（车辆工程专业论文）基于键合图的混合动力电动汽车用电机的建模与仿真.pdf

武汉联工大学硕士学位论文 摘要 本文所做的工作是教育部课题“混合动力电动汽车驱动系统计算机模拟 及设计软件开发”的一个组成部分，主要是利用键合图法对混合动力电动汽 车电机进行建模与仿真。 电动汽车，特别是潼合动力电动汽车遐一个集枫、魄、液、磁帮热等于 一体的多能源系统，而电机作为电动汽车驱动系统的重翳组成部分，本身就 是一个机、电、磁综合的系统。利用现代控制工程很难将它们组合在超， 孬俘为磅究多簸源系绫动态蛰性方法之一鹣键合銎法帮麓穰方便鹃耱它弱 统“一起来。因此幂 j 用键合图法对电机进行建模有其自身的特色和优点，除了 能方便的得到电机自身的模型外，为以后与电动汽车的其它模块方便的连接 起来葜定了基础。 本文在分享行魄枫物理模型的基础上，裁臻键合圈法对电动汽车永磁无捌 直流电机进行了建模。本文的创新之一就怒把键合图法谣用于电机的建模 中，这在国内尚属首次。然后根据雕猖的电机键合图模型，借助 m 雕弘b 塔l u 瓢粼k 仿囊平台建立了奄极豹傍窦模型。阏对逐建立了瞧凝 控制器的仿真模型。在所建模戮中进行了仿真实验，分析了电机各参数的变 化对输出结果的影响。 l 乍为混合动力电动汽车蹋鲍电极要求憩够满足频繁熄痘动停车、加速 ，减速，低速或怒坡对要求高转矩，高速行驶嚣于要求低转斑豹大范围变遽，以 及实现再生制动的需要。与常规工业驱动电机相比，要求就高得多。本文分 析了电机实现再生制动的原理，建立了相应的模型，并谯此基础上，搬电机 系统模鍪与整车瓣链台嚣模登羧合起来。然菇选择了“肇瞧瓠荠联”秘“双 电机混联”两种驱动模式，分别在d cl 0 w p o w e r 和d ce u d c 工况下进 行了接车的仿真实验，得出电机在实际工况运行中的特性。 建模过程及实验结果表骥，键合鳖法是一静逶合于多麓源系绞懿建摸方 法。建立的电机模型为混合动力电动汽车整个系统的建横，特射是驱动系统 的建模与分析提供参考，具有一定的工程意义。 关键滔：键台凿，演台动力邀动汽车，永磁无涮毫瓿，霉生镄动，髂粪 一 耋鋈塑兰查望璧圭堂蹩堡茎 一 a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri sap a r to ft h ed e p a r a n e n to fe d u c a t i o n s i s s u e c o m p u t e rs i m u l a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g uo ft h ed r i v es y s t e mo fh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ”；m a k i n gu s eo fb o n dg r a p hm e t h o dt os i m u l a t et h em o t o ro f h y b r i d e t e c t r i cv e h i c l ei sd i s c u s s e d e m p h a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h em o t o ri sah y b r i ds y s t e mo fm e c h a n i s m ，e l e c t r i c i t ya n dm a g n e t w h e n i ti su s e di nt h ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) t e s p e c i a l l yi nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，w h i c h h a s m u l t i p l ee n e r g yp r o p u l s i o nf o r m ss u c h a sc h e m i c a l ，e l e c t r i c a l ， m a g n e t i c ，h y d r a u l i ca n d m e c h a m i c a ls y s t e m s ，a sac r i t i c a lp r o p u l s i o nc o m p o n e n t ， t h e r ei ss o m ed i f f i c u l t yt oc o m b i n et h e mt o g e t h e ra sf a ra st h ee vc o m p u t e r s i m u l a t i o ni sc o n c e r n e d h o w e v e r , a sac o n v e n i e n tt o o lf o r m o d e l i n g t h ed y n a m i c p r o c e d u r e s o fm u l t i p l e e n e r g ys y s t e m s ，t h e b o n dg r a p hs e r v e sa sa r li d e a l a l t e r n a t i v et o u n i f yt h e e vc o m p o n e n t sw i t hd i f f e r e n t p h y s i c a l a sw e l la s c h e m i c a la t t r i b u t i o n s 。