毕业论文-基于FSPM的混合动力汽车研究=.docx

东南大学本科生毕业设计论文东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名： 日期： 年 月 日东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 使 用 授 权 声 明东南大学有权保留本人所送交毕业（设计）论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学教务处办理。论文作者签名： 导师签名： 日期：年 月 日 日期： 年 月 日 摘 要随着城市化的发展，私家车数量逐渐增多，城市交通日益拥挤，进而导致城市中的汽车在运行过程中需要反复起动。传统汽车所使用的气缸式发动机必须保持在额定转速范围之内方能提供较高的效率，而车轮与发动机的机械耦合使发动机速度不断变化才能适应汽车调速需求，因此发动机无法保持较高的运行效率。针对传统汽车气缸式发动机的缺点以及汽车尾气对环境污染的问题，混合动力汽车与电动汽车日益受到人们的关注。混合动力汽车不仅具有传统内燃机车续航里程高的特点，而且具有纯电动汽车起动特性好，环境污染小的优点。本文设计了混合动力汽车驱动系统，建立了混合动力汽车驱动系统模型，分析了不同工况下混合动力汽车运行特性。主要研究内容如下：1 本文分析了发动机模型，发动机效率与转速关系以及在混合动力中关于发动机的控制方案，并确立本文中发动机的主要运行状态以及控制方式。2 本文分析了串联电耦合式、并联电耦合式、混联电耦合式以及复合式混合动力驱动系统的工作原理及运行特性，并确定了本文所设计的驱动系统的能量传递方式为串联式。3 本文分析了FSPM电机电压转矩数学模型，并利用Matlab/Simulink建立了混合动力汽车驱动系统，包括磁通切换永磁(FSPM)电机及电机驱动模块、内燃机发电机模块、电池模块以及控制模块等。4 本文仿真分析了混合动力汽车的起动特性、不同速度下运行特性以及发动机停机运行特性等，同时深入研究各种情况下最优运行方案，各能量源运行情况分析以及车辆性能分析。关键字：混合动力汽车驱动系统 FSPM电机 最优运行方式Abstract With the development of urbanization, gradually increasing number of private cars, the growing urban traffic congestion, leading to the citys car during the operation requires repeated start. Traditional cylinder engine used in automobiles must be kept within the range of the rated speed is able to provide a higher efficiency of the engine is mechanically coupled to a wheel speed of the engine in order to adapt to changing needs of automobile speed , the engine cant maintain a high operating efficiency. For the traditional automotive cylinder engine and automobile exhaust on the shortcomings of environmental pollution, electric vehicles, hybrid vehicles and increasing peoples attention. Not only has the traditional hybrid vehicles with high mileage diesel locomotive features, but with a pure electric car starting characteristics of a good, little environmental pollution advantages. This thesis presents a hybrid vehicle drive system, the establishment of a hybrid electric vehicle drive system model to analyze the operating characteristics of the different conditions of hybrid cars. The main contents are