（电机与电器专业论文）用于混合动力汽车的无刷型电气无级调速系统研究.pdf

“ l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 研究生签名：暨丛 日期： 弘h 岁硌 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图1 5 馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 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( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：救导师签研究生签名：! 复 导师签 伽e o s ，礴 摘要 摘要 随着石油供应的日趋紧张和环境污染的日益加剧，传统汽车产业面临严峻考验。基 于永磁电机效率高、功率密度大的优点，本文提出了一种以双定子永磁无刷( d s - p m b l ) 电机为功率分配装置的新型串联式混合动力汽车的电子无级调速( e c ) 系统。在所 建立的d s p m b l 电机数学模型的基础上搭建了d s p m b l 电机的m a t l a b s i r n u l i i l k 仿真 模型。同时，为e 模式和功率直接传输模式引入相应控制策略，建立了该新型混合 动力汽车调速系统仿真模型，设计并搭建了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数字控制系统，并对 整个系统进行了仿真研究和实验研究。仿真和实验结果验证了该调速系统具有良好的稳 态和动态性能。 论文的研究内容主要包括以下几方面： 1 ) 研究分析了d s p m b l 电机基本工作原理以及静态特性，建立了d s p m b l 电机 在定子坐标系的数学模型，提出了新型e c 系统。 2 ) 确定异步电机为e c v t 系统的驱动电机及内燃机，并建立了定子坐标系以及转 子坐标系下的数学模型，从理论上验证了矢量控制的可行性。利用仿真工具 m a t l a b 及其子工具箱s i m u l i i l k s i m p o w e rs y s t e m s 建立了e v t 模式和功率直接传 输模式的仿真模型，并进行仿真研究。 3 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯片，设计并搭建了e v t 模式控制系统硬件平台，主 要包括电流采样电路、信号处理电路、转速测量电路、逆变电路以及p w m 信号 驱动电路，主要实现电机转速与电流的控制以及实现e c 系统的平滑调速， 同时针对硬件平台编写了相应的软件系统。 4 ) 在搭建的实验平台上实现了制定的控制算法，对e c v t 系统进行一系列的稳态 和动态实验。对比分析实验与仿真结果，证实了e c 系统具有较好的稳态和 动态性能，为进一步深入研究混合动力电动汽车的调速系统打下基础。 关键词：双定子永磁无刷电机，混合动力汽车，电子无级调速，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 e 目录 a bs t r a c t d u et 0 l ei 1 1 c r e a s i n gs h o r t a g eo fo i ls u p p l y 锄de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，t h e 仃j l d i t i o n a l a l l t o m o b i l ei n d u s t 呵i se x p e r i e n c i n g 毋? e a tc h a l l e n g e s al l o v dd e c t r o n i cc o n t i n u o u sv a d a b l e 缸孤s m i s s i o n ( e c 、仃) s y s t e mo fs 硎a lh y t 庙de l e c t r i cv e h i c l e sm e v s ) ，i n 枷c ha d o u b l e - s t a t o rp 锄a n tm a 舀1 e tb 九l s l l l e s s ( d s p m b l ) m a c h i r l ei su s e da sp o w e rs p l i t t i i l g d e v i c e ，i sp r o p o s e di nt e n i l so ft l l ep e 咖a i l e i l t m a 萨e t ( p m ) m a c h j n 髓m 研t s ，n a m e l yh i 曲 p o w e rd e i l s i t ya n dl l i g l le 衔c i 锄c y b a s e do nm