（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp2812的混合动力车用电机控制系统的研究.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕l 学位论文 s t u d yo ft h ec o n t r o l l e rf o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e m o t o rb a s e do nd s p 2 8 1 2 a b s t r a c t w i t hc a r s i n c r e a s i n gg l o b a l l y , e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r e b e c o m i n gab o t t l e n e c kt h a tc o n s t r a i n st h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l da u t o m o t i v e i n d u s t r y m e a n w h i l et h ea d v a n t a g eo f t h e n e w l ye m e r g i n gh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) o ne n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o ni sb e i n gr e f l e c t e d s i n c ei t c o m b i n e sar e g u l a re n g i n ew i t he l e c t r i c a lp o w e rt od r i v et h ec a r , t h em o t o ri t c a r r i e sa n dt h es t u d yo fi t sd r i v i n gc o n t r o ls y s t e mh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s t k e yt e c h n o l o g i e si n i t sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，w h i c hd i r e c t l yd e t e r m i n e s v e h i c l e sp o w e rp e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m ya n de m i s s i o n f i r s t l y , t h i s d i s s e r t a t i o n c o m p a r e d s e v e r a lc o m m o ne l e c t r i cv e h i c l e s p e r f o r m a n c e s ，i n t r o d u c e d t h e d e v e l o p m e n t o fh e vm o t o ra n di t sc o n t r o l t e c h n o l o g y s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o nc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c e so fs e v e r a la c m o t o r s ，a n dt h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) b e c a m et h ef i r s t c h o i c ei nt h i ss u b j e c tw i t hi t sh i g hw o r ke f f i c i e n c y , h i g hp o w e rd e n s i t ya n d f a v o r a b l es p e e da d j u s t m e n tp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt oh e vm o t o r sp o w e ra n d t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp m s m ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t e da r r a n g e m e n t f o r mf o rm o t o rs y s t e ms t r u c t u r e t h i r d l y , t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m a na n a l y s i so fv e c t o rc o n t r o lw a sa l s om a d e ，o n t h ep r i n c i p l eo fw h i c hp m s mm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r e b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s pw a sd e s i g n e d a n ds o m ee s s e n t i a lu n i t so ft h e s y s t e mw e r ed e s c r i b e d i nd e t a i l ，s u c ha sp o w e rc i r c u i t ，s p e e da n d p o s i t i o n d e t e c t i o nc i r c u i t ，c u r r e n tf e e d b a c ka n do v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t ，a n dc a n c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h es o f t w a r es t r u c t u r ea n ds o m ek e ys u b p r o g r a m ，s u c h a sc u r r e n ts a m p l i n g ，l o c a t i o nd e t e c t i o na n ds v p w ma r ee x p o u n d e d f i n a l l y , t h r o u g hp r o t o t y p ea n db e n c hs y s t e mt e s t ，ag r e a to fe x p e r i m e n t a l d a t aw e r eo b t a i n e d o nt h eb a s i so ft h e s ed a t at h ep r o t o t y p e sc h a r a c t e r i s t i c sa n d s h o r t c o m i n g sw e r et e s t e d ，t h ec l o s e d - l o o pc o n t r o lo ft h es y s t e mw a sr e a l i z e d ，s o a st oa c h i e v et h ep u r p o s eo fe x p l o r a t i o na n dr e s e a r c ho fh e vw i t hp m s m c o n t r o ls y s t e m 哈尔滨理工大学t 学硕l 学位论文 k e y w o r d sh y b r i de l e c t r o n i cv e h i c l e ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r v e c t o rc o n t r 0 1 m - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 2 8 1 2 的混合动 力车用电机控制系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由 本人承担。 