（车辆工程专业论文）矢量变频技术在混合动力电动汽车上的应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着环境污染的加剧和石油资源的减少，电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e 的发展越来 越受到人们的关注，我国也将其列入了重点发展之列。然而在电池技术未能取得根本性 突破之前，续航能力的不足已成为电动汽车发展的主要瓶颈。相对于传统的燃油汽车来 说，混合动力电动汽车阻y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 由于其具有良好的燃油经济性和较 低的排放引起了人们极大的兴趣。 电机及其控制技术是混合动力电动汽车的关键技术之一，其很大程度上影响着整车 的动力性、燃油经济性以及排放指标。本文在分析现有主流h e v 驱动电机及其控制特 点的基础上，结合课题组自身技术条件确定以交流异步感应电机作为h e v 的驱动电机， 控制器采用基于转子磁链定向的矢量控制算法。利用m a t l a b s i m u l i n k 对该算法进行了仿 真，结果表明采用该方法，电机的动态性能要优于传统的v f 控制效果，理论上可以满 足h e v 扭矩响应快的要求。 电机控制器的设计主要围绕以下几个方面展开：按设计要求对控制器软、硬件进行 模块化设计，为实现异步感应电机矢量控制构建平台；分析控制器电磁兼容性，采取相 应抗干扰措施保障c a n 总线等电磁敏感设备正常运行，试验证明所采取的措施切实可 行；为降低控制器受车架振动的影响，采用被动隔振方案橡胶隔振器并给出设计参 数，进行多自由度振动模型校核验算，结果表明减振效果达到设计要求；在提高c a n 总线通信可靠性、确保上电顺序、故障处理等控制逻辑正确的基础上，初步进行了电机 台架试验，测试其静态性能并调整控制器参数，试验结果表明驱动系统具有低速大扭矩、 调速范围宽、综合效率高等特性，符合设计要求，为系统动态性能测试、耐久性试验、 整车路试创造条件。 关键词：混合动力电动汽车；电机控制器；转子磁链定向 矢麓变频技术在混合动力电动汽车上的应用 a p p l i c a t i o n o fv e c t o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi nh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i r i 出ys e d o n se n v i r o m n e n t a li s s u e sa n de x h a u s t e dp e t r o l e u mr e s o u r c e s ， t h ed e v e l o p m e n to fe vh a sb e e nr e g a r d e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tb yp e o p l ea n di sc l a s s e d i n t ot h ei m p o r t a n ti t e r n sb yo u rc o u n t r y 皿ed e f i c i e n c yo fe n d u r a n c em i l e a g eh a sb e c o m et h e m a i no b s t a c l ew h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fe vb e m u s et h eb a t t e r yt e c h n o l o g yh a sn o t g e tr u d i m e n t a r yb r e a k t h r o u g h h e vi sb e c o m i n gm o mp o p u l a ro w i n gt o t h e i rb e t t e rf u e l e c o n o m ya n dl o w e rp o l l u t a n te m i s s i o n sc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e ( i c e ) d r i v e nv e h i c l e s n c p a p e rh a sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm o t o ra n dc o n t r o lt e c h n i q u ef o r 髓va n d d e c i d e dt ou s ei n d u c t i o n m o t o rf o rh e v a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no ft h ep r o j e c t , u s i n gt h e c o n t r o lp r i n c i p l eb a s eo nv e c t o rc e n t r e lo fr o t o rf l u x o r i e n t e d n ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yi sc a r r i e do u to nt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e db y m a f l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e f e r a b l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e c o n t r o l l e rc o m p a r e dt oc o n t r o l l e rb a s eo nc l a s s i c a l v f n c d 酷i g no fd r i v i n gm o t o rc o n t r o ls y s t e mm a i n l yf o c u s e s0 1 1t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： u s i n gt h em o d u l a rd e s i g nf o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n t st oc a r r yo u tv e c t o rc o n t r o l ；a n a l y z i n ge m co ft h ec o n t r o l l e ra n d # r i n gs o m e n o i s e sc e n t r e lm e t h o d sw h i c hc o u l dw e a k e n 也ei n t e n s i t yo fn o i s e se f f e c t i v e l ya n dh a v e a l r e a d yb e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s5 0t h a tt h es e n s i t i v ee q u i p m e n ts u c ha sc a n b u sc o u l d w o r kw e l l ：t h ev i b r a t i o nf r o mf r a m ec a ng r e a t l yi n f l u e n c et h ec o n t r o l l e r sf u n c t i o n a lm o d e ，s o t h ep a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o np r o g r a m m ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l e r sp a r a m e t e r s a n dam u l t i p l e - d e g r e eo ff r e e d o ms y s t e mi se x e c u t e dt oc h e c kt h ep a r a m e t e r sa n di ti s a p p r o v e dt ob ef e a s i b l e ；1 飞et e s t - b e n c hf o r t h em o t o ri ss e t t e du pf o ro p t i m i z i n gt h e c o n t r o l l e r sp a r a m e t e r sb e f u r eh a n d l i n gt h ev a r i o u sc o n t r o ll o # ca n df a u l tc o r r e c t l ys ot h a tt o i m p r o v eu t i l i z a t i o no fe n e r g ya n dp r o v i d ef u n d a m e n t a le x p e r i e n c ef o rt h ee n d u r a n c et e s ta n d r o a dt c s to fv e h i c l e k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ：d r i v i n gm o t o rc o n t r o l l e r ；r o t o rh u x o r i e n t e d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：叁鱼日期：墨翌曼：! ：芏 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 至兰垒 导师签名 司互( ；匙 2 丝香年l 月生日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 2 0 世纪9 0 年代以来，汽车作为人类最重要的代步交通工具，其保有量正在全球范 围内急剧增长。汽车工业己经成为世界上许多国家的支柱产业，在人类社会经济生活中 发挥着举足轻重的作用。