em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft 1 1 ed s p m b l m a c h i n e ，t l l es i m u l a t i o nm o d e lo fd s p m b lm a c t l i n ei ss e tu pu s i n gm a t l a b s i m u l i n k b a s c d 0 nt m s 3 2 0 f 2 8l2d i 西t a lc o n 仃0 1 1 m ee c v ts y s t e mi ss i m u l a t e d 肌de x p 嘶m e n t e db y a d o p t i i l gp r o p e rc o n t r o ls 臼a t e 西e sf o rn l ee v tm o d e la r l dd i r e c tp o w e r 由唧吣m i s s i o nm o d e l b o ls i m u l a t i o n 锄de x p 丽m e n t a lr e s u l t ss h o wt l l a tt 1 1 es p e e dc o l 咖ls y s t e mo 仃e r se x c e l l e n t s t e a d y s t a t e 锄dd y n a r i l i cp e r f 0 m l a n c e s t h e 自j l i t so f 廿：l i s 1 e s i sa r e 邪f 0 1 l o w s ： 1 ) 1 1 1 em a m 锄a t i c a lm o d e lo fd s - p m b lm o t o r i ns t a t o r - r e 向e n c e 丘锄e si sp r e s 饥t e d b 嬲e do n 觚a l y s i so fd s p m b lm o t o r ss t a t i cp e r f o m 锄c ea n do p e r a t i o np 五n c i p l e s t l l e n 缸l en o v e le c v ts y s t 唧i s p r o p o s e d 2 ) 1 1 1 d u c t i o nm o t o r sa r ed e t e n n i n e d 嬲嘶v em o t o ra i l di n t e n l a lc o i i 】【b u s t i o ne n 西n ef o r e c v ts y s t e l l l t 1 1 e i l ，t h ec o m p l e t em a t h e m a t i c a lm o d di ns t a t o r - 锄dr o t o r - r e f e r 腽c e 丘锄e sa r eb o t l lb u i l t ，s h o w i n g l ee 腩c t i v e n e s so fv e c t o rc o r l 仃0 1s 跏e 黟1 1 1 ee v t m o d e l 锄dd i r e c tp o w e r 仃a n s m i s s i o nm o d e la r es i m u l a t e du s i n gm a t l a b s i m u l i n k 3 ) b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2m es o 脚a r ea n dh 裥w a r es y s t 锄o fe v tm o d e l 玳 e s t a b l i s h e d ， w l l i c hi n c l u d ec u r r c 呲s a n l p l i n gc i r c l 菌t ，s i 弘a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ，s p e e d m e a s u r i n g t ，i n v e r t e rc i r c i l i ta i l di p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) d r i v e 洲t ， a i m i n gf 0 ras m o o t l ls p e e dc o n 订d la i l d 叫l r r e n tc o n 仃0 1 4 ) t l l ev e c t o rc o n 咖ls 似e g yi s i l l l p l 啪饥t c do nm ee x p 耐m e n t a lp l a t f o 眦1 1 1 e c o m p 撕s o i l sb 咖e e i ls i m u l a t i o n 锄dc x p 耐m e i l t a lr e s u l t