as follows:1 . The engine model, engine efficiency and speed control programs about the hybrid control system are analyzed. The main operating status and control methods are established in this thesis.2 . The electrically coupled in series, parallel electrically coupled, hybrid electric coupling type and working principle and operating characteristics of composite hybrid drive system and identified herein drive system designed for the tandem mode of energy transfer are analyzed in this thesis.3 . The torque of the motor voltage FSPM mathematical model is analyzed in his thesis and a hybrid vehicle drive system, including switching flux permanent magnet (FSPM) motors and motor drive module, the internal combustion engine generator module, battery module and the control module are designed using Matlab / Simulink.4 . The simulation of hybrid vehicles starting characteristics , operating characteristics at different speeds and operating characteristics of the engine shutdown etc. are analyzed in this thesis. While in-depth study of the best run programs under a variety of circumstances , the operation of each energy source and vehicle performance are designed.Key words：Hybrid FSPM Gasoline Energy managementIV目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章绪论11.1引言11.2国内外新能源汽车的发展现状11.2.1国外新能源汽车发展现状11.2.2国内新能源汽车发展现状21.3研究目的和意义21.4本章小节3第2章混合动力汽车驱动系统工作原理42.1内燃机工作原理42.2混合动力驱动系统工作原理52.3混合动力汽车驱动系统设计72.4本章小节8第3章混合动力汽车驱动系统设计93.1Matlab Simulink平台介绍93.2电机及电机驱动部分设计93.3内燃机发电机部分设计133.4电池部分变压设计143.5控制部分设计143.6各部分设计数据183.6.1综合设计参数183.6.2汽车运行阻力计算193.7本章小节20第4章混合动力汽车驱动系统运行特性分析214.1起动性能分析214.2发动机起动性能分析214.2.1低速充电分析214.2.2中速充电分析234.2.3高速共同驱动分析254.2.4发动机停机性能分析264.3本章小节28第5章总结与展望295.1全文总结295.2课题展望295.2.1内燃机控制优化295.2.2整流以及逆变优化295.2.3充放电算法优化30致谢31参考文献32附录 S-Functions代码33第1章 绪论1.1 引言近些年来经济发展带来的收入水平提高，大量普通民众有能力购买私人轿车，就我国情况来看，私家汽车数量近几年数量增加迅速1。随之带来的环境压力日益明显，因私家轿车的增多，导致城市拥堵情况十分常见。大量汽车拥堵的结果是，在堵车过程中为了保证起动性能，司机一般不会将发动机关闭，而是保持发动机空转，一旦可以前进，内燃机再次加速。内燃机反复起动加减速致使汽油的燃烧效率变得很低。发动机的最佳运行点一般要求转速较高，接近发动机的最大转速，同时要求输出功率接近于最大输出功率的80%7。为了能满足汽车不同的运行情况，所以发动机最大功率一般设置都相对较大。