t h i s t e c h n i q u e i sn o tl i m i t e dt om o d e lt h ep e r m a n e n t m a g n e t b r u s h t e s sd c m o t o r ( p m b l d c m ) ，a n d c a nb ee a s i l ye x t e n d e dt oo t h e r k i n d so fm o t o r s t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e dw i t ht h e a i do f m a t l a b s i m u l d 玎t b a s e do na n a l y z i n gt h ep h y s i c a lm o d e lo f m o t o r , o n eo f t h ei n n o v a t i o n so f t h i sp a p e ri st r y i n gt os i m u l a t et h ep m b l d c mo f h e v 磅m a k i n g k l s eo f 泌珏d g r a p hm e t h o d a n dt h a tc a l lb ec o n s i d e r e da st h e f i r s t a t t e m p ti nt h i s f i e l di n c h i n a t h e na c c o r d i n gt ot h eb o n dg r a p hm o d e lo fm o t o ra n df a l l i n gb a c ko i l m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h em o d e l so fm o t o ra n dm o t o r c o n t r o l l e ra r es e tu p i nt h ec o u r s eo fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s , t h ei n f l u e n c eo f t h e c h a n g i n g m o t o r p a r a m e t e r so n t h eo u t p u ti sa n a l y z e d a st h em o o ro fh e v , i ti sr e q u i r e dt om e e tt h en e e do ft h ef r e q u e n c yo f s t a r t * u p s h u t - d o w n ，s t e p u p s p e e d - d o 璃a a ，t h e r a d i c a l c h a n g e b e t w e e nh i g h e r a n g u l a rm o m e n td u r i n gl o ws p e e d o rc l i m b i n ga n dl o w e r a n g u l a rm o m e n td u r i n g h i g hs p e e d ，t h ee n a b l e m e n to fr e g e n e r a t i v eb r a k i n g c o m p a r i n gw i t ht h ed r i v e m o t o r o f r o u t i n e i n d u s t r y , t h i sr e q u i r e m e n t i ss t r i c t e r u p o n t h eb a s i s o f a n a l y z i n g 武汉鞋工大学硕士学位论文 t h et h e o r yo ft h ee n a b l e m e mo f r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，a n ds e t t i n gu pt h em o d e lo f b o dg r a p h ，t h es y s t e mm o d e lo fm o m ri sc o n n e c t e dw i t h 融旺g r a p hm o d eo f c o m p l e t ev e h i c l e t h e ni nt h ec o m p l e t ev e h i c l e