sc o n 丘彻t 量l a tm ep r o p o s e d e - c v ts y s t e mo p p o s e se x c e l l e n ts t e a d y - s t a t e 觚dd y n 锄i cp e r f o n n a n c 懿a st h eb 嬲i sf 0 r 缸曲e rr e s e a r c ho nh e v s s p e e dc 0 i l t r o ls y s t e m k 沁y w o r d s ： d o u b l e - s t a t o rp 锄锄e mm a 印e tb m s l l l e s s m o t o r ，h y b r i de l e c t r i cv e m c l e ， e l e c 昀i l i cc o n t i n u o u sv a r i a b l et r 锄s m i s s i o n ，t m s 3 2 0 f 2 812 i i l l r i 目录 目录 摘；要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第l 章绪论1 1 1 课题背景及意义l 1 2 混合动力电动汽车无级调速系统的分类及发展现状l 1 2 1 混合动力电动汽车的分类2 1 2 2 国内外混合动力电动汽车发展现状8 1 3 本文主要研究工作9 第2 章双定子永磁无刷电机的工作原理及数学模型1 l 2 1d s p m b l 电机的静态特性分析1 1 2 2d s p m b l 电机数学模型15 2 2 1 三相定子坐标系下数学模型1 5 2 3 本章小结17 第3 章无刷型电气无级调速系统建模与仿真18 3 1e c v t 系统控制策略1 8 3 1 1e v t 模式控制策略18 3 1 2 功率直接传输模式控制策略2 l 3 2e c v t 系统建模与仿真2 l 3 2 1e v t 模式的仿真模型2 l 3 2 2 功率直接传输模式的仿真模型2 4 3 2 3e c v t 系统的仿真2 5 目录 3 3 本章小结2 8 第4 章e c v t 系统的软硬件设计3 0 4 1 微处理器的选择3 0 4 2e v t 模式硬件电路设计31 4 2 1 功率器件的选择3l 4 2 2 电流采样及保护电路3 2 4 2 3 电机转子速度及位置检测3 6 4 2 4i p m 驱动及保护电路3 6 4 3 功率直接传输模式硬件电路设计3 7 4 4e c v t 系统软件设计3 8 4 4 1e v t 模式程序框架3 8 4 4 2 功率直接传输程序框架4 4 4 5 本章小结4 5 第5 章e c v t 系统实验研究4 6 5 1e c v t 系统实验装置4 6 5 2e c v t 系统调速特性实验4 7 5 2 1 空载实验特性4 7 5 2 2 带载实验特性4 8 5 3 本章小结5l 第6 章总结与展望5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 课题展望5 3 参考文献5 4 f v 攻读硕士期间 致谢5 8 v 危机和环境保护两大挑战【。普通内燃机汽车经过1 0 0 多年的发展，已逐步实现机电一 体化和全面应用现代高科技技术，达到了很高的性能，在安全、环保、节能和低成本等 方面取得了重大进展。但是，随着全球汽车拥有量的急剧提高，普通内燃机汽车所带来 的能源和环境污染问题同益严重。在此背景下，各种各样的新型电动汽车脱颖而出。 电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车，包括纯电动汽车 ( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 、燃料电池电动汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv c 临c l e ，简称f c e v ) 和混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e l l i c l e ，简称h e v ) 。 纯电动汽车仅依靠蓄电池提供能量，由驱动电机将化学能转化为机械能，通过传动 装置直接驱动汽车。纯电动汽车具有零排放、无污染、低噪音、结构简单、维修方便和 能量效率高等优点，一度被认为是解决能源危机与环境问题的最有效的途径。但是在纯 电动汽车研发方面，由于蓄电池的应用技术发展不是很完善，而且纯电动汽车存在着价 格、寿命、能量密度和续航里程等方面的问题，这些问题严重阻碍了纯电动汽车进入市 场的进程。另一方面，燃料电池电动汽车也面临着制氢困难和需要大量建设基础设施等 难题，无法与传统内燃机汽车相抗衡。 在此情形下，结合传统内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力汽车成为各国专家和 学者研究的热点。