一般汽车都是可以满足160km/h的运行速度，那么最佳的运行速度应该是130km/h左右，但是这与通常的运行情况明显不符。这就造成了一般的汽车运行时大部分时间与最优运行点偏离极大。对于在高速公路运行的汽车来说，因为发动机大量时间处于较高转速范围内，所以油耗要比城市中运行的汽车低得多，这也是为什么汽车开到中高速省油的原因。但是对于大多数的家庭与商务用车来说，城市中运行的时间要远远多于在高速公路上的运行时间，所以传统汽车的运行效率在油料燃烧层面上是有提升空间的。混合动力理论提出的时间很早，19世纪就有混合动力的原型制造出来1。早期电池与发电设备主要是为了续航内燃机车，但是不久技术工作者就发现，增加的发电机电动机及电池所带给汽车的重量负荷成本要大于其所带来的效益。即对于汽车来说，其电池电动机增加的重量使电池无法增加汽车的续航能力，唯一的好处只是增加了汽车的起动能力，但是后期随着内燃机车技术的前进，这一优势也荡然无存。近些年来，电机控制技术以及电池技术的进步，和日渐严重的石油危机使混合动力又有了其存在的舞台。使用先进电机、电池技术的混合动力机车能保持油料的充分燃烧，降低油耗，降低不完全燃烧带来的污染。同时纯电池的起动方式也降低了起动时间。现在世界许多汽车制造公司都有了混合动力的研发与混合动力车型的发布。虽然相对价格仍然高于同等性能的内燃机车，但是随着研发的进步，与政府主导的关于环境保护的方针，混合动力汽车必将成为工业界重要的前进方向。1.2 国内外新能源汽车的发展现状1.2.1 国外新能源汽车发展现状目前，丰田公司是混合动力汽车领域的主要开拓者。并取得一定成绩。丰田公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车普锐斯一代，该轿车于2000年7月开始出口北美洲，同年9月开始出口欧洲4。普锐斯在达成高水平的燃油经济性和环保性能的前提下，保持了出色的动力性和舒适性。普锐斯的正式上市标志以混合动力汽车为代表的新一轮汽车研发竞争的开始。为保持领先地位，丰田公司加大了对混合动力的研究。其于2004年所生产的普锐斯二代，2010年推出的普锐斯三代在油耗量相比传统汽车降低40%以上。三代普锐斯进步明显，油耗逐步降低。同时奔驰、BMW、雪佛兰均有相关车型提出。综合市场情况，尤以丰田普锐斯的市场反应最为良好。其油耗相对于传统车辆能在保持运行舒适性能上降低约50%。1.2.2 国内新能源汽车发展现状伴随着混合汽车领域国际化大变革、大发展，未来的五年将是电动汽车研发与产业化的战略机遇期。在“十二五”期间，国家科技计划将加大力度，持续支持电动汽车科技创新，把科技创新引领与战略性新兴产业培育相结合，并将组织实施一系列电动汽车科技发展专项规划。经过过去的两个五年的发展，在国家和地方政府的双重支持下，一大批汽车企业都推出了自己的电动汽车发展重大专项，并相继建立自己的电动汽车研发中心。如一汽、二汽、奇瑞、江淮和比亚迪等汽车企业在混合动力汽车方面取得了非常大的进步。每个企业几乎都已经推出自己开发的混合动力汽车，正在为完善汽车性能和规模化生产做准备。国内混合动力汽车值得介绍的产品为比亚迪“秦”系列车型，其为比亚迪混合动力的主推产品。纯电动情况下可以运行70公里，价格较为低廉。1.3 研究目的和意义混合动力汽车的最早历史可以追溯到1899年。在法国巴黎的美术展览馆，由比利时的Lige与Pieper研究院和法国的Vendovelli与Priestly 电动车公司分别制造的1。Pieper电动车是一辆并排式的混合动力电动汽车，他装有一台电动机和铅蓄电池辅助的小型空冷汽油发动机。但是当时所设计的混合动力主要是为内燃机做辅助设备。在汽车起动时，提供起动助力，或者是辅助功率偏小的内燃机增加汽车的续航里程。但是随着汽油内燃机的发展，发动机变的更加有效，容量更小，效率更高。所以混合动力汽车研究逐渐停止。然而最近石油化石能源市场的不稳定，和对环境保护的要求激发人们对于混合动力的兴趣，且电力电子技术的发展与电机控制技术的发展也为高效控制混合动力提供了现实的技术可能。混合动力的主要研究目的就在于在保证汽车运行性能的前提下，尽最大可能的降低油耗率。提高燃油效率的方法主要有以下几种。第一在于提高液体燃料在气缸中的燃烧效果。内燃机的燃烧效率就现在研究状况来看，基本已经达到极限。且其燃烧的最大效率点对于转速和气门的要求十分苛刻。这也是混合动力可以存在的意义的基础。对于传统汽车，仅有一个能量源，所以控制相对简单。但是对于混合动力，多能量源所带来的第一个问题就是，能量源的配合使用怎样才能达到较高的效率，使用电机作为驱动的汽车是可以不使用传动系统，或者采用恒变比传动系统。但是电池的充电损耗以及电池寿命也影响着汽车的综合性价比。对于混合动力汽车的研究而言，这是一个多变量，多耦合的非线性系统4。进入21世纪，环境污染已经是各国所要面对的最为重要的问题之一。