基于四端口機(jī)電能量變換器的混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究.pdf

1、四端口機(jī)電能量變換器(FPEMC)是一種具有兩個(gè)電氣端口和兩個(gè)機(jī)械端口的多端口機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它具有更多的能量變換方式，在混合動(dòng)力汽車、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、水下推進(jìn)等需要進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合中具有很大的應(yīng)用潛力。但是，四端口機(jī)電能量變換器并不是簡(jiǎn)單的兩個(gè)電機(jī)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(wèn)題，如動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題、控制策略問(wèn)題、磁場(chǎng)耦合問(wèn)題等等，為傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)電能量變換器(IM-FPEMC)在混合動(dòng)力汽車中的理論和應(yīng)用問(wèn)題展開(kāi)研究，探索了IM-FPEMC內(nèi)部磁場(chǎng)分布及磁場(chǎng)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(dòng)力系統(tǒng)建模方法，以及混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略等理論和應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　為分析四端口機(jī)電能量變換器的磁場(chǎng)分布規(guī)律，解決多勵(lì)磁源之間的磁場(chǎng)耦合問(wèn)題，提出合理的解耦控制方案，并為變換器的動(dòng)態(tài)控制奠定基礎(chǔ)，本文通過(guò)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(chǎng)有限元分析兩種方法，對(duì)IM-FPEMC內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行研究。得出結(jié)論，四端口機(jī)電能量變換器具有兩個(gè)氣隙磁場(chǎng)，內(nèi)外電機(jī)磁場(chǎng)存在耦合，耦合大小與電機(jī)外轉(zhuǎn)子軛部厚度、電機(jī)磁勢(shì)大小、相位有關(guān)。電機(jī)結(jié)構(gòu)上，可以通過(guò)增加外轉(zhuǎn)子軛部厚度降低磁場(chǎng)耦合的影響；電機(jī)控制方法上，可通過(guò)控制內(nèi)外電機(jī)的磁勢(shì)相位角及調(diào)整勵(lì)磁大小的措施，實(shí)現(xiàn)解耦控制。本文結(jié)合IM-FPEMC的磁場(chǎng)分布，給出了IM-FPEMC的動(dòng)態(tài)解耦控制數(shù)學(xué)模型

4、，為對(duì)IM-FPEMC的動(dòng)態(tài)控制奠定了基礎(chǔ)。
　　為解決IM-FPEMC在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用問(wèn)題，分析基于IM-FPEMC的混合動(dòng)力系統(tǒng)各總成，特別是IM-FPEMC的工作特點(diǎn)，本文引入能量宏觀表達(dá)法(EMR)對(duì)基于IM-FPEMC的混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析和建模。通過(guò)EMR對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)建模，模型的能量流動(dòng)情況變得更加清晰、直觀，控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，更具條理化。根據(jù)IM-FPEMC混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制目標(biāo)及內(nèi)部能量的流動(dòng)特

5、點(diǎn)，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(jìn)行了速度控制器、電流控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，為開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力整系統(tǒng)控制策略，研究各總成的工作特點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。該方法可用于同類復(fù)雜結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力系統(tǒng)的建模和控制器設(shè)計(jì)。
　　為對(duì)基于IM-FPEMC的混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部的能量流動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化管理，提高系統(tǒng)效率，獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，本文對(duì)基于IM-FPEMC的混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量控制策略進(jìn)行了研究，對(duì)系統(tǒng)能量流進(jìn)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(jìn)行了Matlab仿真。結(jié)果表明，IM-FPEMC不僅能夠滿足整車的動(dòng)力性能要求，而且可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域，整車具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，高速公路工況百公里油耗達(dá)到4.33L，城市工況百公里油耗達(dá)到4.87L，與傳統(tǒng)車輛相比，燃油經(jīng)濟(jì)性分別提高了32％和23%。本文還對(duì)組成IM-FPEMC的兩個(gè)電機(jī)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到了變換器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，給出了變換器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
　　為對(duì)所做研究進(jìn)行驗(yàn)證，本文對(duì)

7、IM-FPEMC進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，外電機(jī)設(shè)計(jì)基本達(dá)到要求，而內(nèi)電機(jī)設(shè)計(jì)則必須要對(duì)變換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并需考慮散熱問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第2章有限元仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了有限元仿真結(jié)果的正確性，也驗(yàn)證了IM-FPEMC變換器的磁場(chǎng)分布及磁場(chǎng)耦合規(guī)律的正確性。本文開(kāi)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(tái)。在dSPACE實(shí)時(shí)控制軟硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，給出了基于EMR的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電