混合动力汽车既克服了纯电动汽车的续驶里程短，价格昂贵等缺点， 又能够大幅减少汽油消耗，降低尾气排量，为当前能源和环境问题的解决提供了一种新 思路i 2 t j 。根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，混合动力汽车的 定义为：由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提 供电能的车辆。混合动力电动汽车将内燃机、电动机、能量储存单元( 蓄电池等) 等装置 组合在一起，以实现它们之间的良好匹配和优化控制，这样既可充分发挥内燃机汽车和 电动汽车的优点，规避各自的不足，又能够达到低排放和低油耗的目的。混合动力电动 汽车的优点主要包括p ，6 圳j ： 1 ) 优化内燃机的工作区域。内燃机大部分时间稳定工作在高效区，从而减少了燃 油消耗和尾气排放。 2 ) 能量回馈。当汽车工作在刹车制动和下坡状态时，电动机将机械能转化为电能 储存在电池中，从而减少了能源消耗。 3 ) 具有两种或两种以上能源提供动力，汽车的续航里程和动力性能可与传统内燃 机汽车相媲美。 4 ) 在低速行驶时，汽车将关闭内燃机，由纯电动方式驱动，达到了零排放和降低 噪音的目的。 因此探索新型、高效率、高可靠性的混合动力汽车的电子无级调速系统，具有重大 的理论意义和广泛的应用前景。 1 2 混合动力电动汽车无级调速系统的分类及发展现状 高性能的电气无级调速( e c v t ) 系统是有效实现混合动力电动汽车基本功能的关 键4 3 1 。当前所有电子无级调速系统都存在一个问题，就是必须采用行星齿轮来调节引擎 东南大学硕士学位论文 和联结在汽车驱动轴上电机之间的能量传送。和所有的机械齿轮一样，行星齿轮存在着 传输损耗和齿轮噪音的缺点，而且必须人为定期地给齿轮加润滑剂加以维护。不久前一 些专家采用了电气联结的方式来克服这个问题，其关键技术就是使用一个双转子电机来 实现功率分配【悼1 6 1 ，这种方式不需要行星齿轮就能实现引擎和电机之间的能量传送。这 种电气联结的电子无级调速系统在克服行星齿轮缺点的同时也产生了一个新的问题：这 种系统中所采用的双转子电机必需通过滑环和电刷从转子中获取能量。但是，众所周知， 滑环和电刷将产生额外的损耗，而且需要定期维护。 1 2 1 混合动力电动汽车的分类 目前，国内外研究的混合动力电动汽车调速系统有多种结构，其分类方法一般有两 种：按结构和控制策略分类以及按混合度分类。 根据结构和控制策略的不同，混合动力电动汽车可以分为串联式混合动力电动汽车 ( s 甜e sh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，简称s h e v ) 、并联式混合动力电动汽车( p a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i c 、r e h i c l e ，简称p h e v ) 、混联式混合动力电动汽车( p a r a l l e l - s e r i e sh y b r i de 1 e c t r i c v e h i c l e ，简称p s h e v ) 和复合式( c o m p o s i t eh y b r i de l e c t r i c 她c l e ，简称c h e v ) i 引，4 z j ， 其功能和结构分别示于图1 1 。 串联式混合型 传动 装置 混联式混合型 i i 燃油箱内燃机i 尚 传动 装置 i 嘉塞卜葫电动机 = = 并联式混合型 l 燃油箱内燃机l 传动 装置 l 池组广 变换器厂 吧训仉广一 复合式混合型 i 燃油箱l 内燃机i i l l 电动机h 电动机l 传动 装置 li l 池组广1 变换器广 吧刎仉r 一 ( c ) ( d ) 一电接连；液流接连；= = 机械接连 图1 1 混合动力电动汽车的分类【9 】 s h e v 是混合动力电动汽车中最简单的一种，其调速系统是一个由两种能源向单个 动力机械供电，以推进车辆运行的系统。内燃机首先将化学能转化为机械能，再由发电 机转化为电能。转化后的电能可经功率变换器一部分用于给蓄电池充电，另一部分经由 电动机和传动装置驱动车轮【7 8 1 。s h e v 以电动机作为主要驱动装置，发动机为辅助动力 2 第l 章绪论 装置，是一种发动机辅助型的电动车，目的是为了增加车辆的行驶里程。s h e v 的功率 流控制可以用图1 2 所示的四种工作模式来描述。车辆启动、正常行驶或加速行驶时， 发动机通过发电机和蓄电池一起输出电能并传递给功率变换器，然后驱动电动机，通过 机械传动装置驱动车轮：车辆轻载时，发动机发出的功率大于车辆所需功率，多余的能 量通过发电机给蓄电池充电直到电池荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ，简称s o c ) 达到预定的限 值；车辆制动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率变换器给蓄电 池充电；车辆停车时，发动机也可以通过发电机和功率变换器给蓄电池充电。