而车辆和自牵引机械用热机的废气排放水平在很大程度上决定 了世界生态系统状况。尽管电子和自动化技术在热机工作过程中的广泛应用大大改进了 燃油燃烧质量，但随着车辆数量的急剧增加，热机燃烧排放问题仍没有得到有效的解决 1 1 1 ) 另一方面，全球石油储量相当有限，能源危机日益严峻，为了提高车辆的燃油经济 性，保证汽车工业持续发展，必须考虑推出新一代节能的汽车。与此同时，许多国家也 制定了十分严格的排放法规，鼓励汽车生产厂家设法减少汽车排放，开发零排放和低排 放汽车。 电动汽车是一种节约石油资源、无污染的理想“零排放”汽车，并可加大非石油资 源的利用率，无疑是解决上述问题的有效途径，因此受到了广泛的关注和重视 2 1 。纯电 动汽车发展时间最长，曾被全球汽车企业广泛看好，从上世纪7 0 年代至今，可以说比 其他类型电动汽车的发展时间都长，经验也丰富，但由于一次充电后的续驶里程短，充 电时间长，能源补充不方便，在技术上也难以解决废旧电池二次污染、回收困难的问题， 而且电池价格昂贵，商业化进展缓慢等原因，以及由于纯电动汽车的电池技术还未能获 得关键性突破，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡p l ，因而，尽管 目前世界先进水平的电动汽车与内燃机汽车性能不相上下，但过高的成本使其难以商品 化。 氢燃料电池动力汽车( f u c lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，f c e v ) 是目前所能看到的最有可能 产业化的终极汽车新动力方案1 3 , 4 j 。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接 转换电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机做功，能源利用效率是普通 内燃机的2 倍。氢燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污染、无二氧化碳排放， 是一种新兴的环保动力源。由于氢在地球中的蕴藏十分丰富，氢气来源极其广泛，可从 多种物质中提取，是一种可再生的能源资源，取之不尽，用之不竭，可通过石油、天然 气、甲醇、甲烷等进行重整制氢；也可通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢气咧。 但由于其成本高昂，可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏等因素，无法在 短期内取代传统动力汽车。 现实迫使工程师们想出了一个权宜之计，开发出具有混合动力装置的汽车。融合内 矢苗变频技术在混合动力电动汽车上的应用 燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车异军突起，成为新型汽车开发的热点。一 方面，混合动力电动汽车为将来获得生态系统的平衡提供了希望，因为相对传统汽车来 说h e v 百公里油耗较低，且其发动机工作在排放较低的区域：另一方面，混合动力电动 汽车保留了传统汽车的发动机和燃油供给系统，相对于纯电动汽车，增长了汽车续驶里 程。因此，许多国家政府和大型汽车公司加强了混合动力电动汽车的研发力度，并取得 了卓有成效的成果。可以相信，在电动汽车的储能部件一电池没有取得根本性技术突 破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。 由于h e v 一般包括两个或者两个以上的动力源。部件选择、布置方式及混合度不同， 可以构成不同的混合动力系统；另外，针对混合动力电动汽车的不同市场定位，设计且 标也不尽相同。因此，f i e v 具有极高的复杂性。其涉及的技术领域包括汽车、现代控制、 电力电子技术、电机和电热化学等。本文针对设计腿v 用驱动电机控制器，从下列四个 方面进行了论述： ( 1 ) 基于转子磁链定向的矢量控制算法仿真； ( 2 ) 基于转子磁链定向的控制器软、硬件设计； ( 3 ) 分析控制器电磁兼容性； ( 4 ) 设计控制器隔振器。 1 2 混合动力电动汽车发展状况 1 2 1 国外在混合动力电动汽车方面的研究与开发动态t 7 - l o ! 早在1 9 0 5 年，就有人申请了用蓄电池作动力源，驱动电机来改善内燃机车辆加速 能力的专利。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“混合动力电动 汽车是指有两种和两种以上的储能器、能源或转换装置作为驱动能源，其中至少有一种 能提供电能的车辆称为混合动力电动车辆”自上世纪9 0 年代初，混合动力电动汽车 的开发得到了美、日及欧州等许多发达国家的高度重视，已取得了重大进展。美国加强 了企业和政府的合作，以混合动力电动汽车为重点，包括能源部、运输部和国防部，斥 巨资鼓励各大汽车公司和相关部门开展混合动力电动汽车的研究。1 9 9 3 年9 月美国总统 克林顿与通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁提出了“新一代汽车合作伙伴计划” ( 简称p n c v 计划) ，开发以混合动力电动汽车为核心的新一代节能汽车。 