電動汽車高效快響應(yīng)電驅(qū)動系統(tǒng)控制策略研究.pdf

1、融多項高新技術(shù)于一體的電動汽車具有無排放污染、噪聲低等優(yōu)點，在環(huán)保和節(jié)能方面具有不可比擬的優(yōu)勢，正在引發(fā)一場世界汽車工業(yè)革命。迄今為止，續(xù)駛里程不足仍然是電動汽車商業(yè)化發(fā)展的瓶頸，為了解決這個問題，一方面必須開發(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)動系統(tǒng)的效率，有效地利用有限的能量。對于第二個問題可以從兩個方面入手：一是通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)“按需供能”，即在滿足電動汽車行駛所需車速、驅(qū)動力及動、靜態(tài)性能指標(biāo)

2、的前提下，盡量減少電驅(qū)動系統(tǒng)的輸入能量；另一個方面是當(dāng)電機處于制動狀態(tài)時能合理、高效地將機械能轉(zhuǎn)化為電能饋送回逆變器直流側(cè)并存儲于車載能量源中。 感應(yīng)電動機由于具有體積小、重量輕、成本低、免維護等優(yōu)點，在電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前的感應(yīng)電動機變頻驅(qū)動系統(tǒng)效率優(yōu)化方面的研究大多局限于以犧牲動態(tài)響應(yīng)為代價來提高系統(tǒng)的效率，只能用于諸如風(fēng)機水泵等對動態(tài)性能要求不高的負載，不能用于電動汽車、機器人等要求快速響應(yīng)的場合。因

3、此急需研究一種新型高性能變頻驅(qū)動系統(tǒng)控制策略，以滿足電動汽車對傳動系統(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)、電機控制理論和汽車理論深入研究電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)高效率快響應(yīng)變頻驅(qū)動控制策略。顯而易見，該項研究不但對電機控制理論學(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)價值，而且對我國發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進電動汽車技術(shù)和盡早實現(xiàn)電動汽車的產(chǎn)業(yè)化和高性能化具有重大的現(xiàn)實意義。 本文首先討論了電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)

4、關(guān)鍵技術(shù)：感應(yīng)電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)效率優(yōu)化、快速動態(tài)響應(yīng)及電動汽車再生回饋制動等領(lǐng)域的控制技術(shù)現(xiàn)狀、研究熱點及發(fā)展動態(tài)，并指出本課題的主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排。 結(jié)合電動汽車行駛方程式和典型循環(huán)工況分析探討了電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的負載特征及驅(qū)動電機的工作區(qū)域特點；分析了電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的功率流程及損耗；簡要介紹了基于DSP TMS320LF2407A的感應(yīng)電機變頻調(diào)速實驗系統(tǒng)，為全文的工作奠定了基礎(chǔ)。 針對電動汽車用感應(yīng)電機

5、勵磁電感一般較小，導(dǎo)致工作時鐵損增加從而不容忽略的問題。從三相靜止坐標(biāo)系下的感應(yīng)電動機物理模型入手，建立了考慮鐵損的感應(yīng)電動機在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下動態(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)子磁場定向矢量控制的定子電流d、q軸分量都影響磁場建立和轉(zhuǎn)矩輸出，即使在穩(wěn)態(tài)時也不再解耦。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制量由定子電流d、q軸分量變?yōu)閯畲烹娏鱠、q軸分量。根據(jù)兩

6、者存在的對應(yīng)關(guān)系，從通過控制定子電流來控制勵磁電流以實現(xiàn)電動機磁通和轉(zhuǎn)矩輸出解耦控制的角度出發(fā)，提出了動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種補償方案。對比仿真實驗結(jié)果表明，動態(tài)補償方案克服了標(biāo)準(zhǔn)矢量控制由于忽略鐵損而帶來的磁場定向及轉(zhuǎn)矩輸出不準(zhǔn)確等缺陷，各項性能均令人滿意；穩(wěn)態(tài)補償方案在磁場未建立起時性能稍差，但當(dāng)磁場建立起后可以實現(xiàn)與動態(tài)補償方案相似的控制效果，且其更易于實現(xiàn)。針對電動汽車用感應(yīng)電動機存在輕載低效致使續(xù)駛里程等性能指標(biāo)下降的問題，研究了其效率

7、優(yōu)化控制策略。首先在分析感應(yīng)電動機變頻調(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損耗模型的感應(yīng)電動機效率優(yōu)化控制策略，并綜合考慮電動機在基頻以上所受電壓、電流限制，將其擴展到高速區(qū)，仿真和實驗結(jié)果驗證了控制策略的有效性；然后探討了效率優(yōu)化控制具體實施中的相關(guān)問題：(1)感應(yīng)電動機全工作區(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參數(shù)變化對效率優(yōu)化控制精度的影響，并探討了利用電機參數(shù)變化規(guī)律進一步改善效率優(yōu)

8、化效果的可能性：(3)效率優(yōu)化控制啟動過程中的動態(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，基于電機損耗模型的優(yōu)化控制具有一定意義下的全局最優(yōu)，無需增加任何硬件設(shè)備，尋優(yōu)速度較快，且尋優(yōu)過程中電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速較平穩(wěn)等優(yōu)點，在各種優(yōu)化方法中綜合性能最優(yōu)。 電動汽車電驅(qū)動系統(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)電動機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈

9、表達式，分析了以弱磁為途徑改善感應(yīng)電動機輕載低效問題的優(yōu)化運行對其動態(tài)響應(yīng)速度的影響；然后針對電動汽車在高速行駛中仍然需要有較快的動態(tài)響應(yīng)以加速超車的特點，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)動態(tài)過程中電壓限制的偏移調(diào)整分配電機的勵磁和轉(zhuǎn)矩電流，可以保證動態(tài)過程中的每一時刻轉(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態(tài)過程轉(zhuǎn)矩輸出能力問題時的局限性。仿真和實驗結(jié)果表明，提出的控制策略可在動態(tài)中

10、提供較大的轉(zhuǎn)矩輸出，減小了采用效率優(yōu)化控制對電動汽車高速運行時動態(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汽車中低強度制動過程研究的重要問題。首先分析了電動汽車再生制動回饋原理、制動模式、制動系統(tǒng)基本要求及影響制動能量回收的因素等問題；利用典型城市工況制動頻繁，且電動汽車常處于輕載制動狀態(tài)以及僅驅(qū)動輪的制動能量可以饋送直流側(cè)的特點，提出了一種結(jié)合感應(yīng)電動機再生制動效率優(yōu)化控制和改進制動力分配方案的電動汽車高效制動能量回收控制策

11、略。在保證制動過程中車輛方向穩(wěn)定性的前提下，盡量將制動力分配到驅(qū)動輪；在保證制動強度的前提下，盡量使用電機再生制動，然后應(yīng)用效率優(yōu)化控制降低制動過程中電驅(qū)動系統(tǒng)的運行損耗。在電動汽車仿真軟件ADVISOR中的對比仿真研究結(jié)果表明，是否啟動再生制動對電動汽車的能量利用率影響很大，且隨著改進的制動力分配方案及制動區(qū)效率優(yōu)化控制等改善措施的加入，再生制動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)化和高效回饋制動兩種電動汽車電驅(qū)