電動(dòng)汽車(chē)高效快響應(yīng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略研究.pdf

1、融多項(xiàng)高新技術(shù)于一體的電動(dòng)汽車(chē)具有無(wú)排放污染、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保和節(jié)能方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，正在引發(fā)一場(chǎng)世界汽車(chē)工業(yè)革命。迄今為止，續(xù)駛里程不足仍然是電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化發(fā)展的瓶頸，為了解決這個(gè)問(wèn)題，一方面必須開(kāi)發(fā)能量密度高的電池；另一方面，必須極大限度地提高其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，有效地利用有限的能量。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題可以從兩個(gè)方面入手：一是通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)“按需供能”，即在滿足電動(dòng)汽車(chē)行駛所需車(chē)速、驅(qū)動(dòng)力及動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)

2、的前提下，盡量減少電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入能量；另一個(gè)方面是當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)能合理、高效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能饋送回逆變器直流側(cè)并存儲(chǔ)于車(chē)載能量源中。 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由于具有體積小、重量輕、成本低、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率優(yōu)化方面的研究大多局限于以犧牲動(dòng)態(tài)響應(yīng)為代價(jià)來(lái)提高系統(tǒng)的效率，只能用于諸如風(fēng)機(jī)水泵等對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的負(fù)載，不能用于電動(dòng)汽車(chē)、機(jī)器人等要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。因

3、此急需研究一種新型高性能變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略，以滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)快響應(yīng)和高效率的要求。本文綜合應(yīng)用最優(yōu)化理論和技術(shù)、電機(jī)控制理論和汽車(chē)?yán)碚撋钊胙芯侩妱?dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效率快響應(yīng)變頻驅(qū)動(dòng)控制策略。顯而易見(jiàn)，該項(xiàng)研究不但對(duì)電機(jī)控制理論學(xué)科與眾多相關(guān)分支學(xué)科的發(fā)展具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對(duì)我國(guó)發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)和盡早實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化和高性能化具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 本文首先討論了電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4、關(guān)鍵技術(shù)：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)效率優(yōu)化、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及電動(dòng)汽車(chē)再生回饋制動(dòng)等領(lǐng)域的控制技術(shù)現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)及發(fā)展動(dòng)態(tài)，并指出本課題的主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排。 結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)行駛方程式和典型循環(huán)工況分析探討了電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特征及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作區(qū)域特點(diǎn)；分析了電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率流程及損耗；簡(jiǎn)要介紹了基于DSP TMS320LF2407A的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為全文的工作奠定了基礎(chǔ)。 針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用感應(yīng)電機(jī)

5、勵(lì)磁電感一般較小，導(dǎo)致工作時(shí)鐵損增加從而不容忽略的問(wèn)題。從三相靜止坐標(biāo)系下的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)物理模型入手，建立了考慮鐵損的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，給出了相應(yīng)的等效電路圖，并在MATLAB/Simulink中用S-函數(shù)實(shí)現(xiàn)了其仿真模型的搭建。經(jīng)分析，鐵損的存在導(dǎo)致按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的定子電流d、q軸分量都影響磁場(chǎng)建立和轉(zhuǎn)矩輸出，即使在穩(wěn)態(tài)時(shí)也不再解耦。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制量由定子電流d、q軸分量變?yōu)閯?lì)磁電流d、q軸分量。根據(jù)兩

6、者存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從通過(guò)控制定子電流來(lái)控制勵(lì)磁電流以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩輸出解耦控制的角度出發(fā)，提出了動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種補(bǔ)償方案。對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案克服了標(biāo)準(zhǔn)矢量控制由于忽略鐵損而帶來(lái)的磁場(chǎng)定向及轉(zhuǎn)矩輸出不準(zhǔn)確等缺陷，各項(xiàng)性能均令人滿意；穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償方案在磁場(chǎng)未建立起時(shí)性能稍差，但當(dāng)磁場(chǎng)建立起后可以實(shí)現(xiàn)與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案相似的控制效果，且其更易于實(shí)現(xiàn)。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在輕載低效致使續(xù)駛里程等性能指標(biāo)下降的問(wèn)題，研究了其效率