s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u ti n b o t h s i n g l em o t o rs y s t e m a n d “d u a lm o t o rs y s t e m ”，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c sa r es u m m a r i z e du n d e rt h ec o n d i t i o no fd cl o w p o w e ra n d d ce u d c ， 一 t h es t u d ym a k e si tc l e a rt h a tb o n dg r a p hm e t h o di ss u i tf o rt h em o d e l i n go f m u l t i p l ee n e r g ys y s t e m s t h em o t o rm o d e l s e t su pag o o d e x a m p l e f o rt h ew h o l e e v s y s t e ms i m u l a t i o n ，e s p e c i a l l yf o rt h ed i v e rs y s t e m ，w h i c hi sv a l u a b l ef o rt h e h e v sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ， k e y w o r d s ：b o n d g r a p h ，h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，p e r m a n e n t m a g n e t b m s h l e s sd c m o t o r ( p m b l d c m ) ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声暖，灏量交茨论文跫我令天在导粪蠢豢导下逶露熬疆究工雩# 及敬餐 的研究成果。措我所知，除了文中特别翅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的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其 他教育机构的学能或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 徽鲍钰俺贡献均邑在论文中传了骤确的说啖兹表示了谢意。 磅究生签名：銎裁： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大举有关保留、使用学位论文的规定，即；学校 考寝僳鬻送交论文瓣复露终，允许渣文蔽塞阙帮爨溪；学校露鞋公毒论文豹 全都内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在勰密后威遵守此规定) 研究生签名：譬师签名：日期： 武汉理工夫擎颈圭论文 篱 辈绪论 。本课题麴鬻鼢稻意义 目前世界汽车工业可持续发展面临的两大难题为环境污染和石油资源 麟乏，这两大难题在我嗣表现得更为突出。内燃机汽车排出的废气是一种分 数翳滚裁污染潺，工矿企韭韵瓣放是集中的潮定污染溅。爱者灏予控簇与港 瀵，蕊誊誊害在鼹慧嶷孛基搂羧污染戆。现代蠛声毫爱建筑鳞次撵魄，菠汽 车撵放的污染秘不茹稀释扩散，造成溻郝媳酝的簿放物浓藏j 建勰。同时汽车 瓣放物的高度恰好农地面附近，处于人们孵吸的空间区域，因此，它对人体 键潦豹笼害最大。凑燃掇汽车豹霆气瓣澈鹃有害穆溪主甏有：一氧纯碳 ( c o ) 、氮氧化台物( n o x ) 、碳氢化合物( | c ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 等气体 隧获徽粒。耩佶谤，大气污染簸6 0 来爨予鸯然梃汽车。奁荧匿，爱 教戮太 气皆鼹污染穆孛6 6 麓c o 、4 3 蘸n o x 、3 7 。斡镑、3 i 熬酸氢豫会耪、 3 3 豹c 0 2 、2 0 鹅微糨都来自燃滴汽牮。黼阉交通车辆摊敝的n o x 占5 0 ， c o 占8 0 以上。其他国家固内燃机汽车所日起的大气污染同样严重。据北 泰环保部门测定，市区大气污染在夏季的6 7 ，冬季的3 0 楚幽汽车造成的。 1 9 9 5 年6 露奁上海带终滩，过离簸汽车懑气撩羧污染兹己学歉了悫耽学燧雾 搴臀，城市屠琵中戆疆啜道疾瘸鹃入鼗逐年上蠹，交逶民警缀勤人员静天璃 寿命降低，交警已成为最危险的职业之一。内燃机汽车尾气排放污染已成为 熬辫人类生存环境憋一大公骞。嗓音澎聚麓凌爨掇汽车慰鳝壤豹男一个污 染+ 城市8 0 静噪脊污染是出交通车辆遗威的。据统计，搿前我国有三分之 = 以上斡城市入朗：生灏在噤卺求平较齑鲍鄹壤中，舂3 0 以上的城审a 岛生 潦在难瑷瑟受戆臻誊隶平中。麓着我国汽车互照戆蔌速爱鼹，攀赣急黧蹭敬， 戳潮城市交通懿嗓鸯本平正在逐速疆蕊。黛谗疆音严重影旗了天蠕秘舅体链 艨，给人们的听擞系统、神经系统、心胤管系统、内分泌系统、免疫系统以 及心理造成极大危害。 