由于在内 燃机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器，故整车布局的自由度比较大。虽然 s h e v 中能量转换环节较多，但是考虑到s h e v 结构简单、易于布局与控制、实用性强等 因素，所以在当前混合动力电动汽车中应用相当广泛。 (c)(d) 一电力接连：渍波接连；= = 机械接连 图l - 2 串联式混合动力电动汽车的的工作模式【1 o 】 ( a ) 启动正常行驶力口速；( b ) 轻载；( c ) 减速制动；( d ) 蓄电池充电 b 蓄电池：e 内燃机：f 油箱：g 发电机；m 电动机：p 功率转换器；t - 传动装置 3 b 蓄电池；e 内燃机；f 一油箱：g 发电机；m 电动机：p 功率转换器：t - 传动装置 图1 3 给出了p h e v 的四种工作模式。车辆启动或节气门全开加速时，发动机和电 动机同时工作，共同分担驱动车辆所需的动力；车辆正常行驶时，电动机关闭，仅由发 动机工作提供车辆行驶所需动力；车辆制动或减速行驶时，电动机工作于发电机模式， 通过功率变换器给蓄电池充电。由于发动机和电动机驱动同一驱动轴，因此当车辆轻载 时，发动机发出的功率也可以通过电动机转化为电能给蓄电池充电。与s h e v 相比，虽 然p h e v 具有更高的能量利用率和燃油经济性，调速系统体积和质量也相对效小，但是 p h e v 的结构和控制系统相当复杂，不利于实现和应用。 4 一电力接连；液游接连；= = 机械接连 图1 - 4 发动机主动型混合动力电动汽车的的工作模式 ( a ) 启动；( b ) 加速；( c ) 正常行驶；( d ) 减速制动；( e ) 行驶中给蓄电池充电： ( f ) 蓄电池充电 p s h e v 在结构上综合了s h e v 和p h e v 的特点，与s h e v 相比，它增加了机械动 力的传递线路，与并联式相比，它增加了电能的传输路线。当汽车在低速行驶时， 调速系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。 p s h e v 的控制方式主要有发动机主动型和电力主动型两种。图1 4 给出了发动机主动 型p s h e v 的六种工作模式。车辆启动时，发动机关闭，蓄电池工作提供车辆行驶所 需的动力；节气门全开车辆加速行驶时，发动机和电动机同时工作，共同分担车辆 行驶所需的动力；车辆正常行驶时，电动机关闭，发动机工作，提供车辆所需动力； 车辆制动或减速行驶时，电动机工作于发电机模式，通过功率变换器给蓄电池充电； 车辆行驶给蓄电池充电时，发动机一部分动力用于驱动车辆，另一部分动力由发电 机经功率变换器给蓄电池充电；当停车时，发动机也可以通过发电机给蓄电池充电。 图1 5 给出了电力主动型p s h e v 的六种工作模式。车辆启动或轻载运行时，发动机关 闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动车辆；车辆j 下常行驶或节气门全开、车辆加速 行驶时，发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需功率。两种工况的区别在于， 车辆正常行驶的动力仅由发动机驱动发电机提供，而节气门全开加速行驶时，其动 力由蓄电池和发电机共同提供；车辆制动或减速行驶时，电动机工作于发电机模式 并通过功率变换器给蓄电池充电；车辆行驶给蓄电池充电时，发动机一部分动力用 于驱动车辆，另一部分动力用于驱动发电机给蓄电池充电；停车时，发动机也可以 东南大学硕士学位论文 通过发电机给蓄电池充电。p s h e v 的多种工作模式虽然能够使内燃机、发电机、电 动机等动力装置进行更多的优化配置，更容易实现低排放和降低燃油消耗的目标， 但是提高了p s h e v 的研发和生产成本。 i f _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ e b 直mb t t | f _ _ 7 己 戛 i b * m t 卜一兰_ j b 瓢 t 口 刨崔 t 卉k f用 镥i g t 一 ( c )( d 一电力接连；液流接连；= = 机械接连 图1 5 电力主动型混合动力电动汽车的的工作模式f 1 0 1 ( a ) 启动轻载；( b ) 加速；( c ) 正常行驶；( d ) 减速制动：( e ) 行驶中给蓄电池充电； ( f ) 蓄电池充电 b 蓄电池；e 内燃机；f 油箱；g 发电机；m 电动机；p 功率转换器；t 传动装置 c h e v 结构更加复杂，与p s h e v 相似，二者的主要区别在于c h e v 中的电动机允 许功率流双向流动，而p s h e v 中的发电机只允许功率流单向流动。c h e v 一般采用双 轴独立驱动系统，相当于一套完整的串联系统加上一套完整的并联系统，工作模式更加 多样化，成本最高，控制系统也最复杂。