電動汽車高效快響應電驅動系統(tǒng)控制策略研究.pdf

1、融多項高新技術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：一是通過變頻調速技術及其優(yōu)化控制技術實現(xiàn)“按需供能”，即在滿足電動汽車行駛所需車速、驅動力及動、靜態(tài)性能指標

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

3、此急需研究一種新型高性能變頻驅動系統(tǒng)控制策略，以滿足電動汽車對傳動系統(tǒng)快響應和高效率的要求。本文綜合應用最優(yōu)化理論和技術、電機控制理論和汽車理論深入研究電動汽車電驅動系統(tǒng)高效率快響應變頻驅動控制策略。顯而易見，該項研究不但對電機控制理論學科與眾多相關分支學科的發(fā)展具有重要的理論意義和學術價值，而且對我國發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的先進電動汽車技術和盡早實現(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動系統(tǒng)

4、關鍵技術：感應電動機變頻調速系統(tǒng)效率優(yōu)化、快速動態(tài)響應及電動汽車再生回饋制動等領域的控制技術現(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容及章節(jié)安排。 結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動系統(tǒng)的負載特征及驅動電機的工作區(qū)域特點；分析了電動汽車電驅動系統(tǒng)的功率流程及損耗；簡要介紹了基于DSP TMS320LF2407A的感應電機變頻調速實驗系統(tǒng)，為全文的工作奠定了基礎。 針對電動汽車用感應電機

5、勵磁電感一般較小，導致工作時鐵損增加從而不容忽略的問題。從三相靜止坐標系下的感應電動機物理模型入手，建立了考慮鐵損的感應電動機在同步旋轉坐標系下動態(tài)數(shù)學模型，給出了相應的等效電路圖，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，鐵損的存在導致按轉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矩輸出，即使在穩(wěn)態(tài)時也不再解耦。磁鏈和轉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、者存在的對應關系，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。對比仿真實驗結果表明，動態(tài)補償方案克服了標準矢量控制由于忽略鐵損而帶來的磁場定向及轉矩輸出不準確等缺陷，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電動機存在輕載低效致使續(xù)駛里程等性能指標下降的問題，研究了其效率

7、優(yōu)化控制策略。首先在分析感應電動機變頻調速系統(tǒng)效率優(yōu)化控制原理的基礎上，提出了一種基于電機損耗模型的感應電動機效率優(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問題：(1)感應電動機全工作區(qū)域內效率優(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備，尋優(yōu)速度較快，且尋優(yōu)過程中電磁轉矩和轉速較平穩(wěn)等優(yōu)點，在各種優(yōu)化方法中綜合性能最優(yōu)。 電動汽車電驅動系統(tǒng)要求寬調速范圍內轉矩響應迅速。首先結合感應電動機輸出轉矩和轉子磁鏈

9、表達式，分析了以弱磁為途徑改善感應電動機輕載低效問題的優(yōu)化運行對其動態(tài)響應速度的影響；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)響應以加速超車的特點，提出了一種適用于基頻以上的快速轉矩響應控制策略。根據(jù)動態(tài)過程中電壓限制的偏移調整分配電機的勵磁和轉矩電流，可以保證動態(tài)過程中的每一時刻轉矩輸出近似為最大值。突破了基于穩(wěn)態(tài)分析的最大轉矩控制策略在分析和解決動態(tài)過程轉矩輸出能力問題時的局限性。仿真和實驗結果表明，提出的控制策略可在動態(tài)中

10、提供較大的轉矩輸出，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)以及僅驅動輪的制動能量可以饋送直流側的特點，提出了一種結合感應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，然后應用效率優(yōu)化控制降低制動過程中電驅動系統(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