其中大气污染的罪魁祸首就是化石能源的不完全燃烧带来的各种污染物。对于化石能源，在完全燃烧下只会生成对无害的二氧化碳与水。但是不完全燃烧就会产生各种有害烃类以及烷类。对于一般的燃烧过程，其完全燃烧是很容易得到的。但是对于内燃机这种特殊的构造，加减速的调整过程会使汽油会发生较多不完全燃烧现象，进而污染环境，增加出行成本。混合动力的基本特点就是内燃机的燃烧效率极高，各种混合动力的设计基本原则就是尽可能保证内燃机处于最高效率运行点。其中混联式的运行基本出于较高的运行线上（图2-1虚线），本文所仿真研究的串联式，发动机除了起动与停止过程，其他一律运行在最高效率点。这是其发动机效率高的根本原因。当然不可否认，对于混合动力汽车，因为能量的多次循环传输与储存会造成能量的损失。综合评价传输与能量损失后，得到的结果是混合动力仍然能保持较高效率的运行效果，如日本丰田公司的Prius三代产品均实现了相比与传统车辆极大的节油特性。1.4 本章小节本章主要分析了环境污染与化石资源的双重压力4，使人们逐渐将未来汽车的前进方向设定为混合动力。并说明了传统汽车的高油耗产生的原因，并从原理上给出了混合动力能降低油耗的基本原理，即保持发动机高效率燃烧。对于发动机输出功率与实际消耗不功率不匹配的问题，采用电池存储来解决。同时列举出了当前世界上主流的汽车公司所生产的混合动力汽车，以及其市场销售情况。39第2章 混合动力汽车驱动系统工作原理2.1 内燃机工作原理内燃机俗称发动机，指使用液体燃料燃烧产生输出转矩的设备，其输出转矩来源于气缸内汽油或柴油的燃烧。燃烧后的气体推动气缸传动轴，进而推动输出轴旋转。汽油的燃烧完全度，油门的大小都影响着输出转矩，所以内燃机的输出功率与气门、发动机转速均相关。一般情况下气门开放大小和发动机转速在额定转速以下与输出功率呈正相关，但是燃烧的随机性使一般情况下是不容易给出其解析表达式的。对于这个问题，已经有大量文献进行分析。一般来说对于最普遍的斯特林发动机1，对于发动机的各个运行点的油耗，通过数值运算可以得到图2-1图2-1 各转速下油耗与输出功率如图2-1所示，发动机的输出效率随着转速与气门变化，横坐标为发动机转速，纵坐标为发动机输出功率，单位为kW。图像中每个点代表着一个确定的输出功率与一个确定的油耗。连接相同的油耗点，可以画出如图中的类似椭圆的图像。椭圆上标注的大小，为在这条曲线上的油耗大小。图中水平直线与曲线的交点为发动机2200rpm时，输出功率为40kW，这时的油耗是275g/kwh1。那么对于一台运行的汽车，最基本的要求是使发动机在单位油料下，输出较多的功率。那么就要求发动机运行在图2-1中最小的运行圆内，即图2-1中油耗为255g/kWh。同时可以观察到，对于发动机来说，最高的油耗比，并不在最大功率或者最大气门输出。最优功率运行时，气门与输出功率大概在最大的数值的80%2。观察最大气门功率，还可以看到，发动机的输出功率在未达到最大功率前是与转速呈现正向关的，即转速越高，最大输出功率越大。这也导致了，发动机起动的时间要远远长于电机。因为发动机转速较低时，即使保持满气门，也无法提高较多输出功率。传统汽车为保证运行的高效性，通常的方法为在未松离合时，首先将发动机升速至额定较高速。然后采用小档位大传动比，降低到较低输出转速。如果汽车有调速需求，首先要切换至相应档位。这样才能保证发动机在额定较小的范围内运行，提高发动机效率。这种运行方式，在长期高速运行下具有较大优势，因为长期高速时，发动机能维持在上图最小的油耗运行圆内。但是在城市中行驶汽车时，因车辆拥堵与交通信号灯汽车必须反复的刹车起动，且大部分情况下，汽车是无法提高至优良运行速度的。这就导致了汽车高油耗，同时浪费的大量输出容量。一些高档汽车现在添加无级传动装置，尽管在理论上无级传动装置是可以保持发动机可以运行在最优转速上。但是因为缺少蓄电池的能量缓冲，所以汽车在低速运行下，油耗仍然会较大。因为低速时，输出功率较小，虽然传动装置的加入可以使发动机速度较高。但是在图2-1中可以观察到，高转速，低输出功率的发动机仍然处在油耗较大的运行点。且无级传动装置本身价格较为昂贵，间接的增加车辆生产成本。2.2 混合动力驱动系统工作原理针对2.1节中所提出的传统汽车的油耗较高问题，混合动力因此提出1。混合动力在能量来源上可以分为插电式与非插电式。本文主要讨论非插电式，其主要设计思想为，保持发动机尽最大可能运行在最优运行点。即图2-1中最优运行点，油耗255g/kwh，但是不同的路况与加减速需求使汽车电动机的输入能量是一个随机数据，为了保持发动机的最优运行，需要蓄电池对多余的能量进行储备。在发动机能量不足的时间，还可以加入电池共同驱动。混合动力的能量传递方式有很多结构，比如蓄电池也可以直接驱动电动机。发动机也可以在静止情况下只对电池充电。驱动电机也可以在停车情况下对电池进行回馈充电。综合各种结果，分析如图 221。