7、優(yōu)化控制策略。首先在分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)效率優(yōu)化控制原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于電機(jī)損耗模型的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率優(yōu)化控制策略，并綜合考慮電動(dòng)機(jī)在基頻以上所受電壓、電流限制，將其擴(kuò)展到高速區(qū)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性；然后探討了效率優(yōu)化控制具體實(shí)施中的相關(guān)問(wèn)題：(1)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)全工作區(qū)域內(nèi)效率優(yōu)化的磁通限制；(2)利用參數(shù)靈敏度分析的方法分析了電機(jī)參數(shù)變化對(duì)效率優(yōu)化控制精度的影響，并探討了利用電機(jī)參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)一步改善效率優(yōu)

8、化效果的可能性：(3)效率優(yōu)化控制啟動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能及效率：最后綜合分析了搜索法、最小定子電流法和損耗模型法等變頻調(diào)速系統(tǒng)效率優(yōu)化控制策略間的區(qū)別和聯(lián)系，表明幾種優(yōu)化算法各具特色。其中，基于電機(jī)損耗模型的優(yōu)化控制具有一定意義下的全局最優(yōu)，無(wú)需增加任何硬件設(shè)備，尋優(yōu)速度較快，且尋優(yōu)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速較平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在各種優(yōu)化方法中綜合性能最優(yōu)。 電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求寬調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。首先結(jié)合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈

9、表達(dá)式，分析了以弱磁為途徑改善感應(yīng)電動(dòng)機(jī)輕載低效問(wèn)題的優(yōu)化運(yùn)行對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的影響；然后針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在高速行駛中仍然需要有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以加速超車(chē)的特點(diǎn)，提出了一種適用于基頻以上的快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)控制策略。根據(jù)動(dòng)態(tài)過(guò)程中電壓限制的偏移調(diào)整分配電機(jī)的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩電流，可以保證動(dòng)態(tài)過(guò)程中的每一時(shí)刻轉(zhuǎn)矩輸出近似為最大值。突破了基于穩(wěn)態(tài)分析的最大轉(zhuǎn)矩控制策略在分析和解決動(dòng)態(tài)過(guò)程轉(zhuǎn)矩輸出能力問(wèn)題時(shí)的局限性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的控制策略可在動(dòng)態(tài)中

10、提供較大的轉(zhuǎn)矩輸出，減小了采用效率優(yōu)化控制對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高速運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的影響。提高再生能量回收和利用的效率是電動(dòng)汽車(chē)中低強(qiáng)度制動(dòng)過(guò)程研究的重要問(wèn)題。首先分析了電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)回饋原理、制動(dòng)模式、制動(dòng)系統(tǒng)基本要求及影響制動(dòng)能量回收的因素等問(wèn)題；利用典型城市工況制動(dòng)頻繁，且電動(dòng)汽車(chē)常處于輕載制動(dòng)狀態(tài)以及僅驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)能量可以饋送直流側(cè)的特點(diǎn)，提出了一種結(jié)合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)效率優(yōu)化控制和改進(jìn)制動(dòng)力分配方案的電動(dòng)汽車(chē)高效制動(dòng)能量回收控制策

11、略。在保證制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛方向穩(wěn)定性的前提下，盡量將制動(dòng)力分配到驅(qū)動(dòng)輪；在保證制動(dòng)強(qiáng)度的前提下，盡量使用電機(jī)再生制動(dòng)，然后應(yīng)用效率優(yōu)化控制降低制動(dòng)過(guò)程中電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行損耗。在電動(dòng)汽車(chē)仿真軟件ADVISOR中的對(duì)比仿真研究結(jié)果表明，是否啟動(dòng)再生制動(dòng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的能量利用率影響很大，且隨著改進(jìn)的制動(dòng)力分配方案及制動(dòng)區(qū)效率優(yōu)化控制等改善措施的加入，再生制動(dòng)能量的回收率均得到不同程度的提高；最后綜合本文提出的效率優(yōu)化和高效回饋制動(dòng)兩種電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)