图1 6 给出了一种双轴复合式混合动力系统， 其中前轮由混合动力驱动，后轮由电动机驱动，该系统共有六种工作模式。启动工况时 发动机关闭，由电池组分别向车辆前、后驱动轴的电动机供电并驱动前、后轴；节气门 全开车辆加速行驶时，发动机和两个电动机同时工作提供车辆行驶所需的功率；车辆正 常行驶或电池充电时，发动机发出的功率被分流，一部分用于驱动前轴，一部分通过工 作于发电机模式的电动机给蓄电池充电；轻载工况时，发动机和后电动机关闭，前驱动 6 第l 章绪论 轴由蓄电池和前轴电动机驱动；减速制动工况时，前、后电动机均以发电机模式工作， 实现四个车轮同时再生制动；这种双轴驱动系统具有轴平衡的功能，若前驱动轴打滑， 与该驱动轴相连的电动机以发电机模式工作，吸收发动机输出的部分能量，并转化为电 能输出到与后驱动轴相连的电动机，由电池组实现功率流之间的分配调整。 ( e )( o 一电力接连；藏流接连：= = 机械接连 图1 6 双轴复合式混合动力电动汽车的的工作模式n o 】 ( a ) 启动；( b ) 加速：( c ) 正常行驶蓄电池充电；( d ) 轻载；( e ) 减速席0 动；( f ) 轴向平衡 b 蓄电池；e 内燃机：f 油箱；f m 前轮电动机；f 1 p 前轮功率转换器； f r 前轴传动装置；i 己m 后轮电动机；r p 后轮功率转换器；r t - 后轮传动装置 混合度是指电系统功率占动力源总功率的百分比。对于不同类型的混合动力电动汽 车，混合度的定义略有不同。对于p h e v 、p s h e v 、c h e v ，混合度定义为电动机发出 的功率与系统总功率的比值。而对于s h e v ，由于系统的所有功率都由电动机提供，电 动机的功率即为系统总功率，属于电电混合形式，所以其混合度定义为蓄电池发出的功 率与发电机发出功率的比值。根据混合度的不同，混合动力电动汽车可以分为轻度混合 和强混合。两者均具有再生制动和电动机辅助功率功能。除此之外，强混合还具有纯电 动行驶功能。通常混合度越高，燃油经济性越高，排放越低。本田c i v i c 的混合度为 1 5 9 ，是轻度混合的典型车型；丰田p r i l l s 2 0 0 1 的混合度为6 2 3 ，是强混合的典型车 型【l o 】。 7 东南大学硕上学位论文 1 2 2 国内外混合动力电动汽车发展现状 最早的混合动力电动汽车记载在1 8 9 9 年巴黎美术展览馆上。它们是由比利时l i e g e 的p i 印e r 研究院和法国的v - 肌d o v e l l i 与p r i e s t l y 电动车公司分别制造的。其中p i 印e r 电 动车是一辆并联式的混合动力电动汽车，它装有一台电动机和铅酸蓄电池电池组辅助的 小型空冷汽油发动机。记录表明，当该混合动力电动汽车滑行或停车时，蓄电池组即由 发动机予以充电；当所需驱动功率大于发动机额定值时，电动机即时提供辅助的功率。 p i 印_ e r 电动车除了是最初两辆混合动力电动汽车中的一辆之外，又因其是第一辆并联式 混合动力电动汽车，故无疑是混合动力电动汽车的开端。在此后将近一百年里，由于实 用的电力电子技术、现代电机和蓄电池应用技术的欠缺，混合动力汽车发展一直停滞不 1 上 日uo 2 0 世纪9 0 年代，随着能源与环境的压力越来越大和驱动控制技术的成熟，各国政 府和汽车制造商都加大了混合动力电动汽车研发的投入，把研究降低排放、绿色环保汽 车作为自己的立足之本和生存之道。因此，各种混合动力汽车产品层出不穷，取得了巨 大的进步。 表1 1 日本代表性混合动力电动汽车参数 制造商丰田本田日产 车名p r i u s i i l s i g l l t t i n o 长宽高( 眦) 4 3l o 1 6 9 5 1 4 9 03 9 4 0 1 6 9 5 x1 3 5 54 2 7 0 1 7 6 0 1 6 l o 车辆质量( k g ) 1 2 2 08 2 0 乘员人数( 名)525 燃料消耗率( 龇) 2 9 0 3 5 0 2 3 混动形式串联、并联并联串联、并联 发动机排量( c c ) 1 4 9 6l o o o1 8 0 0 驱动方式前轮驱动 电动机种类三相交流同步电动机三相交流同步电动机铌磁石式同步电动机 电动机最大输出功率 3 31 01 7 ( k w ) 电池种类镍氢电池镍氢电池锂离子 电池容量( a h ) 6 5 ( 3 h r ) 6 5 总电压( v ) 2 7 41 4 4 价格( 万日元) 2 1 82 1 03 1 5 混合动力电动汽车发展和商品化，其最具有影响力的产品来自日本的汽车制造商。 作为世界上最先商品化的混合动力电动轿车，日本丰田公司生产的p n u s 自1 9 9 7 问世以 来，其独创性受到了全世界的高度关注。除丰田公司以外，本田、日产等汽车制造商也 不甘落后，分别研制了自己的混合动力汽车，并取得了不错的成绩。1 9 9 9 年，本田公司 推出了并联型的小型混合动力轿车i n s i g b t 。i i l s i g h t 配备了本田公司的m 队( i n t e 瑁r a t c d m o t o ra s i s t ) 混合动力系统和无级变速器，2 0 0 l 被美国环保综述评选为美国十大节能汽 车的第一名。