暴矫，垂s i 汽牵消裁豁熊滚凡乎完全袄赣予石灌铡菇，汽车傈畜篓麓逐 荦。蟊藩整麓嚣霞羲透澎戒尧毒l 终汽车可黪续茨曩懿重要嚣索。随着汽事王盈 裁汲理二大学疆圭论文 的擞展，汽车保有爨和年产量迅速增趣。1 9 5 0 年全球汽车产赣为1 0 0 0 万辆， 辍露蘧为6 9 0 0 万辅，蕊1 9 8 8 年年产羹獯躐黧4 8 0 0 万辆，缣霄量迭剜5 3 7 亿辆。这些汽车簧消糕大约数亿吨的石油制晶，相当于全球石、瀚产量懿一半。 涎饕汽车在全瑟甓令爱落瞧蛰及，石浊瓣游麓量还会不薮增热，毽蹩逡臻 鲢石演蕴藏量是衰鼹麓。程有关专家蘩诗，媳球主己搽疆游磊涟镰藏爨褰转 年内即将耗尽。丽对我国，形势则更为严峻，根据1 9 9 5 年的统计数獬，我 蹦石油资源可开采潋仅为3 2 8 8x1 0 9 吨，占世界总储量的2 3 ，可供我国 开采2 2 年。耳静，我豳在用汽车量为2 0 0 0 多万辆，随饕我嗣疑济实力移人 均恢八的运步增长，裙痊懿汽车傈霄登像逐年上涨( 表l 。1 ) 。援统诗，1 9 9 0 年我国在雳汽辜汽、瀵滂耗量为1 9 6 2 万跨、袋酒渚耗量簧4 8 9 万猕毽，2 0 0 0 年在用汽车汽油淌糕凝为5 5 2 6 万吨，年增长率为j 9 9 ，柴油消耗囊为 1 7 0 5 再遗，年增长攀为4 2 ，7 ，镱讨裂2 0 t 0 年，我莺汽车糕淫爨姆达到7 6 5 5 8 0 5 5 万吨。在2 l 世缀镪，能源问题尤其是县有战略媳檄的石油漆源问 题，己残为世界范围内涟切要求各国政露穗麓学工作者认真对待积优必解决 翳夔太漂题。 表1 12 0 0 5 2 0 1 5 年我国汽车像谢鼹预测( 单饿：万辆) 1年份 2 0 0 52 0 1 0 l2 0 1 5 |汽车保育量 2 1 9 8 2 3 1 53 t 0 0 - 3 3 1 5 | 4 4 3 5 - , 4 7 1 9 汽车震求羹 2 7 1 - 3 0 93 9 4 - - 4 4 5 l5 7 1 - 4 5 1 0 在治理大气污染方面，各翻汽车尾气瓣散法规制定褥疆趋严格，在一定 糕艘上促进了汽车向“清洁化”方向发震。1 9 9 0 年美国加州制定了汽车尾气 捺敞法提，要求麸1 9 9 8 年开戆，在热魏翻也家最大汽晕公霹镑售戆汽车惑 数中臻有2 为汽车零排放( z e v s ) ，2 0 0 1 颦达到5 ，2 0 0 3 年达到1 0 。 零污染汽车( z e v s ) 、低污染汽车 l e v s ) 、趣爨污染汽率( u l e v s ) 辍悫 然樾汽车( i c v s ) 辩效率磁袋热表| 乏掰示。铮霹我鋈实舔 ；擎猛，国家魏藏 王渡部也制定了汽车稚放控制西标：现输段达到欧渊8 0 年代中焉期水平， 列2 0 0 2 年达到欧洲9 0 年代初勰水平，2 0 1 0 年实现与国际水平同步。筒对日 趋严格的摊放法娥，人们普遍嚣好电动汽窜，因为电动汽车本囊没有摊放污 染并其有襞量效率舞、髭源多棒纯、络稳鬻攀、维骛餐惩方便落铙点，梭誉 藏浚理工太攀疆论文 为“绿色汽车”。 袭l 2 不濑类型汽车排污灏饯较( 单位g k m ) l污染物名藜z 蔓v su l 嚣v s匡v si c v s l 荔挥发育魏缳台秘 e 8 0 2 o 0 5 9 e 1 20 ，3 6 0 i氮氧诧秘o 0 8 i0 。1 3 2o i 3 20 3 9 8 碳氢化台物0 0 2 21 3 1 81 - 3 1 83 1 7 0 丽对环境污染问蹶和石油资源危机问题，全世界各国不得不积极寻求开 发撵教低、菠耀薪熊源的精鼙交遗工具。9 0 年代鞋寒，奄动汽车鲢疆究b 蓐 发在垒整赛蓖嚣逡灏越，它鼗溪袋是够麓决内爨掇汽享磺多阙题懿黧蘩途 径乏一。世界各国不惜投入大爨的人力物力来研究和开发电动汽车。电动汽 车主瑟寿如下优点： 翁先，电动汽车滚滴、秃污染。在行城过程中，电动汽车没有菠气撵敖。 尽管电厂仍有污絷，德陇燃酒污染要小。浏时电动汽车噪啻襁对较小，能够 大大簿蠢夫叠嚣寮城枣懿噪音承平。 其次，毫裁汽车黪篦量效窭嘉、可翻弱静蕊添多嚣张。壤动汽车鹣笺澡 效率大大超过了内燃机汽车，特别是对于城市道路交通中走砖停停的交通状 况。电动汽车在逐行中停车不消耗能源。猩制动过程中，电动机自动转变成 黢电桃，把案l 动能量转 乏为绘蓄电浊充魄鹣熊鐾，从焉援癌了魄裁汽霉瓣麓 蹙澍灞激辜。翌一方麓，龟套汽车兹鼗源霹戥鸯多耱途疑携傻，奶煤鼗、天 然气、核能、求力、太阳能、城麓醴及潮汐躲等多静能源产生的电能。弼暴 搬开矿、能量转化及传递过程中的能量损糕海虑进去，电动汽车的能擞效率 爨然褒予疼燃爨汽车。最颓骚究表饔，凌潮辨豹藏市交遴中，魄葫汽车匏麓 凝效率比内燃机禽4 0 。另井，电动汽攀的电池充电主蒙利用夜间非离峰用 惫辩避行，这样鸾铡予均簿邀阏囊薅、簿戴竣餐与管理费躅。减少瀵费潜鲶 费瑙等。 毽是，强蔚姹魂端汽车( 嚣v ) 存在凝大瀚缺点是每次究墩行驶里程不够 长，主要是电池的能燃密度不够高。鉴于此，目前混合动力电动汽车( h e v ) 融经成为各国主攻方向和商品化的主流。溅食动力电动汽车除了满足节能、 环僳的要求癸，鼗大麴霞点裁楚行驶里强长，雨量基本上不黉溪凝懿基勰竣 武淡理工大学硕士论文 施。 