Intelligent Power Management and Control Strategy for Hybrid Electric Vehicles Driven by Electric Variable Transmission Based on Permanent Magnet Electric Machines

摘要

本论文主要提出了一种针对由PMSM-EVT(即基于永磁同步电机的电气无级变速器)动力传动系驱动的混合动力汽车的模糊逻辑全局能量管理策略,使得PMSM-EVT动力传动系统相对于包括现有丰田Prius串-并联式结构在内的其它动力传动系统有更卓越的优势。所提出的智能策略可以完成有关行驶工况、行驶模式等外部信息和内燃机效率、电池荷电状态、作为EVT使用的动力传动系电机的类型和功率等级等内部状况的处理。
　　本论文首先进行了由基于永磁四端口机电能量变换器(PM-FPEMC)的EVT驱动的串-并联混合动力汽车的仿真。这种类型的汽车本质上来讲会越来越复杂。首先对其复杂性的认识是汽车模型的建立和应用,然后是整个系统的仿真。为完成该工作,利用能量宏观表达法(EMR)并在MATLAB-Simulink中实现了FPEMC的建模。在EMR的帮助下,EVT驱动的局部控制策略可以通过反转规则来推演。鉴于扩速的需要,FPEMC电机采用具有弱磁控制功能的磁场定向控制策略。
　　随后,进一步研究将PMSM-FPEMC动力传动系统作为EVT应用于串-并联混合动力汽车中以取代丰田混合系统(THS)中的传动装置。该研究任务分三步完成:首先,完成PMSM-EVT电机功率等级的具体计算;其次,研究采用弱磁控制策略实现组成EVT的两个电机的鲁棒矢量控制。最后,改善用于完成整车混合动力系统能量分离的基于规则的全局控制策略。由动态模型和控制器组成的混合动力汽车部件的总成模型则由EMR仿真工具实现。降低EVT电机和HEV系统中其它机器设备的功率等级是提高系统经济性和效率的重要方面之一。上述目标的实现通过两种不同循环工况的仿真结果加以验证;通过对瞬态过程的分析计算和仿真结果的分析,确定PMSM-FPEMC的额定、极限工作特性。最后,通过对比丰田Prius的实际数据验证了上述所得结果。结果表明,EVT的电机功率等级比Prius的永磁电机功率等级要小,并且,所研究系统相比Prius可在更重的道路负载下工作同时还具有理想的驾驶性能。
　　文中还提出了一种新型的应用于所研究HEV系统中实现功率流管理和转矩分配的控制策略。该策略结合了基于规则的功率跟随策略和模糊控制策略。根据该策略,分析了所研究的串-并联混合动力系统的所有运行模式下的不同结构。该策略的决策严格保证内燃机工作在其最大效率区,并能维持电池的荷电状态在其目标值附近和降低作为EVT用的两个电机的功率等级,实现基于PM-EVT的串-并联混合动力系统的所有工作模式。通过采用丰田Prius混合动力汽车的整车车身,内燃机,电池和其它控制参数,对比ADVISOR2002中丰田Prius模型进一步探讨了PM-EVT单元和所提出的RB-FLC能量管理策略的优越性能。
　　最后,文中提出了一种针对PMSM-EVT混合动力汽车的模糊逻辑能量管理控制策略。该研究工作从三方面展开。首先是内燃机和PMWM-EVT之间的功率分离的优化。其次是最大化制动过程中整车能量的回收。最后,采用鲁棒开关控制器以维持电池的荷电状态并调整内燃机的工作状态。上述目标通过三个模糊逻辑控制器来完成。这些控制器主要是基于电池的荷电状态,车速,总驱动转矩,和汽车的需求功率来设计的。对于所研究的HEV系统,通过对比采用THS传动方案和功率跟随控制策略的丰田Prius混合动力系统,对EVT传动系和所提出的能量管理策略加以验证。通过一个结合了正常行驶状况和极限行驶状况的长途循环工况对汽车的性能进行了分析。仿真结果表明,该全局控制策略在满足驾驶性能的条件下,可有效地将内燃机工作点控制在最高效率区,利用EVT电机对制动能量进行回馈并维持电池SOC。并且,这些章节还分析了传动系和能量管理策略对燃油消耗和排放性能的影响作用。通过对比具有固定能量回馈率的功率跟随策略检验了所提出的控制策略的作用。仿真结果显示,对汽车优越燃油经济性有重要影响的燃油消耗和尾气排放等性能得以大幅提高。