基于四端口機電能量變換器的混合動力系統(tǒng)的研究.pdf

1、四端口機電能量變換器(FPEMC)是一種具有兩個電氣端口和兩個機械端口的多端口機電能量轉(zhuǎn)換裝置。與傳統(tǒng)電機相比，它具有更多的能量變換方式，在混合動力汽車、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、水下推進等需要進行機電能量轉(zhuǎn)換的場合中具有很大的應(yīng)用潛力。但是，四端口機電能量變換器并不是簡單的兩個電機的疊加，端口數(shù)目的增加使得變換器產(chǎn)生了許多復(fù)雜的問題，如動態(tài)控制問題、控制策略問題、磁場耦合問題等等，為傳統(tǒng)電機設(shè)計與控制方法提出了許多挑戰(zhàn)。
　　本文主要就感應(yīng)

2、式四端口機電能量變換器(IM-FPEMC)在混合動力汽車中的理論和應(yīng)用問題展開研究，探索了IM-FPEMC內(nèi)部磁場分布及磁場耦合規(guī)律，提出了合理的解耦方案，并就基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)建模方法，以及混合動力系統(tǒng)控制策略等理論和應(yīng)用問題進行了研究。
　　為分析四端口機電能量變換器的磁場分布規(guī)律，解決多勵磁源之間的磁場耦合問題，提出合理的解耦控制方案，并為變換器的動態(tài)控制奠定基礎(chǔ)，本文通過建立IM-FPEMC變換器的等效磁路

3、模型和有限元仿真模型，采用解析分析和磁場有限元分析兩種方法，對IM-FPEMC內(nèi)部磁場進行研究。得出結(jié)論，四端口機電能量變換器具有兩個氣隙磁場，內(nèi)外電機磁場存在耦合，耦合大小與電機外轉(zhuǎn)子軛部厚度、電機磁勢大小、相位有關(guān)。電機結(jié)構(gòu)上，可以通過增加外轉(zhuǎn)子軛部厚度降低磁場耦合的影響；電機控制方法上，可通過控制內(nèi)外電機的磁勢相位角及調(diào)整勵磁大小的措施，實現(xiàn)解耦控制。本文結(jié)合IM-FPEMC的磁場分布，給出了IM-FPEMC的動態(tài)解耦控制數(shù)學(xué)模型

4、，為對IM-FPEMC的動態(tài)控制奠定了基礎(chǔ)。
　　為解決IM-FPEMC在混合動力汽車上的應(yīng)用問題，分析基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)各總成，特別是IM-FPEMC的工作特點，本文引入能量宏觀表達法(EMR)對基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)進行分析和建模。通過EMR對混合動力系統(tǒng)建模，模型的能量流動情況變得更加清晰、直觀，控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計更加簡單，更具條理化。根據(jù)IM-FPEMC混合動力系統(tǒng)的控制目標(biāo)及內(nèi)部能量的流動特

5、點，本文選定了三條調(diào)節(jié)鏈，應(yīng)用反轉(zhuǎn)規(guī)則得到了相應(yīng)的控制鏈，進行了速度控制器、電流控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，為開發(fā)混合動力整系統(tǒng)控制策略，研究各總成的工作特點奠定了基礎(chǔ)。該方法可用于同類復(fù)雜結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的建模和控制器設(shè)計。
　　為對基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)內(nèi)部的能量流動進行優(yōu)化管理，提高系統(tǒng)效率，獲得最佳的燃油經(jīng)濟性，本文對基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)的能量控制策略進行了研究，對系統(tǒng)能量流進行了優(yōu)化。研究了一種基于

6、規(guī)則的功率跟隨控制策略，并進行了Matlab仿真。結(jié)果表明，IM-FPEMC不僅能夠滿足整車的動力性能要求，而且可以優(yōu)化發(fā)動機的工作區(qū)域，整車具有較好的燃油經(jīng)濟性，高速公路工況百公里油耗達到4.33L，城市工況百公里油耗達到4.87L，與傳統(tǒng)車輛相比，燃油經(jīng)濟性分別提高了32％和23%。本文還對組成IM-FPEMC的兩個電機的仿真數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，得到了變換器的設(shè)計指標(biāo)，給出了變換器的設(shè)計特點。
　　為對所做研究進行驗證，本文對

7、IM-FPEMC進行了實驗測試。結(jié)果表明，外電機設(shè)計基本達到要求，而內(nèi)電機設(shè)計則必須要對變換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，并需考慮散熱問題。實驗結(jié)果與第2章有限元仿真結(jié)果基本吻合，驗證了有限元仿真結(jié)果的正確性，也驗證了IM-FPEMC變換器的磁場分布及磁場耦合規(guī)律的正確性。本文開發(fā)了基于DSP芯片的以車輛應(yīng)用為背景的IM-FPEMC硬件控制平臺。在dSPACE實時控制軟硬件平臺基礎(chǔ)上，給出了基于EMR的感應(yīng)電機控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了感應(yīng)電