日产公司的t i n o 在国内外市场也有很好的表现。表1 1 给出了日本混合动 力汽车中三款代表车型的参数【o j 。 在美国，上世纪9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合并以 混合动力电动汽车为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，对混合动力汽车 的研究与开发投入巨资。1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大 第l 覃绪论 汽车公司总裁共同提出了“新一代汽车合作伙伴计划”( t h ep a n n e r s l l i p f o ran e w g e i l e r a t i o no f v - e h i c l e s ，简称p n g v ) ，它包含燃油经济性可达8 0 m i l e 加仑的中型轿车的 目标l l2 | 。福特公司的p r o d i g y 和通用公司的p r e c 印t 均是该计划的成果。 欧洲方面的成果的典型代表是法国的r 朗a u l tn e x t ，该车是一辆小型的并联式混合 动力电动汽车，它采用了一个7 5 0 c m 3 的火花点火发动机和两个电动机。这一原型车的 燃油经济性达到了2 9 4 删l ，其最高速度和加速性能已经可以与传统内燃机汽车相比 拟。此外，雷诺公司推出的混合动力卡车k a l l g o o 在市场也占据了一席之地p j 。 在我国，混合动力电动汽车的研究与开发起步比较晚，但近年来得到了政府、企业、 高校以及科研机构的高度关注。我国在“八五”和“九五”期间有计划地开展了电动汽车的 关键技术攻关和整车研制，并在此基础上对混合动力电动汽车的关键技术进行了探索和 研究。所开发出来的混合动力电动汽车只是在原有的汽车上简单地加以改造，技术集成 度较低，缺乏先进的控制系统和能源管理系统，与国外先进技术水平相距甚远。“十五” 期间，国家计划投入近1 0 亿资金支持电动汽车的研究。国家科技部在“十五”规划中制 定的战略目标是：争取在发展e v 、h e v 的电池、能量管理系统、驱动控制等关键技术 上基本保持与世界同步，并且目前己将h e v 的开发列为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的重大研究课题之一。 目前我国各大汽车公司都在积极进行混合动力电动汽车研究与开发，己经成功研制 出了多款混合动力电动轿车和客车，如表1 2 所示。2 0 0 3 年1 1 月，湖北省启动武汉电 动汽车试验示范运行工作，先后投入6 辆由东风汽车公司研制的混合动力客车。基于同 轴i s g 轻度混合方案，长安汽车公司成功地开发了i s g 混合动力轿车，并在国内率先开 展了混合动力专用发动机的研究与开发，经过国家相关检测机构测试，动力性能接近参 考车的水平，综合油耗降低接近1 7 ，排放达到欧州标准。2 0 0 9 年1 月1 0 日，奇瑞 a 5 b s g 混合动力车上市。这是中国首款b s g 混合动力车，采用皮带传动方式进行动力 混合，发动机与电动机和变速箱相并联。 表1 2 国内混合动力汽车主要项目 混合动力汽车类型产品名称主要研制单位 红旗牌混合动力轿车长春一汽 e q 7 2 0 0 h e v东风汽车公司 混合动力轿车 奇瑞混合动力轿车奇瑞汽车公司 i s g 混合动力轿车长安汽车公司 爱迪生混合动力轿车爱迪生汽车技术研究所 解放牌混合动力城市客车长春一汽 混合动力客车 e q 6 1 1 0 h e v 城市客车东风汽车公司 1 3 本文主要研究工作 本文以一种新型的以双定子永磁无刷( d s p m b l ) 电机为功率分配装置的无刷型电 子无级调速( e 。c v t ) 系统为研究对象，如图1 7 所示。在研究d s p m b l 电机电磁特 性的基础上，确定整个系统控制方案，根据控制方案建立相应的控制平台对控制策略进 行实验验证。具体内容如下： 1 ) 系统地研究了当前国内外混合动力电动汽车的发展现状，并系统地分析和比较当 前主流的几种e c v t 系统结构。 2 ) 介绍了d s p m b l 电机的基本工作原理，分析了其电机的静态特性，在其基础上 对一种新型的以d s p m b l 电机为功率分配装置的e c v t 系统进行研究。 9 东南大学硕士学位论文 3 ) 根据推导出的数学模型，利用仿真工具m a n a b 及其子工具箱s i i n u l i i l k s i m p o w e r s y s t e m s 建立基于d s p m b l 电机的e c 系统稳态和动态仿真模型，以验证控 制策略。在仿真中采用两路功率流传输控制电机，即e v t 传输模式和功率直接 传输模式。仿真模型主要分为两部分，包括e v t 模型和功率直接传输模型，并 进行了模仿汽车启动、加速、减速及停车等工况的仿真研究。