图 22 能量流动图动力系（2）（双向）动力系（1）（单向）负载能量系2能量系1能量转化器（1）能量转化器（2）（1） 能量源（1）单独向负载提供能量（2） 能量源（2）单独向负载提供能量（3） 能量源（1）和能量源（2）都向负载提供能量（4） 能量源（2）从负载处获得能量（再生自动）（5） 能量源（2）从能量源（1）获得能量（6） 能量源（2）从能量源（1）和负载处同时获得能量（7） 能量源（1）同时向负载与能量源（2）提供能量（8） 能量源（1）向能量源（2）提供能量，同时能量源（2）向负载提供能量（9） 能量源（1）向负载提供功率，同时负载向能量源（2）提供能量以上所提出的各种能量传递方式，其实有些能量传递方式是不可能用到的。比如传递方式（9）。有些方式虽然有理论的可行性，但是相较于其他能量传递方式有先天的技术壁垒或者能量效率较低。因此形成了图2-3-ad 4种基本的连接方式，这也代表着社会上主流的混合动力汽车所使用的汽车构造形式。传动装置燃油箱发电机内燃机电耦合电动机蓄电池图 23-a 串联式图2-3-a代表的是串联电耦合式，内燃机驱动一个发电机产生三相交流电，经过不可控整流与滤波环节与电池总线耦合进而驱动电机。电机输出由传动装置驱动轮胎运行，可进行的运行方式包括：电池驱动电动机、内燃机驱动发电机进行整进而驱动电动机、内燃机直接给电池充电、内燃机同时给电池与驱动电机供电、驱动电机运行在发电机模式给电池充电。蓄电池燃油箱内燃机变换器电动机传动装置机械耦合器 图 23-b 并联式图2-3-b称为传统意义上的并联式的驱动构造。这一构造中，机械耦合器中的两个机械功率被相加在一起。内燃机是其基本能源设备，而蓄电池组和电驱动装置组成能量缓冲器。燃油箱发电机内燃机电耦合传动装置电动机蓄电池机械耦合器图 23-c 混联式图2-3-c为传统意义上的混联式混合动力电驱动系的构造。这一够早的明显特征是使用两个功率耦合器机械和电气的耦合。其中机械的耦合器使用的是行星齿轮结构。燃油箱发电机电动机内燃机传动装置电动机蓄电池机械耦合器变换器变换器图 23-d 复合式图2-3-d是复合式混合动力电驱动系的构造，他具有与混联式相类似的结构。唯一的差异在于电耦合功能由功率变换器转移到蓄电池组，并且在电动机/发动机组和蓄电池组之间加入了一个功率变换器。并联式、混联式、复合式内燃机车控制目标是使内燃机运行在图2-1的虚线上。本文所研究的串联式是保持内燃机运行在最优的油耗点上。对于前三种方式虽然汽油的燃烧效率没有串联式的油耗高，但是内燃机与传动轴的直接耦合避免了因发电机电池系统多级能量转化带来的能量损耗1。除了能量传递效率方面，前三种要使用行星齿轮作为能量分离器，串联式不需要使用。在控制方法方面因为串联式中内燃机保持额定运行状况，所以控制方法相对简单，前三种方式，内燃机的运行路径在效率图2-1上的一条最优运行曲线，所以控制方法相对复杂一些。图 24转速消耗功率对照图2-4为相应汽车运行速度的输出功率图，观察图2-4，当汽车达到额定设置的160km/h时汽车的输出功率要达到4.195104w，加上传动损耗及燃烧发热损耗，对于一辆最大车速为160km的汽车，气缸的额定功率至少要大于50kw11。图 25 EPA-FTP75循环消耗功率图2-5是美国能源部给出的城市车辆运行的速度时间曲线，基本能代表城市运行的一般情况，已被业界所接受，作为测试汽车城市性能的数据。如图2-5中数据，汽车的大部分运行速度小于60km/h，而且起动与停止十分频繁。对于汽车的大部分运行情况来说，内燃机的巨大容量是浪费的，增加了汽车的生产成本。但是因为少数时间的高速运行，所以要将内燃机容量提升至常规使用的数倍。混合动力的出现完美的解决了这个问题，因为机车本身含有两个能量源，所以在高速行驶时可以由这两个能量源共同提供能源，当然双能源提供的时间有一定的限制，不过考虑本身其高速运行时间也不会很长，所以这种方法也满足了要求。在低速运行情况时，只需要电池提供能量，或者在电池能量较低情况下，由发动机一边充电，一边驱动车辆电机运行行。这是混合动力运行一大优点。2.3 混合动力汽车驱动系统设计电机负载MRE+-560V+-I1I3I2图 26 等效电路等效电路分析如图2-6，E代表整流出的直流空载电势，R代表整流内阻，560V受控源代表电池。I1代表总线电流，I2代表电机负载电流。电池总线电压被设置为恒定，所以对于发电机输出侧，连接的为一恒定电压源。对于额定的发动机转速，在励磁电压一定的情况下，其电路的空载电动势、内阻一定。因为发动机输出功率只有在某一确定值时，才能保证其高效运行效率。那么既然空载电动势确定，根据焦耳定理，只要保证输出电流稳定，即可保证输出功率稳定。只要电池保持输出段电压稳定，那么流入主线的电流I1，负载电流I2I1=(E-U)/R(1-1)流入电池的电流I3I3=I1-I2(1-2)发动机功率PP=EI1(1-3)这样就可以保证发动机的功率稳定，因为本次设计发动机保持在额定转速，所以发动机气门可以保持恒定值，如图2-1，综合分析计算励磁电压，即可改变空载电动势，进而调整发动机到最优运行点。