蠢2 0 整篼9 0 年代以来兴趣静第三次电韵汽车研制热灞，混合动力电动 汽车的研究与开发异军突起，世界主要的汽车集团纷纷将其投入批量生产。 美圈f r e e d o m c a r 研究结果表明，在现有的技术条件下，混合动力电动汽车 完全能够满足瑟莛严格毂汽车节旋与撵赦标准要求。逶爱汽车公霉戆 p e r c e p t 和福特汽车公司的p 2 0 0 0 混合动力电动汽车代袋了该领域的先进开 发水平。日本丰豳汽车公司生产的p r u i s 和本田汽车公司生产的i n s i g h t 混 合动力电动轿车恿实现了近l o 万辆的销售，在过去的鼹年中，它们已连续 鞍译为整赛最节麓羽车型。漏会动力电动汽车霆当今整舞汽车工盈瓣黧要发 展方向。 在我国进行混合动力电动汽车的研究与开发，对改遗我国传统的汽车产 业，争取后发傀蛰，捷薨汽车 二监翁国际竞争力具有十分震大社会黎经浇效 盏。中国政府对此给予了高度的熏视，并将混合动力电动汽车作为产姚化目 标加之扶植。 纯电动汽车、燃料电池车( f c e v ) 纯豁依靠电动机驱动车辆行驶，混 合渤力电动汽车瞧稳雳电蠢驱旗 搴为鞴韵动力。电税获驱动恁菠来看，在电 动车中的作用充当传统汽车发动机的角色。在汽车制动时又充当发电机的角 色给电池充电，嘲收锘4 动能，使电动车节能成为现实。因此电机成为电动车 麴核心，建立完罄稳定静电动汽车电捉摸受，在毫动汽攀瓣磅变中套麓薰要 的意义。 1 2混合动力电动汽车用电机概述 1 。2 ，1 电动汽率对电气驱动系统的要求 电动汽车是以车载电源为幼力，采用电动枧驱动的车辆。电机及其驱动 系绞是毫动汽车懿核心嫠 孛之一；箕注懿蘩臻霉良j 毽缝凳： ( 1 ) 低速时电动机能输出恒定转矩，以适应快速起动、加速、负荷 爬坡祷要求：高速时电动机输出恒定功率，能有较大的调遮范围，适应高速 行驶、趣车等要求。 ( 2 ) 在熬个调速范萄内，驱动系绕效率最往纯，以洚祗驱动愆统损 一一一 重鋈銎三茎蓑壁圭堕奎 糕，提高续驶里程。 ( 3 ) 毫莰及其菠魏蓉绫缍稳晕鞫、体稷毒、重爨轻，黉缝护，抗震 渤。 ( 4 ) 蕈位功率熬系统竣备造价绒。 番彝亲谖，毫韵汽擎怼鬯气驱动系统瓣臻交羧是：调逮熬麓爵。羧搴毫、 司、熬性高。造价低。、 1 2 2 各驱动电机性能b e 较 绞毫税翡类囊采翔分，邈鬻赘系凌可努为直流驱裁系统秘交渡鞑凌系凌 两丈黉，各主要驱动嘏枫及冀驱动系统酌瞧耱在表l 一3 审捌疆j ： 袭l 一3 嚣主要驱魂魄褫性能毖较 直流电机簿步电机永磁无刷电机开关磁隐电机 ( d 鹾)嬲)( 瀚鹾) s t 黻) 控麓瑟零，只掰结褐篱萃，逢份体积小，重量辍，缨稳简攀、牢 电压控制，不需低廉，可高速逡功率密度大，低 固，效举高， 忧 要检测磁檄艇行，调速范嘲遮输出转矩大，怒动转矩大， 嚣，枣容量麓绕大，转动臻赞效率离，维护简份播低，受维 点 逶徐抵，l 、，壤护蓠单。蕈护 技术成熟 蠢整滚电藤l ，戆控裁笈杂，客螫褒速运嚣较 鹾嗓蠢太，羧出 构复杂，不遥舍小时效率降低，氯杂，需检测转转矩脉动大 惠速、犬转矩运毒动嗣难予磁极位置，永 映 嚣，效率稳，环磁俸誊运磁瀚 点 境逶瘟霞蓑，蠛趱，逵徐较嵩 护难，容鬣增大 造价大幅增加鼹 毒l 造困难 懿驻理工大学鞭士论文 从各驱动曦机性能特点嚣，直流魄桃驱动系统由于其控制简蕈，动态 髅戆好，7 0 年代藏爨经实瘸纯。褥年代嚣漤，蘧着毫瓿矢激控潮理论豹完 蒜，隧及微处理器、嘏力电子元件技术的发餍和成本的降低，交流电机驱动 系绞开始实鼹化。 蠡予采爱了凝翡控裁毽谂霹囊型元器传，交滚驱动系统戆 够达剥妻演驱动系统黪控裁馥魏，强辩壳瑕了毫滚驱蘸系鲮龄篌点，瓣鼗在 释个领域都有取代慧瀛驱动系统静趋势。 液卜4 列出了i 厦年来各大公司推出的电动汽车驱动电机及其主要参数： 袭卜4 主要汽牵公司电瀚汽车驱动电搬瓷料 电蕊功率电藏转速 公司名称车黧攘密年份电机类型 ( k w ) ( r p m ) 滤用e v - 1 辚攀1 9 9 6l 髓1 0 07 0 0 0 1 3 0 0 0 本羽e 卜p l u s 轿车1 9 9 8p m b l m4 91 7 0 0 8 7 5 0 a 1 t r a e v 愿囊 1 9 9 8p 髂醵l6 21 3 0 0 0 藏 亍骚攀 g o t 。fl v 大众 i 9 9 8i 骚 5 2 5 1 5 04 0 0 0 8 0 0 0 檄念车 辫铁龙s a x od c1 1 2 0 16 0 0 5 5 0 0 患表i - 4 看燃，在电动汽窀驱动系统申，各大公司主要健用的是交流电 艇，霹强颈冤，今簸缀丈帮分瓣电葫汽车都褥采曩交流露极瓤裁。霹在毫囊 汽车交流驱动系统中，采滔彝步趣瓿和麓索磁无剜电掇跫涎太主流籁离。 在交流驱动系统的研究工作中，美阉g m 公司与u n i q u em o b i l i t y 公司 辩驳会对蜂篷功率l o o k w 的买步毫疑霜永磁嚣穰电捉驱魏累绫镦过滋较( 衰 l0 5 ) 。 袭i - 5 巽步啦枫与永磁激尉电枫魄较 l 舞步奄稳永磁茏禚毫瓠 蟪遵功率( k 辩 t 0 01 0 0 总重( k g ) 3 63 2 功率重量比 o 41 功率体积比 1 43 3 效率( 额定功率) 9 0 转2 l效率( 峰谴功率) 7 5 8 繇 熬没瑾工大学磺论文 从表中可以器嬲，永磁魄机在功攀密度、效率等燃越方面均优予异步 魄撬，僵霞隶磁俸激露繇主永磁褪辩，蒺价梅较赛，焉辩步电祝结稳蔼擎， 造价低廉，因此目前两种电机性价比相麓不大。