当汽车处在巡航状 态时，系统通过双向晶闸管构成的双向功率开关向驱动电机供电。 4 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯片，设计并搭建e c v t 的两路控制系统硬件平台，主 要包括不控整流电路、电流采样电路、电压检测电路、速度信号检测电路、信号 处理电路、p w m 信号驱动电路以及逆变电路等，主要实现电机转速和电流的控 制以及晶闸管的控制，同时设计并编写相应的软件系统。 5 ) 在搭建的控制系统上进行一系列稳态和动态实验。对比分析实验与仿真结果，证 实该控制系统具有较好的调速性能以及控制算法的正确性，同时进一步验证以 d s p m b l 电机为功率分配装置的e c 系统的可行性。 对全文工作进行总结，并对课题存在的问题和需要继续深入研究的方向和具体工作 给出建议。 图1 7 e - c 系统结构 l o 第2 章双定子永磁无刷电机的工作原理及数学模型 第2 章双定子永磁无刷电机的工作原理及数学模型 双定子电机是指具有两个定子的电机，根据两个定子相对位置的不同可以分为并列 式和同心式【l3 1 。根据磁通方向的不同，并列式双定子电机可分为轴向磁通双定子电机和 径向磁通双定子电机。轴向磁通双定子电机通常指具有两个定子的盘式电机，其特点为 出力大、散热好、转动惯量小和材料利用率高。径向磁通双定子电机主要通过调节两个 定子的相对位置来改善电机的性能。此种电机可以通过控制两套定子绕组的电压相位 差，增大转子电阻，提高电机的起动性能。在同心式双定子电机中通常采用杯形转子结 构，这种结构的电机具有转动惯量小、输出转矩大和功率密度大等特点【1 7 ，1 8 2 1 1 。基于双 定子电机的上述优点，本文提出了一种以双定子永磁无刷( d s p m b l ) 电机为功率分 配装置的新型混合动力汽车的电子无级调速( e c v t ) 系统。该d s p m b l 电机不仅具 有高功率密度和高转矩密度，而且内、外定子绕组互感几乎为零，可以实现独立控制达 到功率分配的目的。 2 1d s p m b l 电机的静态特性分析 1 系统功能及d s p m b l 电机结构 本文提出的以d s p m b l 电机为功率分配装置的e c 系统，其中外定子绕组作为 主功率流通路，经由双向晶闸管构成的功率开关或不可控整流器、逆变器为异步电机提 供能量；蓄电池则经由可控整流器从内定子绕组适时吸收能量或经逆变器向异步电机提 供能量，采用恰当的控制策略，可使内燃机长期运行于最佳燃油经济区。值得一提的是， 当车辆运行在高速行驶工况时，内燃机功率可以通过外定子绕组经由功率开关直接传输 到异步电机，避免了i g b t 等高频开关器件所带来的开关损耗，从而进一步提高了系统 效率和燃油经济性。 永磁体 转子轴 8 忡 i i l 杯形 转子 内定子 外定子 图2 1d s - p m b l 电机结构图 东南大学硕士学位论文 图2 2d s p m b l 电机剖面图 表2 1d s p m b l 样机尺寸参数1 9 1 项目数值 外定子绕组额定功率，w 内定子绕组额定功率，w 外定子绕组额定电压，v 内定子绕组额定电压，v 额定转速( r m i n ) 极对数p r 1 5 0 0 1 0 0 0 l l o 1 l o 1 5 0 0 4 如图2 1 和图2 2 所示，d s p m b l 电机主要由内、外定子，内、外永磁体和转子铁 心环及转轴等组成。内、外永磁体分别粘贴在铁心环的内、外壁，n 、s 极交错排列。 表2 1 给出了d s p m b l 电机的相关参数。 2 永磁磁链及反电动势 基于二维有限元法对一台1 8 槽8 极d s p m b l 样机进行分析，得到该电机空载永 磁磁链与转子位置角( 机械角度) 的关系如图2 3 所示。可见外定子每相绕组相位之间 严格偏移电角度1 2 0 0 ，具有良好的正弦度和对称性。因此，d s p m b l 电机外定子绕组 的永磁磁链满足如下关系： i = c o s ( e 以) = c o s ( p 以一1 2 0 。) ( 2 。1 ) 【= | i c ，村c o s ( e q + 1 2 0 。) 其中，晰、小c 分别为外定子绕组a 、b 、c 三相绕组永磁磁链；惭一外定子绕 组中匝链的永磁磁链峰值；只一转子极对数；醇一转子位置角( 机械角度) 。 同理可得d s - p m b l 电机内定子绕组永磁磁链方程： l = c o s ( e 酢) = 杪。c o s ( e g 1 2 0 。) ( 2 - 2 ) 【= c o s ( e b + 1 2 0 。) 其中，、6 、分别为内定子绕组口、6 、c 三相绕组永磁磁链；一内定子绕组 中匝链的永磁磁链峰值；只一转子极对数；毋一转子位置角( 机械角度) 。 1 2 第2 章双定子永磁无刷电机的工作原理及数学模型 0 o 墨o 掣 餐一o 一o 一o o o 。 0 0 一0 一o 01 0 2 0 3 04 0 5 06 07 08 0 9 0 o