在起动发电机后，汽车转速过低时，相当于电机负载较小，那么流入负载的电流I2也较小，即I20，这是发动机的电流一部分流入电池，一部分流入电机。即实现了发动机一边驱动电机，一边给电池充电。对于中速状态，I1=I2，此时电池既不充电，也不放电发电机与电池共同给电机供电。对于高速状态，此时I2I1，此时电池与发动机共同给电动机供电。2.4 本章小节本章首先分析了传统内燃机的效率曲线，点明内燃机的高油耗率产生的原因。以及混合动力存在的优势。然后进行本次设计的综合设计，及采用纯电耦合的串联式混合动力设计。最后给出了串联式混合动力的设计的控制方案。并分析了控制原理，并初步提出了适合的控制方案第3章 混合动力汽车驱动系统设计3.1 Matlab Simulink平台介绍Matlab平台为美国MathWorks公司所生产的数学软件包含Matlab、Simulink、Ployspace三个部分。本次仿真采用Simulink平台仿真模型6。Simulink提供大量可以直接使用的模型，除了常用的信号处理部分本次仿真还使用了SimPowerSystem、SimDriveline另外两个工具箱。其中SimPowerSystem主要仿真对象为一些电气变量，可以仿真本设计使用的电池、发电机、电池模块。SimDriveline主要仿真对象为一些机械结构。Simulink可视化的编程结构使用户可以直观操作模块，并可以排列为实际的运行结构，极大的提高了编程效率。特别需要提出的是，对于能量管理方案，需要对于总线气门充电进行较为复杂的控制。本次设计还使用了用户自定义模块，使用S-Function函数方式进行程序控制。Simulink提供自定义控制方式的编写。举个例子来讲，Simulink只能将一些系统原先设定的模块连接运行，对于复杂的控制部分，如果只使用那些基本的控制模块，那么将会使整个Simulink模型极端复杂。而自定义模块的提出完美的解决了这一问题。自定义模块提供Matlab Script、Fortan、C语言的编程方式。本文采用Matlab/Simulink建立了混合动力汽车驱动系统，包括磁通切换永磁(FSPM)电机模块、FSPM电机驱动模块、内燃机发电机模块、电池模块以及控制模块等。3.2 电机及电机驱动部分设计本次驱动电机选用一个磁通切换型永磁同步电机（FSPM）3。磁通切换型永磁同步电机一种新型无刷结构的定子永磁型双凸极电机，克服了传统转子永磁型电机的诸多缺点，具有较好的应用前景。近些年提出的矢量控制技术又为FSPM的调速提供坚实的理论基础。FSPM是一种定子永磁型电机，转子没有电枢绕组或者永磁体。电机通过定转子的位置变换改变定转子间的磁通。进而达到驱动电机运动的效果，同时定子的聚磁效果能增加气隙的磁通密度，有助于提高电机的功率密度。FSPM的基本调速方法表述如下，三相对称的定子电流会形成一个圆形的旋转定子磁场，该磁场的旋转速度与转子的旋转速度相同。直接对三相定子电流或者三相定子电压控制，因为自感与互感呈现周期性变化，所以其控制方程极其复杂。上个世纪美国工程师Park提出Park变换5。Park变换可以将三相静止坐标系转化为两相转子坐标系上，通过控制交直轴电流就可以控制FSPM的转矩。这就是所谓的直接转矩控制。图3-1为电机坐标变换示意图，图中为转子位置角，=t，e为电转子位置角，d轴与a相相轴重合，e=Pr。3-1 电机示意图在三相定子坐标系中，各相自感与相间互感随着转子位置和转子的角速度会发生变化，所以定子的电压方程为一变系数常微分方程，对变系数微分方程求解十分复杂，所以使用Park变化将定子电压方程变换到转子上。这样可以将永磁同步电机看成一台直流电机，电机的磁路模型包含，永磁磁链、直轴磁链、交轴磁链。模型简单清晰，控制时只需要控制交轴电流与直轴电流。对于三相定子坐标系，电流正方向设置为流入电机，电压正方向与电流呈关联参考方向，磁链正方向与电流正方向符合右手定则。为简便推算不考虑磁饱和，谐波等次要因素，以下为关于FSPM的Park变换推理5。Park矩阵P=23cos(e)cos(e-23)cos(e+23)-sin(e)-sin(e-23)-sin(e+23)121212(3-1)Park逆矩阵P-1=cos(e)-sin(e)1cos(e-23)-sin(e-23)1cos(e+23)-sin(e+23)1(3-2)对于这个变换矩阵来说PPT=2/30002/30002/3(3-3)所以在恒功率变换条件下，使用交直轴方程求功率时要乘以系数3/2abc=LaaMabMacMbaLbbMbcMcaMcbLcciaibic+mambmc(3-4)三相定子电压方程如下，uabc为三相定子电压，r为三相定子电阻uaubuc=ddtabc+r000r000riaibic(3-5)将方程3-5进行Park变换，即左乘以Park矩阵Puaubuc=Pddtabc+Pr000r000riaibic(3-6)方程3-6左边Puabc=udq0(3-7)对于方程3-6右边第一项，得到Pabc=d+mq 