1 9 9 7 年底美国重新确定的n i c v 计划，混合动力电动汽车也是四个重点领域之一。 美国先进项目局( a r p a ) 于1 9 9 3 年订立电动汽车v ) 和混合动力电动汽车( h v e ) 项目， 出资2 5 0 0 万美元，与各州、地方和私人机构共同研究e v 和h e v 技术。1 9 9 4 年a r i a 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 项目投资增加到4 6 0 0 万美元。在1 9 9 8 年1 月的北美国际汽车展上，通用汽车公司就推 出了e v l 型4 座混合动力电动汽车。福特汽车公司也开发出“福特p 2 0 0 0 ”型5 座并联 式混合动力电动汽车，2 0 0 0 年投放市场；同时，福特公司开发的“优异2 0 0 0 ”概念车 实验平台的性能己达到p n c v 计划的部分且标：每加仑汽油行驶8 0 英里。1 9 9 8 年1 月， 克莱斯勒汽车公司宣布开发出道奇无畏e s x 2 串联式混合动力电动汽车。 在第3 2 届东京汽车展上，日本汽车公司推出了6 款混合动力电动汽车。1 9 9 5 年5 月日产公司开发出串联式混合动力型微型轿车，同年9 月日产公司又开发出可以批量生 产的并联式混合动力电动汽车。日本富士重工将研制微型( 6 6 0 c c 以下1 混合动力型汽车 作为主攻目标。该公司己制造出试验样车，采用了两种储能系统：双层电容器和锰钾离子 电池。可以依据不同的行驶状态，切换使用两种电池；另外，又在车的顶棚装有太阳能 吸收板，停车时可以充电。本田公司开发了以一组超级电容以替代通常使用的蓄电池系 统的j v x 混合动力电动汽车，其动力系统为l 公升3 缸直喷式发动机和电动机。日野汽 车制造公司也于1 9 9 7 年开发出了柴油机一电动机并联式混合动力的客车。三菱电机公 司也开发出串联式混合动力电动卡车，采用两个a c 感应电机和1 8 升的发动机。令人 瞩目的是丰田公司开发的p r i u s 型5 座并联式混合动力电动汽车，该车型于1 9 9 7 年1 2 月推向市场。p r u s 创造性地采用两套动力系统混联方式，采用精密的机械装置实现了 动力系统的连接和能源的传递。 法国雷诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力电动汽车已通过了1 0 0 0 0 k i n 的运行试验。并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车一n e x t ，已试制出样车。这种两用 车前部装有一台汽油发动机、两台7k w 电动机装在两个后轮上。当时速在4 0 k r a h 以下 时，由电动机驱动；达到4 0 k m h 以上时，由汽油发动机驱动，同时可为蓄电池充电， 最大时速达1 4 2 k m h ：若再加速，此时电瓶会提供辅助动力，最高时速可达1 6 9 k m h 。 瑞典沃尔沃公司已在沃尔沃f l 6 卡车的基础上，开发了混合动力电动汽车，时速可达 9 0 k m h 。德国汽车工业己实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里油耗超过5 升 的轿车上路，也促使人们更多地把希望寄托在混合动力电动汽车上 1 2 2 我国在混合动力电动汽车领域的研究与开发动态 我国在“十五”其间将混合动力电动汽车作为重点攻关项目。明确了电动汽车的发 展重点：燃料电池汽车发展居首位，第二为混合动力电动汽车，兼顾纯电动汽车的基本 原则f 6 1 明确提出“三横三纵”的研发布局。“三横”是指纯电动汽车、混合动力汽车 和燃料电池汽车的整车；“三纵”是指电池、电机和控制系统的关键零部件并且对各 具体项目采取了不同的研发导向、时间安排、投资策略、推广及产业化措施，体现有所 矢量变频技术在混合动力电动汽车上的应用 为、有所不为的原则。一汽集团已与丰田合资生产丰田普锐斯混合动力轿车，此外，一 汽自主研发的解放牌混合动力城市客车也已通过国家“8 6 3 ”电动车重大专项专家组的 项目验收。东风集团的混合动力公交车己于今年7 月完成最终产品定型样车试验并通过 验收。长安集团具有完全自主知识产权的羚羊混合动力电动车已产出样车，其装备混合 动力技术的长安c v 9 将于年底下线。奇瑞集团成立了国家节能环保汽车工程技术研究 中心，将于近期对混合动力车进行验收，同时将与英国纽卡斯尔大学进行混合动力项目 合作。 国内汽车界有关未来汽车技术发展的路线基本达成共识：中近期应主要发展油电混 合动力汽车，以降低油耗和排放；远期则主要发展氢动力汽车。随着混合动力电动汽车 一系列国家标准的正式实施，将进一步促进混合动力电动汽车在我国的迅速发展。包括 混合动力电动汽车在内，新能源汽车己成为推动汽车产业未来发展的重要动力，快速启 动新能源汽车战略，并迅速找准自己在这新一轮角逐中的战略地位，是中国汽车企业参 与汽车产业国际化竞争的必然选择。 1 2 3 混合动力电动汽车发展趋势 当前，混合动力电动汽车的研究与开发已在世界范围内由点向面地扩散，发展相当 迅速。发达国家的许多研究成果已走出了实验室，并开始进入市场，如丰田的p d u s 和 本田的i n s i g h t 混合动力电动汽车已经形成一定批量生产。