基于四端口機電能量變換器的混合動力系統(tǒng)的研究.pdf

1、四端口機電能量變換器(FPEMC)是一種具有兩個電氣端口和兩個機械端口的多端口機電能量轉換裝置。與傳統(tǒng)電機相比，它具有更多的能量變換方式，在混合動力汽車、風力發(fā)電系統(tǒng)、水下推進等需要進行機電能量轉換的場合中具有很大的應用潛力。但是，四端口機電能量變換器并不是簡單的兩個電機的疊加，端口數(shù)目的增加使得變換器產生了許多復雜的問題，如動態(tài)控制問題、控制策略問題、磁場耦合問題等等，為傳統(tǒng)電機設計與控制方法提出了許多挑戰(zhàn)。
　　本文主要就感應

2、式四端口機電能量變換器(IM-FPEMC)在混合動力汽車中的理論和應用問題展開研究，探索了IM-FPEMC內部磁場分布及磁場耦合規(guī)律，提出了合理的解耦方案，并就基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)建模方法，以及混合動力系統(tǒng)控制策略等理論和應用問題進行了研究。
　　為分析四端口機電能量變換器的磁場分布規(guī)律，解決多勵磁源之間的磁場耦合問題，提出合理的解耦控制方案，并為變換器的動態(tài)控制奠定基礎，本文通過建立IM-FPEMC變換器的等效磁路

3、模型和有限元仿真模型，采用解析分析和磁場有限元分析兩種方法，對IM-FPEMC內部磁場進行研究。得出結論，四端口機電能量變換器具有兩個氣隙磁場，內外電機磁場存在耦合，耦合大小與電機外轉子軛部厚度、電機磁勢大小、相位有關。電機結構上，可以通過增加外轉子軛部厚度降低磁場耦合的影響；電機控制方法上，可通過控制內外電機的磁勢相位角及調整勵磁大小的措施，實現(xiàn)解耦控制。本文結合IM-FPEMC的磁場分布，給出了IM-FPEMC的動態(tài)解耦控制數(shù)學模型

4、，為對IM-FPEMC的動態(tài)控制奠定了基礎。
　　為解決IM-FPEMC在混合動力汽車上的應用問題，分析基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)各總成，特別是IM-FPEMC的工作特點，本文引入能量宏觀表達法(EMR)對基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)進行分析和建模。通過EMR對混合動力系統(tǒng)建模，模型的能量流動情況變得更加清晰、直觀，控制器結構和參數(shù)設計更加簡單，更具條理化。根據(jù)IM-FPEMC混合動力系統(tǒng)的控制目標及內部能量的流動特

5、點，本文選定了三條調節(jié)鏈，應用反轉規(guī)則得到了相應的控制鏈，進行了速度控制器、電流控制器的結構和參數(shù)設計，為開發(fā)混合動力整系統(tǒng)控制策略，研究各總成的工作特點奠定了基礎。該方法可用于同類復雜結構混合動力系統(tǒng)的建模和控制器設計。
　　為對基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)內部的能量流動進行優(yōu)化管理，提高系統(tǒng)效率，獲得最佳的燃油經濟性，本文對基于IM-FPEMC的混合動力系統(tǒng)的能量控制策略進行了研究，對系統(tǒng)能量流進行了優(yōu)化。研究了一種基于

6、規(guī)則的功率跟隨控制策略，并進行了Matlab仿真。結果表明，IM-FPEMC不僅能夠滿足整車的動力性能要求，而且可以優(yōu)化發(fā)動機的工作區(qū)域，整車具有較好的燃油經濟性，高速公路工況百公里油耗達到4.33L，城市工況百公里油耗達到4.87L，與傳統(tǒng)車輛相比，燃油經濟性分別提高了32％和23%。本文還對組成IM-FPEMC的兩個電機的仿真數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，得到了變換器的設計指標，給出了變換器的設計特點。
　　為對所做研究進行驗證，本文對

7、IM-FPEMC進行了實驗測試。結果表明，外電機設計基本達到要求，而內電機設計則必須要對變換器的結構設計進行優(yōu)化，并需考慮散熱問題。實驗結果與第2章有限元仿真結果基本吻合，驗證了有限元仿真結果的正確性，也驗證了IM-FPEMC變換器的磁場分布及磁場耦合規(guī)律的正確性。本文開發(fā)了基于DSP芯片的以車輛應用為背景的IM-FPEMC硬件控制平臺。在dSPACE實時控制軟硬件平臺基礎上，給出了基于EMR的感應電機控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了感應電