0 (3-8)得到ddtd+mq 0 =ddtPabc=ddtPabc+Pddtabc(3-9)得到Pddtabc=ddtd+mq 0 -ddtPabc(3-10)在（3-10）方程右边第二项加入PP-1，可得到方程3-11Pddtabc=ddtd+mq 0 -ddtPP-1d+mq 0 (3-11)方程（3-11）右边第二项，推算可得3-12ddtPP-1d+mq 0 =0e0-e00000d+mq 0 = q -d-em 0 (3-12)所以方程3-6右边第一项Pddtabc=ddtdq0- q -d-em 0 = Lqiq -eLdid-em 0 (3-13)对于方程3-6右边第二项ridqo=Priabc(3-14)所以定子电压方程3-6转化为uduqu0=ddtdq0- q -d-em 0 +r000r000ridiqi0(3-15)可得交直轴电压方程如下ud=ddtd-eLqiq+ rid(3-16)uq=ddtq+eLdid+em+riq(3-17)整理得交直轴电压方程3-18、3-19ud=-eLqiq rid(3-18)uq= eLdid+em+riq(3-19)电机注入总功率Ps=32ud-Ridid + uq-Riqiq(3-20)Ps=32-eLqiqid+(eLdid+em)iq(3-21)Ps=32emiq+eLd-Lqidiq(3-22)可得电磁转矩如下2Tem=Ps=32emiq+eLd-Lqidiq=32Prmiq+Ld-Lqidiq(3-23)Tem=32Prmiq+Ld-Lqidiq(3-24)由以上推理易直轴与交轴电流就可以控制转矩，关于从目标转矩到交直轴电流的大小算法包括的控制算法包括3。1 id=0控制2 最大转矩电流比控制3 恒磁链控制4 满功率因数或功率因数为1控制（cos=1）。本次研究主要为能量管理的研究，所以使用了最简单的id=0 控制。即保持转矩磁链为永磁磁链，id为0，则磁阻转矩为0。只是控制交轴电流进行转矩控制。控制算法分为两个控制环，外环为转速环。目标转速数据由外界输入，真实的情况可以使用汽车脚踏板进行加减处理。本次仿真力求清晰直接进行了数字输入，输入的转速数据与当前电机转速同时输入PI调节器，输出的为交轴电流的参考调节数据。交轴参考电流、转子位置、直轴电流、零轴电流输入Park反变换模块。得到三相参考电流，对三相参考电流与实际电流，采用以滞环比较，当实际电流与参考电流差超过0.2A时，调节开关状态，控制三相电压。进入逆变部分，如图3-2三相参考电流与三相当前电流进行比较得到六个桥臂的开关状态。当实际电流小于参考电流一个环宽时，打开上桥臂，当实际电流大于参考电流一个环宽时，打开下桥臂，具体控制部分见图3-2。图 3-2 逆变器组件结构左侧Vbus+与Vbus-为直流电压输出，来源电池或者发电机整流后总线，右侧输出三相电流连接至电动机三相输入。关于滞环控制3，即设定一定的环宽。如果实际电流与计算参考电流差距超过环宽时，便根据超过或者小于改变开关状态。因为电机为感性负载。所以定子电流必然会产生相反的变化。因为三相参考电流为正弦波，所以滞环的结果也应该为正弦波。逆变电路使用了一个通用的三相桥电路。每个桥臂的上下桥臂代表了电压的正负变化。每个桥臂有两个开关，开关使用理想开关。电动机输入为总线电压，该电压信号来源与电池或者发电机模块整流出的直流电压。图 3-3 电动机部分概览图3-3为电机的综合控制图，输入信号与反馈信号通过与一个PI调节器控制交轴电流，然后通过一个dq轴转abc轴的坐标变换得到三相目标定子电流，然后通过逆变电路控制开关，输出三相电压进而控制右侧电机。电机的输出参数为转子角速度。所以通过一个增益模块，计算出相应的汽车行驶速度。输出的行驶速度通过一个转矩生成函数得到当前转速下的负载转矩。进而输送给电机负载端口。3.3 内燃机发电机部分设计内燃机发电机部分可以分为三个部分，第一部分为发动机，发动机部分使用Simulink提供发动机模型，在设定了最大功率，最大功率转速，最大转速三个参数之后。发动机模型只允许输入气门信号，气门信号介于0到1。代表这发动机在当前速度下，0到当前转速的最大功率之间的输出。输出信号为一个转矩转速信号。因为发动机与发电机属于不同的工具箱模型，发电机并不接受发动机提供的转矩转速信号。所以使用了一个转速探测器，并将探测出的转速信号转化为角速度信号。同时应把电机的输出电池转矩作为负载转矩输入为发动机。因为发动机的负载转矩其实并不完全等于电磁转矩，中间还应该有摩擦损耗与杂散损耗。这一部分损耗可以通过设定转动惯量，与摩擦转矩来设定。