许多发展中国家也已开始筹集 资金，组织科研力量进行可行性论证和关键技术攻关 据专家研究，混合动力电动汽车的生命周期至少有3 0 年，若考虑使用清洁燃料， 其前景则更为广阔。众所周知，燃料电池虽然是电动汽车商业化和产业化的一个希望， 但是由于燃料电池不可逆，如果单纯使用燃料电池作为动力源，在制动和减速时无法实 现能量回收，另外燃料电池汽车启动也是一个有待解决的问题。因此，燃料电池同样需 要与电池组成混合动力系统。在当前电动汽车的成本和电池等技术难以取得重大突破的 时期，研发混合动力电动汽车有利于解决环境、能源等可持续发展战略所要求解决的紧 迫问题。混合动力电动汽车的使用不只是电动汽车的一个过渡阶段，而是汽车工业即将 面临的一场新的革命基于以上分析，混合动力电动汽车的商业化和产业化发展是必然 的趋势。 1 3 混合动力电动汽车关键技术 研发混合动力电动汽车涉及机械、电力电子、微机控制等众多学科领域，其关键技 术包括驱动电机及其控制技术、动力电池及其管理技术。驱动电机及其控制技术、动力 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 电池及其管理技术则是混合动力电动汽车所特有的技术，这几项技术也是一直制约混合 动力电动汽车大规模进入市场的关键因素。h e v 要进入实用化阶段，需具备低成本、 高效率、高可靠性的驱动电机及其控制器、高比能量和高比功率的能量存储装置等。 1 3 1电机技术及其控制技术 电机是混合动力电动汽车的核心部件之一，需具有小型轻量、效率较高、结构简单、 价格低廉、容易维护、宽范围的恒功率控制容易实现等特点。由于电机的调速范围很宽， 要使电机在整个运行范围内都具有较高的效率按普通电机的设计思想是比较难于实现， 因为普通电机通常工作在负载、速度变化不大的情况下，在设计时只要保证电机在这一 点的效率即可，而h e v 驱动电机的工况非常复杂，如车辆运行在平路、上坡、加速超 车、下坡等状态，电机有时工作在轻载状态，有时工作在重载或超载状态，因此提高电 机的综合效率是电机研制的一个关键问题。 国内外混合动力汽车电机控制技术主要围绕三种类型电机进行研究。其中欧洲( 法、 德、英等) 主要倡导异步交流电机驱动系统，日本则倡导永磁无刷电机驱动系统，而美 国则是异步交流电机驱动系统、稀土永磁无刷电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统兼 而有之。从驱动系统的总体性能来看，异步交流电机结构简单、坚固，控制器的矢量控 制技术成熟，但驱动系统的效率以及体积、重量等指标落后于稀土永磁电机驱动系统； 稀土永磁电机突出的优点是效率高、比功率大，控制方法也较成熟，缺点是在高温环境 下容易失磁以及抗振性能差；开关磁阻电机结构简单，但存在噪声大、扭矩波动大的缺 点。正因为目前三类驱动系统很难直接分出伯仲，因此国际上三类驱动系统仍在并驾齐 驱地快速发展之中。 1 3 2 动力电池及其管理技术 动力电池性能的优劣直接关系到混合动力电动汽车的运行效率、驱动性能、整车重 量、使用效益以及成本高低等。动力电池作为混合动力电动汽车的辅助动力源，在技术 上有较为严格的要求：除了安全性以外，动力电池应具有较高的比功率以满足汽车加速 爬坡时对大功率的需要，同时电池还要具有快速充电的能力，以保证制动能量的及时回 收，而目前高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题。此外动力电池还应具有较 高的比能量、体积小、寿命长、价格低廉等特点。 目前在混合动力电动汽车中应用较多的电池有下面三种： ( 1 ) 铅酸电池的比能量一般为3 0 - - 4 0 w h 堙，比功率为1 5 0 0 - - 2 0 0 w 堙，循环 使用寿命一般为5 0 0 - - 7 0 0 次，具有可靠性高、价格低的特点，但由于能量密度较低， 在过充电和过放电时，使用寿命会缩短，深度放电及环境温度变化对电池性能影响较大。 矢量变频技术在混合动力电动汽车上的应用 新研究开发的胶体电池，阀控电池等，在比能量、比功率、快速充电性能等方面均比普 通铅酸电池有较大的提高1 1 3 】。铅酸电池目前需要解决的是进一步提高其比能量和比功 率、电池的均匀性等问题，但铅酸电池性能提高的潜力有限，因此，最终将被其它电池 取代。 ( 2 ) 镍氢电池具有很好的耐过充电特性，相比铅酸电池有比能量和比功率高( 是普 通铅酸电池的2 倍) 、循环寿命长( 在8 0 的放电深度下，具有1 0 0 0 次的循环寿命) 、无 污染等优点，因此倍受各国关注。在欧美各国新研制的混合动力电动车中，多以镍氢电 池作为动力源【1 4 1 。镍氢电池目前需解决的问题是进一步降低价格，在国内则需研制开发 能适用于混合动力车用的大型镍氢电池。 ( 3 ) 目前锂离子电池能达到的指标为：比能量超过l o o w h k g ，比功率大于 2 0 0 w 幻，循环寿命为1 2 0 0 次( 1 0 0 的放电深度) 。锂离子电池是未来最有希望的动力 电池【1 4 】。 混合动力电动汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻等参数都要受电池放电深度、 充放电电流大小及具体的汽车行驶工况等诸多因素的影响。这其中的物理、化学机理较 为复杂，目前国内还局限于电池恒流放电特性或仅考虑了放电过程的变流放电特性研 究，这些对建立一个符合混合动力电动汽车电池实际使用状况的能量管理模型是远远不 够的。