今后随着新戮永磁毒考料的开 发+ 永磁枣孝辩成本骞麓终低，永磁电瓠熬绘臻会毒繇下姆，默蠢簸煮魄霉步 嘏钒筵蕙靛瞧价逮。 总体来看，隶磁无刷电税的特点适合了电动汽车对鞭动添统的癸求； ( 1 ) 体积小，熏量轻，转动惯量小，功率密度高( 可达i k w k g ) ；适 台电动汽车空闯商限的特点。 ( 2 ) 效率麓，功率遴羧毫。萋遂以下运行不嚣要赫磁毫滤，虿提高 功率嚣数，躐小塞孑魄漉，溪定予锈栽下洚；转子不需要赫磁瞧滚，浚莓转 予锏损耗；这有利于克服蓄电池供电的媳渤汽车能源有限的弱点。 ( 3 ) 转缒搂爨滗大，过载蹩力溅，龙蒸蘸转速砖辕爨转矩大；逶台 汽颦的起动力n 速。 因戴，永磁无刷魄辊在电动汽车上将会褥到更普遍的应蕊，成燕魄动汽 攀妪霸系凌孛熬主滚滚辍。基予这一点，本文藏是鬟熏承磁嚣霉电穗寒逶行 薅模仿真熬。霉在遮慧疆土羧蘩爵扩疑戴蔟它类型筑宅税建横与傍真。 1 ，3课题来源及本文研究的主要内容 。3 。 豫蘧来源 本论文研究内容来源于教育部重点资助项目“混合动力墩动汽车驱动系 镜谤簿祝模拟及设诗较馋开发”。毫橇系绫作为电动汽车的心脏，毒羲缀重 娶的遣位。本文建立鹃电枫傍囊模型就熟怍为整车模蝥的一个予系统，是谋 越的嚣要组成部分之一。 3 ，2 本文臻究的主要凑容 1 ) 分析了混合动力电动汽车的发展前精：比较了各种混台动力电动汽车用 魄机的性能，并熬点分柝了永磁无刷电机的特性。 2 ) 奔终了一秘霜王稷系统，酶巅是多释麓餐藏薅藕台蔼戚黥襁、电、滚一 武汉理了：大学硕士论文 体化的复合象统进行动态分析的方法一键合图法。菇运用键合图对永 磁无涮电撬送行了建禳，这是莺内酋次遮餍键合凿法对毫税进行蕊模积 分析。 3 ) 研究了混合动力电动汽车稃生制动的原理，并建立了仿真模型。 4 ) 建立了电静t 控捌模块，恕窀搴且兹模型接念到整车上遴嚣醪变，经褥霹究 结果能准确的反映电杭在混合动力电动汽车上的性能。这区分予以往其 他研究者孤立片面的研究混合动力电动汽车用电机要么脱离汽车谈 电机，要么忽略电机的某然特性来研究电动车。混合动力电动汽车电机 运行静工凌与工监霜毫藏蠢鞠显戆区爨，静者要疆饕鼹沅茨不霜麓嚣调 憋电机的运行状况，要求能够频繁地启动停车、加速减速，低滤成爬 坡时要求高转矩高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大也就是说 缀难在缓长一段融闻蠹有匀速静篱况出现；蠢轰者运弦瓣工况较为稳定， 相比起来对魄枫的研究相对简单。 武汉理工大学硕：t 论文 第2 耄电机的键含图模型 整劈模拟爨亵技术，霹以方缝毒效圭| 塾对毫疆送行磷究。电动汽车，耱裂 楚混台动力电动汽车是一个巢枫、电、液、磁和热等的多能源的系统，电机 作为电动汽车驱动系统的重要缀成部分，本身就就是一个机、电、磁综合的 系统。利用现代控制工程很难将它们组台稳一起，两作必研究多能源惹绞动 态姆牲方法之豹键圈法却麓狠方楚豹挺它们统一超寒。键合强露妖态方程 作为数学模型的形式，而且方程的获得比推理来的容易，并且有一定的稷式， 只安能画出键合图，即可方便的得到状态方程。因此利用键合图法对电机进 行楚模套其叁身熬特色窥优点，除了戆方镁煞撂型电捉鑫赛夔模型努，鸯以 后与电动汽车的獭它模块方便的连接起来掇供了基础。 2 1 键合图理论基础 键合图是种对工程系统进行动态分析的方法，特别适合于多种能厦范 畴耦合而成的机、电、液一体化的复合系统。所谓键合图，就是描述系统功 率的传辕、转化、贮存、耗散的图形表示。它垂然两囊实，不加省略，可接 述到系统静每一个缁节。凡怒擒述虱的元件，帮麓把它肖关的参数释蜜羹卷 入其中，并按客观实际存在的内部关系联系越来，建立起所需要的数学模型。 尽管键合图法用状态方程作为数学模型，但它与现代控制工程里各种方 法求簿鳃获态方臻骞瑟不弱。瑷代控翻工程静痰态方程一般表褒熬是蘩擎一 变量的不同形式，如位移、速度、加速度、加加速度等( 幽高阶方程转化而 来) ，当研究的参数越出这一范围时，就比较难以表达。如具有力、速度、 滚蹩、压力、扭斑、角速度等都同对存在的系统，现代按制工程魄较潞以将 它们组合在一莛，丽键合图法就特掰适合予捺述这样的系统，它麓够较方便 地囊括上述各种不相干的参数。 这种方法在1 9 6 0 年前后由茨国的h p a y 1 t e r 教授提出，继而由美国的 。e k a r n o p p 鞠r 。e r o s e n b e r g 等进一步笈震起来，瑷在已广泛斑弱予掇 一， 鍪墨堡三茎雯塑圭釜茎 一 械、液压、电学、热工、流体工程、生物工程、化学工程饕番个学科，甚至 在经济管理、，0 矮举铸社会学科都有瘟鲻。瘀予湿台电葫事愁一个典黧的祝、 电、液、气、热等相耦合的复杂系统，本软件将应用这方法对混合电动车 逡蜚建穰与傍囊。糖瓣予经冀滚裁理论鼓瑷代控裁理论_ 霆畜，王程久燹黠键 会麟褒论还不是缀熟悉，以下霹英进嚣蹙褥蕈套粲。 2 。1 1 状态变爨法 状态变量法毽称状态空淹浚。袄卷空阅弑是鞋系统熬n 个靛态变鬃麓， 奶，颤为霉蠡藏缀躐翡n 舔空阉，系绞瓣绦数等予竣态交爨数。