本仿真强调重点在于能量管理所以对部分模型的仿真精确度可以不用要求太高。发动机的转速信号驱动发电机。发电机为三相交流发电机，外部励磁。励磁电压与发电机参数设置将在下文统一介绍。三相交流发电机的输出转矩信号要作为发动机的负载转矩。发电机的三相输出电压连接到一三相不可控整流桥，整流出的直流信号经过一个电抗电容滤波。输出到汽车电流总线上。图 3-4 发动机发电机组图图3-4为发动机发电机模型，从左侧开始分析，因为串联式混合动力机车要求发动机需要稳定在额定转速，所以左侧的PI的调节器的输入为1500。1500与当前速度之差的结果，经过一个PI调节器之后，获得气门信号，因为在电池容量较高的情况下，需要关闭发动机。所以在PI调节器右侧包含一个气门控制器可以获得主控信号的控制信号，进而由主控模块控制气门的开闭710。一旦获得了气门的打开信号，发动机便可以按照控制目标进行PI调节。即当当前速度小于1500时，增大气门，当速度大于1500时，减小气门，发动机右侧的输出连接至转速及转矩的控制器，前文已表述，这是两个不同工具箱，所以需要转矩与转速探测器进行探测。同时发动机负载转矩由发电机的电磁转矩引入。下侧是一个三相发电机，发动机输出速度信号驱动发电机发出三相交流电，通过二极管的不可控整流后，得到一个直流信号。但是直流的信号其中谐波较多，需要再经过一个电抗电容滤波，获得一个谐波含量较少的直流电压。右侧部分为一个受控电流源构成的起动负载。因为发动机模型特殊性，完全空载起动容易发动机失速，所以右侧的电流源设计为在未给发动机加入轮胎负载时，给发电机一个较小的负载进而给发动机一个较小的负载，方便发动机安全的起动。在发动机停机时也要释放掉右侧滤波电容与滤波电抗上的能量，所以在停机时，也要打开电流源进行阻尼减速，其充电的能量应该主要用于汽车内部其他需要使用电源的设备，比如空调、车灯等。3.4 电池部分变压设计混合动力中电池是一个重要的部分，发电机输出三相电压整流后的直流电压大于电机的额定直流电压。电机就能稳定运转。但是作为电池，其输出电压一般都比较小。为了能让电池对立对电机供电，或者说可以让发动机模块对电池充电与驱动电动机时，不会发生直流电压过小的情况，必须设计一个直流变压部分。图3-5为电池模型。图3-5电池模型DC/DC变换是电力电子中的一个重要课题。目前合适的DC变换电路很多。其主要电路结构未发生较大的变化38。因为这不是本次的研究重点，所以直接使用一个稳定的直流电源，通过功率值的积分得到SOC状态。3.5 控制部分设计本文的控制部分设计是文中的重点部分，设计的目标为能实现各种路况电容量情况的动态控制。Matlab/Simulink提供了user defined 模块可以方便的实现各种控制。User defined 模块的核心思想是通过一个模块，这个模块可以获得很多输入信号，同时也可以输出很多信号，运行过程中，模块动态的处理这些信号，进而通过输出信号对整个系统进行控制。比如上文中已经提到各个模块。图 3-6控制部分仿真图像控制模块如图3-6，左侧为采样信号，包括电池容量，速度，转速，发电机总线电压。右侧为输出的控制信号，包括气门开关信号、并入整流电路的负载、内燃机总线开关、电池总线开关、充电开关。左侧的三个输入信号使用Mux模块合成一个向量信号输入给Control模块的输入端口，经过分析之后输出信号也为一个向量信号，Demux模块将总线信号分离成4个控制信号，分别是气门开关（ThrotSw）、起动负载（Ist）、发动机总线开关（GbusSw）、电池总线开关（BatBusSw）。控制零活，下面介绍控制函数S-Functions以及该模块的使用。S-Function 可以使用 MATLAB，C，C+，Ada，或 Fortran 语言来编写。使用 MEX 实用工具，将 C，C+，Ada，和 Fortran 语言的 S-Function 编译成 MEX-文件，在需要的时候，它们可与其它的MEX-文件一起动态地连接到 MATLAB 中。S-Function 使用一种特殊的调用格式让你可以与 Simulink 方程求解器相互作用，这与发生在求解器和内置 Simulink 块之间的相互作用非常相似。S-Function 的形式是非常通用的，且适用于连续、离散和混合系统。S-function 为你提供了一种在 Simulink 模型中增加自制块的手段， 你可以使用 MATLAB， C， C+，Ada，或 Fortran 语言来创建自己的块。按照下面一套简单的规则，你可以在 S-function 中实现自己的算法。在你编写一个 S-Functin 函数，并将函数名放置在一个 S-Functin 块中（在用户定义的函数块库中有效）之后，通过使用 masking 定制用户界面。本次仿真我使用Matlab Level-2编写控制算法，接下来介绍该模块程序的编写，控制模块有几个主要函数下面分别介绍。function Control(b