研究考虑诸多影响因素的电池充放电动态特性，以便建立一个符合电池实际使用 环境的电池能量管理系统，并为载苟均衡控制装置提供可靠的控制参数，是目前混合动 力电动汽车研究开发中必须解决的问题。动力电池管理系统的作用在于监视动力电池组 双向的总电压和总电流、动力电池组的温升，并通过液晶显示或其他显示装置，动态显 示总电压、电流，温升的变化，同时它还具有对电池组的剩余电量进行准确估计和故障 诊断的功能，从而使电池组能够提高工作效率。保证正常运转并达到最佳状态，早期预 报动力电池组的故障和隐患，避免发生电池的过充电和过放电，有效地延长电池的使用 寿命。同时该系统还能对动力电池组的单节电池进行监控和管理，及时发现单节电池存 在的问题。因此，动力电池管理系统的开发同样是混合动力电动汽车的关键技术。 1 3 3 动力电池及其管理技术 能源总成控制技术是针对混合动力电动汽车上存在发动机和电机两个动力源而提 出来的。能源总成技术主要包括车辆行驶动力学控制、能源分配管理、整车通讯网络管 理、整车状态信息监测及故障诊断四个方面的内犁1 5 j 。其主要功能包括：汽车行驶时发 动机、电机以及动力电池之间的能量优化分配，发出转速、力矩等控制信号，安排发动 一6 - 大连理工大学硕士学位论文 机和电机的出力；汽车刹车时进行能量的有效回收；采用现场总线技术，管理和组织各 子系统间的信息传输、网络监控和节点管理，并具有一定的实时性、容错能力和精确性； 同过液晶或其他显示装着实时监测整车的各种状态信息，如出现故障则进行故障诊断并 报警提醒驾驶员。 能源总成控制技术可以说是脏v 整车的大脑，是混合动力电动汽车关键技术中的 重中之重，应当采用先进的计算机技术和总线控制技术，将智能控制、信号采集、数据 处理和通讯融为一体，实现整车控制的智能化和多传感器信息的有效融合。多能源控制 策略完成对车辆工作模式的切换和功率分配控制。根据不同的工况要求，通过对各部件 工作运行点的控制，达到系统优化的目标【1 6 1 - 。由于混合动力系统有多种方案，控制 策略侧重点也有所不同，优化目标和方法也不尽相同。目前，在多能源控制策略方面已 取得不少成果，出现电气辅助控制，比例分配及功率损失最小控制策略。在文献 1 7 e p 提出的油耗和排放最优控制为一实时控制策略，同时考虑发动机的油耗和排放，在每个 控制周期，根据油耗和排放最小的原则对电机和发动机的转矩进行分配。目前控制策略 ( 尤其并联型混合动力车) 还不十分成熟。由于并联混合动力汽车运行模式比串联型的复 杂，控制策略不仅仅要实现整车最佳的燃油经济性，同时还要考虑适应汽车各种运行工 况，兼顾发动机排放、电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求，并 针对汽车各部件的特性进行综合控制。兼顾上述各方面要求的控制策略的研究，是今后 的一个工作重点和难点。混合动力电动汽车能量控制策略的优化还不十分成熟，而且目 前还多限于理论研究，对控制策略进行优化是目前的一个发展方向。 1 4 本文的主要内容和创新点 1 4 1 本文的主要内容 课题以设计高性能、高效率、高可靠性的混合动力电动汽车电机控制器为目的。主 要进行下列工作：基于转子磁链定向的矢量控制算法仿真；电机控制器的软、硬件设计； 控制器电磁兼容性的研究；控制器隔振系统设计与分析。具体讲： ( 1 ) 在对目前主流h e v 驱动电机作了较为全面的分析后，确定将异步感应电机作 为项目的电机选型； ( 2 ) 对比分析当前异步感应电机两种主流控制方式：矢量控制和直接扭矩控制， 确定采用基于转子磁链定向的矢量控制，并对其进行了仿真，理论上证明采用该算法， 驱动系统动态性能可以满足m 扭矩输出响应快的要求； ( 3 ) 阐述电机控制器的软、硬件构成，分析控制器电磁兼容性，提出切实可行的 抗干扰措施以保证c a n 总线等电磁敏感设备的正常运行，为降低控制器受车架振动的 矢量变频技术在混合动力电动汽车上的应用 影响，采用被动隔振方案橡胶隔振器并给出设计参数，进行多自由度振动模型的校 核验算，结果表明减振效果达到设计要求； ( 4 ) 在提高c a n 总线通信可靠性、确保上电顺序、故障处理等控制逻辑正确的基 础上，初步进行了电机台架试验，测试其静态性能并调整控制器参数，试验结果表明电 机具有低速大扭矩、调速范围宽、综合效率高等特性，符合设计要求，为驱动系统动态 性能测试、耐久性试验、整车路试创造条件。 1 4 2 本文的创新点 ( 1 ) 电机控制器控制算法源于工业用通用变频器基于转子磁链定向的矢量控制算 法。其既继承了矢量控制的核心算法，又根据i - i e v 驱动电机动力输出特点作适时的参 数调整，使得驱动系统具有低速大扭矩、调速范围宽、扭矩输出响应快速的特点，特别 是在速度或扭矩发生快速变化时，不会产生较高的转差率，从而只产生较小的瞬态电流 变化量，以满足h e v 的动力输出特性要求。 ( 2 ) 进行电机控制器电磁兼容性研究，详细分析电磁干扰来源及其传播路径，提 出相应的抗干扰措施，通过对。埘总线通信时的波形分析以及误码率的测试，表明所 采取的措施切实可行，可以保障c a n 总线等电磁敏感设备的正常工作。 大连理工大学硕士学位论文 2 混合动力电动汽车驱动电机及其控制算法选型 驱动电机及其控制技术作为混合动力电动汽车的关键技术之一，直接关系到h e v 的整体性能。