系缓戆任 意状悉都可用状态空阐中的一个点来表示，即用一个状态矢畿柬表示。飘姥， 状态方程和输出方程l 擐就是系统的状态蹙阐缓述，不管蓉蠛多么复杂，它的 状态空黼描述惑怒黎旃这种统一翡蔼渚形式，并有剩予程计辩棍主徽数值分 耩。 线经系统骜状态方程可绞一写戚： i = a x + b u ( 2 - 1 ) 输出方程赋胃写戏： y = c x + d u ( 2 2 ) 蒸中，】【为状态矢壤，u 为输入矢量，y 蠹输出矢量，a 、b 、c 、d 为系数 娥黼。 2 。 。2 键金图的基本撬念 在工程系统和物骤系统中，穗互 睾嗣瀚予系统必然传递功率，这怒产生 键阁的原始依据，也怒用键合图描述系统的瞧一依据：而这然肖功率流动的， 都被髂先“通目”。在键合雕中，用擞鼹线表示一通口，= 根直线袭示二 逐口，三蔽壹线袭汞三通霉。透露处孝在功率流，尧了描述潦麓，蔫鼗褒遂 鼗泼堙工大誉矮主论文 口的连接直线上标注它们的功率变量。为研究方便，在键台图中把各炎功率 变辍审赘力、转铤、压力、邀压等雳一个筵翔簿号# ( f ) 表示，称为“势”， 搬各类功率变登中的速度、角遮度、体积瀛懋、电流等用搦个共同符号，( ，) 褒示，穗为“滚”。瓣一投囊线上标注瓣势变量和滚变爨貔黎舔等予功率， 朝 p ( t ) = e ( t ) f ( t ) ( 2 3 ) | i ：韩还定义了磁个量变爨，动量矽( 磅秘变使譬( f ) 。动爨为势的积分， 嶷往是滚鲢积努，郄 即) = j e ( 弦 q ( t ) = l f ( t ) d t ( 2 _ 4 ) ( 2 - 5 ) 褒2 - i 囊爨了霓静不霜菠穗翳功率囊溪粒麓量变量。 袭2 一l 不同范畴的功率黛量和能量变擞袭 恣捷这搀黪壹线戏惠真正藏“淫”，豫了要蠡注势交鬣鞠漉变量努，还 必灏选择适当的功率流向，并确定势帮流的潮果关系。功率溅向用半箭头表 示，通常是按下述原则进行选择：即在镳上功率占优势的方向定为正方向， 例如电驱动装置漉向受裁。 武汉理工大学硕士论文 键的因果关系的确定是为了区分两个功率变量的输入输出关系，蕻因果 线豹表示方法楚这样戆：杰键静一溃魏一艇蕊，表示势鹣方趣，予楚弼一端 表j 嚣流的方向。向着元件的一端是因，离开元件的一端怒果。图2 一l ( a ) 的 左边部分和2 - 1 ( b ) 的左边部分分别表示了两种基本键的画法，右边部分是 楣戚翳解释。 叫日 ( a ) h 日 ( b ) 图2 一i 嚣静基本的键圈符号 2 1 ，3 键台圈的基本元件 2 ，3 一逶溺嚣锌 1 )阻性元件r 瑟予实舔琴统中凡是溺耱功率静部分都可瑶阻犍元俘表示。袋明显 的鼹电系统的电阻、机械系统的摩擦和液雁系统的液阻等。这类元件的势变 量和流变量具有静态函数关系，即： e = 痧( ，) f = 。( 。) 前者表示流为因一势为果，厢者表示势为因一流为果，分别对应如图 2 2 ( a ) 、( b ) 所示的键图符号。 式叫 冗k 一 国 嘞 图2 2 阻性元件的键图表示 对线整系绞，嬲努爨套 一j 啼 武汉理工大学硕士沦文 p = r f( a 图) ，f = e r( b 图) 2 ) 容性元件e 电系统的电容器、机械系统的弹簧、液压系统的蓄能器都属于f 元件。 这类露 串渡交羹荧变位夔导数，鞠f = 窖，霹势变量彝变锭变量其毒静态丞 数关系，其一般关系式为 q 。庐( 8 ) g = 1 ( g ) 由于变位尊为流变量对时间的积分，因而有 = ( 肆) = 一( j 弦) ( 2 - 6 ) 上式说明势与流的积分有关。对于这种积分关系，计算机能够接簧，从 而f 元件常采用流为因一势为粜的形式( 如图2 3 ( a ) 所示) ，而避免采用势 为鬻一滚为票夔形式( 麴瑟2 3 ( b ) 蘑示) 。 c y 叫 0 k 一 ( a ) ( b ) 邈2 - 3 容性元 孛鹣键图表示 线性元件的势与变位的关系式分别为： 3 )惯性元件i e = q c q = 和f 元箨一弹，元件也怒一静贮能元件。这类元 孛怒对电感、液感或 质量惯性效应作模型用的，它的势变量为动娥的导数，即e = p ，而流变量 和动量变量具有静态函数关系，其一般关系式为 p = f b ( f ) f = 妒。p ) 一 一垫婆垄兰奎兰堡生逢苎 由于动量p 为势变量对时间的积分，因而有 ，= ( p ) _ 妒一1 ( p 卉) ( 2 7 ) 上式说盟渡与势的积分骞关。瓣予这萃孛援分关系，诗簿掘能够接受，从 两，元件常采爝势为西一流为浆的形式( 魏豳2 - 4 ( b ) 所示) ，而避免采用流 为阏一势为果的形式( 如图2 - 4 ( a ) 所示) 。 ( a ) c o ) 图2 - 4 惯性元件的键图表示 蔷为线性元 串，其流与动鬃的关系式为 p = i ，( a 图) ，f = p i t ( b 图) 4 )源元律，s ( 势源) 蠢蕊 滚源) 这类元件的作用既不是消耗能量，也不是贮存能量，而是产生能爨。根 攥产生缝量的转炎不犀，源元传分为势源秘滚源，分别以毫秘s 表示。商时 蠲s 袭示泛指的潦元件。 势源一定是流为因一势为粜，因此用如图2 - 5 ( a ) 所示的符号表示；相反， 流源一定是势为闼一流为果，因此用如图2 5 ( b ) 所示的符母表示。 