基于四端口机电能量变换器的混合动力系统的研究

摘要

四端口机电能量变换器(FPEMC)是一种具有两个电气端口和两个机械端口的多端口机电能量转换装置。与传统电机相比，它具有更多的能量变换方式，在混合动力汽车、风力发电系统、水下推进等需要进行机电能量转换的场合中具有很大的应用潜力。但是，四端口机电能量变换器并不是简单的两个电机的叠加，端口数目的增加使得变换器产生了许多复杂的问题，如动态控制问题、控制策略问题、磁场耦合问题等等，为传统电机设计与控制方法提出了许多挑战。
　　本文主要就感应式四端口机电能量变换器(IM-FPEMC)在混合动力汽车中的理论和应用问题展开研究，探索了IM-FPEMC内部磁场分布及磁场耦合规律，提出了合理的解耦方案，并就基于IM-FPEMC的混合动力系统建模方法，以及混合动力系统控制策略等理论和应用问题进行了研究。
　　为分析四端口机电能量变换器的磁场分布规律，解决多励磁源之间的磁场耦合问题，提出合理的解耦控制方案，并为变换器的动态控制奠定基础，本文通过建立IM-FPEMC变换器的等效磁路模型和有限元仿真模型，采用解析分析和磁场有限元分析两种方法，对IM-FPEMC内部磁场进行研究。得出结论，四端口机电能量变换器具有两个气隙磁场，内外电机磁场存在耦合，耦合大小与电机外转子轭部厚度、电机磁势大小、相位有关。电机结构上，可以通过增加外转子轭部厚度降低磁场耦合的影响；电机控制方法上，可通过控制内外电机的磁势相位角及调整励磁大小的措施，实现解耦控制。本文结合IM-FPEMC的磁场分布，给出了IM-FPEMC的动态解耦控制数学模型，为对IM-FPEMC的动态控制奠定了基础。
　　为解决IM-FPEMC在混合动力汽车上的应用问题，分析基于IM-FPEMC的混合动力系统各总成，特别是IM-FPEMC的工作特点，本文引入能量宏观表达法(EMR)对基于IM-FPEMC的混合动力系统进行分析和建模。通过EMR对混合动力系统建模，模型的能量流动情况变得更加清晰、直观，控制器结构和参数设计更加简单，更具条理化。根据IM-FPEMC混合动力系统的控制目标及内部能量的流动特点，本文选定了三条调节链，应用反转规则得到了相应的控制链，进行了速度控制器、电流控制器的结构和参数设计，为开发混合动力整系统控制策略，研究各总成的工作特点奠定了基础。该方法可用于同类复杂结构混合动力系统的建模和控制器设计。
　　为对基于IM-FPEMC的混合动力系统内部的能量流动进行优化管理，提高系统效率，获得最佳的燃油经济性，本文对基于IM-FPEMC的混合动力系统的能量控制策略进行了研究，对系统能量流进行了优化。研究了一种基于规则的功率跟随控制策略，并进行了Matlab仿真。结果表明，IM-FPEMC不仅能够满足整车的动力性能要求，而且可以优化发动机的工作区域，整车具有较好的燃油经济性，高速公路工况百公里油耗达到4.33L，城市工况百公里油耗达到4.87L，与传统车辆相比，燃油经济性分别提高了32％和23%。本文还对组成IM-FPEMC的两个电机的仿真数据进行了统计分析，得到了变换器的设计指标，给出了变换器的设计特点。
　　为对所做研究进行验证，本文对IM-FPEMC进行了实验测试。结果表明，外电机设计基本达到要求，而内电机设计则必须要对变换器的结构设计进行优化，并需考虑散热问题。实验结果与第2章有限元仿真结果基本吻合，验证了有限元仿真结果的正确性，也验证了IM-FPEMC变换器的磁场分布及磁场耦合规律的正确性。本文开发了基于DSP芯片的以车辆应用为背景的IM-FPEMC硬件控制平台。在dSPACE实时控制软硬件平台基础上，给出了基于EMR的感应电机控制系统具体实现方法，实现了感应电机控制。对基于IM-FPEMC的混合动力系统工作模式进行了实验研究，实现了控制策略的动态模拟，验证了基于 EMR建模的系统控制方案，以及本文所提出的控制策略的正确性和有效性。

目录

基于四端口机电能量变换器的混合动力系统的研究

Research on Hybrid Powertrain Based on Four Ports Electromechanical Converter

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外四端口机电能量变换器研究现状

1.2.1 利用机电能量转换多样性的四端口机电能量变换器研究概况

1.2.2 用于提高电机性能的多端口机电能量变换器研究现状

1.3 混合动力汽车控制策略的研究现状

1.3.1 基于规则的控制策略

1.3.2 基于系统优化的控制策略

1.4 本文的主要研究内容

第2章 感应式四端口机电能量变换器磁场耦合问题的研究

2.1 引言

2.2 感应式四端口机电能量变换器样机结构

2.3 基于等效磁路的磁场耦合机理分析

2.4 磁场的有限元仿真与分析

2.4.1 磁场分布的有限元仿真

2.4.2 磁场耦合成因及影响分析

2.5 磁场解耦方案探讨

2.5.1 变换器的数学模型

2.5.2 变换器解耦方案

2.6 本章小结

第3章 基于EMR的感应式四端口机电能量变换器混合动力系统建模

3.1 引言

3.2 感应式四端口机电能量变换器的工作原理

3.3 EMR概述

3.3.1 EMR建模

3.3.2 基于EMR模型的反转控制

3.4 基于IM-FPEMC的混合动力系统EMR建模

3.4.1 发动机、蓄电池和道路负载建模

3.4.2 电压源逆变器建模

3.4.3 IM-FPEMC建模

3.5 基于反转规则的EMR控制系统

3.5.1 调节链和控制链

3.5.2 EMR模型的反转

3.6 本章小结

第4章 四端口机电能量变换器混合动力系统控制策略的仿真研究

4.1 引言

4.2 混合动力汽车的正向和逆向仿真

4.3 IM-FPEMC混合动力系统的效率

4.4 IM-FPEMC混合动力系统的控制策略研究

4.4.1 基于动态规划理论的全局优化控制策略

4.4.2 基于规则的控制策略

4.5 仿真结果与分析

4.5.1 发动机及蓄电池工作特性的仿真分析

4.5.2 IM-FPEMC工作特性及工作点分布的仿真分析

4.5.3 IM-FPEMC混合动力系统的动力性与燃油经济性分析

4.6 本章小结

第5章 感应式四端口机电能量变换器驱动控制系统设计及实验研究

5.1 引言

5.2 IM-FPEMC测试系统

5.3 有耦合IM-FPEMC的实验研究

5.3.1 外特性及效率测试

5.3.2 磁场耦合研究

5.4 基于EMR的感应电机驱动控制系统的具体实现

5.4.1 基于EMR的感应电机实验方案

5.4.2 基于EMR的电机控制器设计方法

5.4.3 基于dSPACE的EMR控制方案实现

5.5 IM-FPEMC混合动力系统实验研究

5.6 IM-FPEMC控制系统硬件开发

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性说明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历