电机种类繁多，用途广泛，功率的覆盖面也很大，而h e v 对于所采用的 驱动电机有着与普通工业用电机不同的性能要求。本章首先阐述了混合动力电动汽车对 于驱动电机的性能要求；然后介绍了目前应用于h e v 的各种电机驱动系统，并对其性 能进行比较；在此基础上，结合课题组自身技术条件确定以交流异步感应电机作为h e v 的驱动电机，控制器采用基于转子磁链定向的矢量控制。 2 1 混合动力电动汽车对电机驱动系统的性能要求 h e v 用电机的主要性能参数有：功率密度、效率、过载能力、尺寸大小、质量、 可靠性和成本等。另外驱动电机所采用的控制系统及控制方法也将影响到其性能表现。 具体来说，应用于h e v 上的电机驱动系统应满足以下基本性能要求【1 1 9 】： ( 1 ) 效率高，损耗低，并且具有再生制动运行方式以实现车辆减速时制动能量的 回收，这样才能保障h e v 降低油耗、减少排放目标的实现。 ( 2 ) 体积小，质量轻，具有高功率密度，以利于整车驱动系统的布局及减轻整车 的自重，从而节省空间，降低由整车自重所带来的油耗。 ( 3 ) 低速大扭矩，扭矩响应迅速，过载能力强，调速范围宽，使整车的起动性能、 加速性能以及驾驶的舒适性得到明显的改善。 ( 4 ) 成本低，可靠性好，噪声水平低，结构坚固且易于维护，这样才能降低整车 的成本，并提高h e v 的安全性能，有利于h e v 的市场化。 ( 5 ) 驱动电机所采用的控制系统器件( d s c 、逆变器等) 成本低，控制方法成熟 实用，控制性能好，从而有利于降低开发成本，缩短开发周期并提高整车的驱动性能。 在简要总结混合动力电动汽车对电机驱动系统基本性能要求的基础上，有必要对目 前市场上主流h e v 电机驱动系统进行详细的介绍。 2 2 混合动力电动汽车驱动电机选型 h e v 电机驱动系统包括电机及其控制器两个部分，评价混合动力电动汽车电机驱 动系统的性能好坏实质上就是对不同的驱动电机类型及其控制系统进行比较和分析。电 动汽车在不同的历史时期采用了不同的电机，最开始是采用控制性能好和成本较低的直 流电动机( d i r c c t c u t r e n t m o m r d c ) 。随着电力电子技术、机械制造技术以及各种电机 控制技术的发展，交流电动机( i i l d u c l i 彻m o t o r d 订) 、开关磁阻电动机( s 喇t c h c d 一9 一 矢量变频技术在混合动力电动汽车上的应用 r e l u c t a n c em o t o r , s r m ) 和永磁电动机( p e r m a n e n tm a n e t ，p m ) 显示出了比直流电动机 更加优越的性能，并已经逐渐淘汰了直流电动机。为了对h e v 的驱动电机进行合理的 选型，有必要对当前主流h e v 所采用的各种电动机进行宏观上的比较。比较主要基于 h e v 对驱动电机的性能要求，从效率、可靠性、功率密度、过载能力，转速范围、尺 寸大小、质量、成本、可控性及控制成本等几个方面来进行 2 0 - 2 2 1 。从表2 1 的比较结果 来看，直流电动机具有很好的可控性，调速比较方便，而且控制装置简单、控制系统成 本低。但它同时也具有效率低、质量重、体积大、成本高等缺点，这对于h e v 来说是其 致命的缺点。因此，现在新研制的h e v 上已基本上不再采用直流电动机。因此，本文对 直流电机及其控制系统不再赘述。 表2 1d c 、i m 、s r m 、刚的基本性能比较 t a b 2 1t h ec o m p a r i s o no f b a s i cc h a r a c t e r i s t i c s 从广义上来说，i m 、s r m 、p m 同属于交流电机的范畴，由上面的比较结果来看， 总体上三者的性能均要优于直流电机，都可以选择作为混合动力电动汽车的驱动电机。 但最终还必须综合考虑其他各种因素来选择最为合适的一种电机来作为项目驱动电机 的选型结果。上面还只是对三种交流电机进行了一个总体上粗略的比较，接下来本文将 对这三种电机驱动系统进行详细的介绍和比较，最终结合国内和课题组自身所具有的技 术水平来对项目的驱动电机进行选型。 2 2 1 异步感应电动机及其控制技术 这里所说的异步感应电动机是三相异步感应动电机的简称，其工作原理是通过定子 大连理工大学硕士学位论文 所产生的旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转子绕组内所感生的电流相互 作用，以产生电磁扭矩来实现电机的转动根据转子的不同它分为两种类型：鼠笼式和 绕线式。鼠笼式感应电机效率很高、比功率较高、结构简单、运行可靠、易维护、价格 低廉、最高转速可达1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 r m i n ，是目前应用最广泛的电动机。 应用于混合动力电动汽车的异步感应电动机与一般的感应电动机在原理上没有区 别，但为了满足混合动力电动汽车的性能要求，h e v 用感应电机在设计方面应具有以下 特点：一是尽量减小定转子之间的气隙，并同时减小漏抗，以提高电机的扭矩：二是要 更加注重电机的电磁优化设计，使扭矩，功率和效率达到综合优化；三是要采用轻质新 型材料，减小其质量和体积，以满足整车布局的要求。 异步感应电动机的数学模型具有高度非线性和强耦合性，控制起来比较复杂。