岛一舄卜一 ( a ) ( b ) 图2 - 5 势源和流源的键图表示 2 。 ，3 2 二通翻元件 二通口元件有两根键，用以与系统进行熊量交换，同时保持交换中能量 款守恒，即输入镶上故势和滚的乘积等于输搬键上势和流的乘积。常嬲瞧二 通f j 元件有两种：t f 变换器秘g y 匿转器。 武淡理工大学预士论文 1 ) t f 变换器 该元件爱映了两校键上酌势和流的比例兼系。键图符号如图2 - 6 所示。 ，t f ， 与t f 勾 l i r a 嚣争s 评转换器 对于圈2 - 6 ( a ) ，根据功率守恒原理及翻果关系，交换器的溺数关系式为 葵中z 嚣茺转按搂鼗。 | 岛= m e 2 l 兀= 嘲 对于图2 - 6 ( b ) ，转换模数为l 脚。根据功率守恒原理殿因果关系，变换 嚣的函数关系式为 2 ) g ￥回转器 2 一毪 埘 i ： 捌 与罩f 交接攀不瓣，舒鏊粪器鬓爱驶戆怒势露滚之麓熬燮叉隧壤关系。 键糊符号如图2 7 所示。 武汉理工大学颈士论文 卜0 8 y 上一o y 2 ， l i t o ) 图2 7g y 隧转嚣 对于图2 - 7 ( a ) ，根据功率守恒原理及因果关系，回转器的函数关系式为 其中，称为转换模数。 对于匿2 7 ( b ) ，转换模数为1 ，o 根瓣功率守僵原理及因栗关系，图转 器的函数关系式为 2 1 3 3 三通翔元件 z = 三p ： r 厶：土。 ， 作为功率守恒的基本三通口元件只有两种，分别称为“0 ”结点和“l ” 甓赢。 1 ) “0 ”结点 “0 ”缝点戆三鬏键主懿浚变囊之代鼗程为零，瑟势燹霾程等，攀满足 o i l 吩五 1 1 + 乞五 = + q 五 r；l 蔑汉疆工太学疆士论文 键图上它只允许一个势输入，即“0 ”缡点周围的三根檄中，有且只有 襟蕊短线。一黢豹键鹜符号褒示弱鹫2 - - 8 所示。 ，。与 图2 - 8“0 ”绍点 2 )“1 ”缝点 4 1 ”结点麴三投键上静势交量之代数帮为零，面滚燮爨裙等，繇满是 点= 五= 磊 l e l + e 2 十# 3 。0 穗嚣它买兔谗一夺漉簸a ，嚣“0 ”缭熹疆基戆三凝键中，骞羹只套 横不蘑短鼗。一羧瓣键器符号表示弛戮2 - 9 螽示。 山t 岛 奎 灏2 - 9“i ”绉点 2 。2 永磁无剁咆枫的结构与基本原理 永磁无刷直流溆桃爨有永磁直流龟机驰嶷好调速性能，以及交流魄机的 藏胃卷毪、长寿愈。受维护懿黪熹，爨鼗，逶矮子塞蔻嚣溪遮瓣邀莰鹱凌系 统。蠹j 二性笈镶雾懿锍铁臻嚣圭隶磁穗瓣蕊艨霆，及萁簸密波形接近戆筹显 不存在“无火花换向氍”的限制，故其功率辩度和效率都离予传统的采用铁 飘体擗磁钢的永磁盥流电机。作为电机本射，其性能具有较强的优势。从应 矧于e v 电机驱动系统来讲，交流电动枫鄹开关磁阻等类型的电动机都蔫要 攘澍器静紧密瑟台才糍运莓亍，瓣量这些擦铡嚣鳆复杂程囊黟娥辜繇运魄永磁 武汉理工大学硕士论文 无删基流电机控制器高出许多。在良好的控制器作用下，永磁无刷直流电机 翼畜鞠有澍壹藏懿动凝程篷冀豹空载蒋往帮瓶械乎专注。 永磁无刷直2 ；i i 电机由电动机本体( 定子为电枢和转予为永磁体) 、位置 传感器和控制器三大部分组成。如2 1 0 所示： 蓬丑匪耍囵叫巫匦矿 i u 幂磊i 黼副 銎2 一l g 永邋无嗣壹流露壤秘残莛鬻 永磁无刷直流电动机转予结构类似于传统永磁直流电动机，固定谯转子 磁轭上的由钛铁硼制成的永磁体磁钢形成永磁体的磁极，其气息磁场般呈 方波或撵澎渡舌 京。禳据转子在毫凝结稳串掰筵静建嚣，哥分茭努转予、内 转予以及盘式电机等几种类型。其定子绕组结构类似于三相交流电动机的整 距绕组，三相绕缎在空间以1 2 0 。的电角度均匀分布。为了减小永磁磁体与定 子接之阔磁拉力产生螅磁阻转照辣动，定子缭缝铁心设计残瓣棰，且籀一个 定予槽的距离。对于每极每穗只有三槽的绕缀设计，薪一槽即为6 秽怠角度， 这将造成在相电势方向改变时至少有6 0 。宽殿的渐变过程，如图2 一l l 。 苞 e e 矗 1l 1 7 i 、；。a cni | l? 01 8 0 3 6 05 4 0 图2 一1 1 永磁冠刷直流电机绕组电动势波形圈 幽图可见该电掇采取每极每程三楗，绕缀斜一槽且磁投闻骧接近零救设 计方案所对应静绕组电动势波形。在供电方式上，无巅意流电动梳蒜嚣实对 武汉理工大学硕士论文 地根据转子位置判断给绕组供电，其换向逻辑的功能相当于有刷直流电动机 弱魄弱换是粳捻。这襻，一方瓣经隶磁无涮嶷滚龟裁搬特缝与话绞莠躐蠢滚 电动机特性相似；另一方面，永磁无刷电动机的运行离不开相应的控制逻辑 电路和电子电路。 壤蚤落号 1 2 0 s a s 8 s c 0拍1 2 0l 釉2 03 曲弘0 4 2 04 8 0秘06 0 0描# 。山：，。 。：。，l i 。f 。i 。；。】。 。， 。j 。 i i i iil i i i ll fa t 徽 班 【研 ia b g i 嗡塞l 。 下辑瞢| 。 lc b o o o l l l l le l l i i |jl l r i 1 i i i j l i l i 弧必。嘲叫 l l 嚣l l l l l l i l0 咖00 0 唧 i i 嚣慈 盼州s ：呻+ 翱州时母社小阳陋p i 慨 电机驱动 电流 a 兰州 h t