽车动力系统的技术，仿真目标从驾驶周期数小时内的全局效率和热分析，到逆变器开关特性和损耗的纳秒细节。这些技术可以用来优化电机和逆变器控制，验证电能质量(THD和损耗)，并模拟故障。

本文分为两部分，第一部分阐述电路设计思路以及在Saber RD中进行的选型与建模；第二部分阐述SaberRD基于JMAG电机模型搭建的四个不同抽象级别的电路以及在SaberRD中进行一系列的仿真

01

电路拓扑及设计思路

*该动力系统设计的核心是使用JMAG FEA求解器生成的高保真PMSM电机模型，包括空间谐波、磁通饱和和频率相关的铁损耗。电机由三相电压源逆变器(VSI)提供电流，由FOC算法控制，实现每安培最大转矩(MTPA)和磁通弱化策略，并使用拦截正弦PWM方法。直流链接电压(365V)是由两个并联的锂离子电池实现的，每个电池有96个电池单元串联。

图1:电动汽车动力传动系统示意图

*电机轴连接到一个单比变速箱，其本身连接到一个简化的汽车动力学模型，该模型考虑了倾斜地形上的重力，以及滚动和空气动力。

图二：简化车辆动力学模型。

*电动汽车动力总成规格。

表一：电动汽车动力总成规格

02

模型搭建

1.PMSM永磁同步电动机模型

本文采用JMAGTM有限元分析(FEA)工具对PMSM模型进行了表征。JMAG-RT模块通过表达电机在磁通饱和、转矩空间谐波、频率依赖性铁损耗、直接轴和正交轴之间的显著性等方面的非线性行为，为硬件在环(HIL)和电路仿真生成紧凑的PMSM模型。

所有这些方面都是通过从JMAG获得的三个查找表面来建模的，并存储在JMAG- rt数据文件(扩展名为.rtt)中:

1.磁通作为转子角度、电流幅值和电流角的函数(图4)

2.转矩与转子角、电流幅值和电流角的关系(图5)

3.铁损耗(涡流和迟滞损耗的组合)作为转子转速、电流幅值和电流角度的函数(图6)。* 注意，铁损耗表在rtt文件中是可选的。如果不包括在内，则基于并行电阻(模型参数rp)的较不详细的频率依赖性铁损耗表示。

*图4到图6中所示角度的约定在图3中说明。转子角度以电气度为单位。
*PMSM的几个Saber模型(在不同的抽象级别上)使用JMAG-RT查找表数据:

1.jmag_pmsm.sin(以及相关的动态热jmag_pmsmx.sin)有3个电气连接，每个相一个。利用JMAG产生的全部空间谐波细节而不降低表维数。

2.jmag_pmsm_dq.sin(以及相关的动态热jmag_pmsm_dqx.sin)在dq参考系中工作，只有两个电气连接。这种更高层次的抽象不保留空间谐波，但仍然解释了Ld(id)和La(iq)的通量饱和，以及完整的铁损失表。扭矩的计算是解析式的(等式3)，而不是基于一个查找表。

图3：磁通量和扭矩表(a)和铁损表(b)的角度约定

图4电流角为0时磁通量随转子角度和电流幅值的变化(a)

转子角度为0时磁通量随转子角度和电流幅值的变化(b)

图5：转子角度设为0时转矩对电流角和幅值的函数(a)

电流角度设为0时转矩对转子角度和电流的函数(b)

图6：转速设置为10,000转/分时，铁损随电流角度和振幅的变化(a)

电流幅值设置为390安培时，铁损随电流角度和速度的变化(b)

本设计中使用的8极电机的特性如图7所示(来自JMAG网站)。

图7：永磁同步电机规格

对于ANSYS Maxwell软件生成的有限元分析数据，存在类似jmag_pmsm.sin的模型。在SaberRD模型库里可以找到maxwell_pmsm.sin模型。

2.FDC