目前 h e v 用交流异步感应电机的调速控制主要有两种方法：一是直接扭矩控制变频调速技术， 基本上是一种维持定子总磁链恒定的控制方法，通过在定子坐标系下实时计算并控制定 子磁链和扭矩，利用磁链和扭矩的直接跟踪来实现系统的高动态性能；二是采用矢量控 制，矢量控制主要有基于定予、转子磁链定向等方法。 2 2 2 开关磁阻电机及其控制技术 开关磁阻电动机( s r m ) 是一种新型的无刷电动机，其结构比任何一种电动机都要 简单，在电动机的转子上，不存在任何形式的转子导体和永久磁铁等。s l m 的定予和转 子均采用“凸极”结构，定子和转子都是由硅钢片叠片组成，定子上安装有简单的集中 励磁绕组，定子端通入电流进行励磁，转子的运转是通过磁引力来带动 由于开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，其数学模型的建立是一个复杂的过 程，需要建立其简化线性模型，因此，开关磁阻电动机的驱动系统较为复杂，包括电源、 功率变换器、开关磁阻电机，位置检测器、电流检测器，速度检测器以及微机系统等， 使得其控制和接线也较其他电动机复杂；对于同功率级别而言，s r m 的体积相对i m 也要 大一些，而且s 蹦的电机双凸结构使得其具有扭矩脉动大、产生的振动和噪声较大等缺 点；另外由于s 蹦的相电流是脉冲电流，所以对其直流供电电源将产生很大的脉冲电流， 使其功率变换器的直流侧存在较大的波动电流，需装置很大的滤波电容。 对于s r m 转速和扭矩存在脉动现象，目前只可以在不太宽的转速范围内使其脉动降 低到感应电动机的水平。考虑到混合动力电动汽车驾驶的舒适性和加速的平滑性，目前 要在较宽转速范围内将脉动控制在较小的范围，由于s r m 的高度非线性特征，实际控制 中非常困难。目前s r m 的主要控制方法有电压p 删控制和电流跟踪控制混合控制方法， 同时也可以采用模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法，可以有效降低其噪声和 矢量变频技术在混合动力电动汽车上的应用 扭矩脉动，提高s r m 系统的动态性能。目前，国际上正在开发水冷却s r m 及其控制器和 开发永磁开关磁阻电动机，其性能将进一步提高，同时随着其控制技术的不断进步，s r m 在混合动力电动汽车应用领域将具有极大的竞争力。 2 2 3 永磁电动机及其控制技术 永磁式电动机分为两种类型：一类为永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ，p m s m ) ，另一类为无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，b d c m ) ， 这两种永磁式电动机在结构和工作原理上大致相同，转子都由永磁体构成，定子通过对 称交流电来产生扭矩。其本质区别在于要产生恒定扭矩，p m s m 要求其感应电动势和电流 均为正弦波，而b d c m 则要求其感应电动势为梯形波，电流为方波。永磁式电动机按照 永磁铁在电动机上的布置具有内部永磁型、表面永磁型和镶嵌式永磁型三种结构形式， 在电动汽车中也要采用盘式结构和外转子结构的。美国和日本在永磁同步电动机的研制 方面居于领先地位，目前正在开发的新型永磁同步电机有：带辅助磁极的p m s m ，爪形结 构的p m s m 和混合励磁型p m s m 。 由于受到永磁材料工艺的限制，永磁电动机的功率范围很小，对于大功率的永磁电 动机其永磁材料需要特别加固；其次永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，可 能发生导磁性能下降或磁退现象，这将降低电动机的性能，甚至导致电动机损坏，因此 永磁电动机的过载能力几乎没有；在恒功率操作模式下，其控制系统和感应电机控制器 同样复杂，加上目前永磁材料价格普遍较贵，且在不断上涨，因此电动机本身及其控制 系统成本较高。无刷直流电动机的电磁扭矩，在每相绕组感应电动势和电流同相位的情 况下，其值等于： t - c 卅垂。 ( 2 1 ) 该式与直流电动机电磁扭矩的表达式是相同的，因此控制起来比感应电动机要简单 得多，是当前h e v 领域应用较多的一种交流电机驱动系统，著名的混合动力电动汽车 p r i u s 采用的就是永磁式电动机。目前永磁电动机的控制主要是采用矢量控制方法，可 使其具有宽广的调速范围。 基于上述分析，h e v 用驱动电机基本上已形成主流，但并不单一，而是呈多样化 趋势，形成了感应电机和永磁电机两大主流倾向，欧、美主要采用感应电机，日本则采 用永磁电机。各种交流电机驱动系统性能综合指标各有侧重，不能说哪一种电机就具有 绝对的优势。选择何种类型的电动机作为h e v 的驱动电机应综合考虑电机性能、控制 成本、自身技术水平、产业化前景等因素。 大连理工大学硕士学位论文 交流异步感应电机控制比较复杂，控制系统成本高，但其制造和控制技术比较成熟； 永磁电动机在体积、质量、可靠性及效率等方面要优于感应电机，但由于采用了昂贵的 稀土合金永磁材料，成本较感应电机高，而且其制造技术和控制技术也没有感应电机成 熟，同时由于对于h e v 大扭矩、大调速范围的应用必须在结构上取得传统设计上的突破。 面对日益严重的能源危机与环境污染，在电池技术取得重大突破以前，研发混合动 力电动汽车已经迫在眉睫。因此