作者签名： 派诓 日期： 。，罗年争月擘日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 2 8 1 2 的混合动力车用电机控制系统的研究系本人在哈尔 滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的 研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义 发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公 布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密函。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 涎德 日期：为吵年月p 日 导师签名： 彩彩 日期：毋d 绎年月莎日 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 全球汽车工业的发展，汽车保有量的大量增加，对石油资源的需求、对生 态环境的影响越来越大，为此世界各国相继制定了一系列十分严格的排放法 规，各种各样的电动汽车脱颖而出。电动汽车( 特指纯电动车) 的出现曾一度被 认为是汽车工业新的增长点，但其价格昂贵，电池的能量密度与汽油相比要差 上百倍，充电站配置滞后和充电时间过长，特别是电池开发的滞后性等原因， 使得电动汽车的普及在短期内无法实现。由于目前的技术问题阻碍了电动汽车 的应用，专家估计在未来一段时间内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车，为 此一种混合动力电动汽车h e v ( h y b r i d e l e c t d c v e h i c l e ) 便出现了。所谓混合动力 就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际 上是一台小型燃料发动机或动力发电机组，这种车除发动机可通过电动机对电 池充电外，还可以在减速时动力回收再生，制动器可以将机械能转换成电能， 避免了能量的浪费。通过将发动机、充电电池和电动机的最佳组合，既可以提 高发动机工作效率，节省能源，又可以清洁排放，减少环境污染。 混合动力汽车结合了电动车和传统汽车的优点，废气排放减少7 0 ，油耗 降低2 5 巧0 ，行驶距离和传统汽车一样，价格低于电动车。综上所述，混 合动力汽车必将成为未来汽车发展的一个新方向，而其中与发动机配合为汽车 提供动力同时兼有能量回收功能的电机系统亦成为混合动力汽车的关键技术之 一，它直接影响到整车的各项性能指标( 如动力性，燃油经济性等) 。 并联式混合动力电动汽车以其在结构、成本和性能上的优势取得了广泛的 应用。本章简要介绍混合动力电动汽车的概念、分类及结构特点、研究意义。 详细介绍并联式混合动力电动汽车的技术特点，混合动力技术的国内外发展现 状。最后，提出本文的主要研究内容。 1 2 课题研究背景 1 2 1 混合动力汽车的研究背景 内燃机汽车经过1 0 0 多年的发展和壮大，逐步实现了机电一体化并全面应 用了现代高科技，在性能、安全、节能、环保等方面取得了重大的进展。但 哈尔滨理工大学1 = 学硕士学位论文 是，现代内燃机汽车的发展也面临着严峻的挑战。首先，全球的石油资源日益 枯竭。据估计，如果按照目前的消耗水平，全球的石油资源仅能维持6 0 1 0 0 年左右。2 0 0 8 年上半年，国际油价一路高走，一度飙升至1 4 0 美元一桶。虽然 目前价格有所回落，但也重重地打击了消费者购买大宗商品的积极性，同时也 悄悄地改变着人们的消费习惯：在美国，曾经雄踞销量榜首的s u v 和皮卡车 型也不再受宠，以节油闻名的日系车越来越受欢迎。2 0 0 5 年5 月份开始，本田 思域替代了福特皮卡f - 1 5 0 成为了美国最畅销车型卜1 。其次，随着汽车保有量 的增加，汽车内燃机对大气造成的污染越来越严重，如温室气体二氧化碳、氮 氧化物、碳氢化合物、二氧化硫、含铅微粒、噪音等，世界各国都制定了严厉 的法规来限制汽车排放对环境的污染。开发节能、环保的新型汽车是2 1 世纪 汽车工业发展的主流，电动汽车以其在节能、环保方面的优势受到了越来越多 的青睐。 据国务院发展研究中心产业部预测，到2 0 1 0 和2 0 2 0 年，我国汽车的燃油 需求分别为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，为当年全国石油总需求的4 3 和5 7 ，汽 车将要“吃 掉一半左右的自产、进口石油。因此，中国汽车能源应该纳入国 家安全战略高度来考虑，国家在“九五 、“十五规划都安排了“8 6 3 ”电动 车项目，“十一五计划安排了“8 6 3 节能与新能源汽车项目卜。国家发改委 于2 0 0 8 年初也适时地为在服务于奥运的奇瑞a 5 、一汽奔腾等混合动力汽车颁 发了“准生证，同时加紧制定混合动力汽车的鼓励政策和相关标准，鼓励混 合动力汽车的发展。2 0 0 9 年2 月1 7 日，财政部、科技部、发展改革委、工业 和信息化部在京联合召开节能与新能源汽车示范推广试点工作会议，在北京、 上海、重庆、长春、大连、杭州、济南、武汉、深圳、合肥、长沙、昆明和南 昌等1 3 个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作，以财政政策鼓励在 公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域率先推广使用节能与新能源汽 车。主要包括混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车，以此来加快汽车产 业结构调整，推动节能与新能源汽车产业化。 油电混合动力汽车使用传统碳基燃料，能够充分利用现有成熟的内燃机技 术和加油站等配套设施，避免技术和新建配套设施的风险，以较低的成本进行 普及。同时在保证汽车的动力性、续航能力的情况下，可以达到城市工况下节 油4 0 以上的效果，我国的私人轿车主要集中在大中城市，而且大部分时间工 作在城市工况下，所以混合动力技术非常适合在我国应用和发展。 哈尔滨理t 大学_ t 学硕上学位论文 1 2 2 电动汽车的分类与比较 根据动力源的不同，电动汽车可以分为蓄电池电动汽车( 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 e h i c l e ，简称f c e v ) 和混合动 力电动汽车阻y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 。 1 ) 蓄电池电动汽车但又称纯电动汽车，仅依靠蓄电池提供动力源，由 驱动电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置直接驱动车轮。蓄电池 电动汽车结构简单，使用维修方便，能源效率高，无污染，噪声低，是真正的 零排放汽车。但目前电动汽车技术尚不完善，尤其是动力电池组的寿命短，使 用成本高( 就成本而言，纯电动汽车比普通燃油汽车高出1 2 倍) 。而且电池的 储能量小，不能够提供足够高的比能量和比功率，一次充电后行驶里程不理 想，使纯电动汽车难以得到普遍应用。 2 ) 燃料电池电动汽车( f c e v ) 以燃料电池为动力源，有可能逐渐取代内燃 机汽车。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接 转化为电能的装置。燃料电池能量转换效率高，理论上可达1 0 0 ，实际效率 已达6 0 一8 0 ，是普通内燃机热效率的2 3 倍。燃料电池电动汽车( f c e v ) 结 构简单、运行平稳( 燃料电池发动机的能量转换是在静态下完成的，构造简 单l ，噪声、振动小，过载能力高，稳定性和可靠性高于内燃机汽车。目前， 燃料电池汽车普遍以氢气为燃料，种类单一，生产、储存和运输都比较复杂。 以氢为燃料的燃料电池比功率约为3 0 0 3 5 0w k g ，功率密度为2 8 0w l ，为了 满足f c e v 动力性能的要求，需要进一步提高燃料电池发动机的比功率，并降 低生产使用成本。虽然不少汽车企业称他们在燃料电池技术方面已经取得很大 进展，但燃料电池技术目前还尚不完善，制造成本昂贵r 。1 。 3 ) 混合动力电动汽车( h e y ) 上装有两个或两个以上动力源，其动力传动系 统主要由发动机、电动机两套系统组成。混合动力电动汽车结合了传统燃油汽 车和纯电动汽车的优点，兼顾降低燃油消耗和减少排放污染，成为许多国家和 汽车厂商应对环境污染和能源危机的重要途径之一。混合动力电动汽车的尾气 排放不到常规汽车的3 0 ，油耗降低2 5 一3 0 。三种类型电动汽车的缺点和 技术经济特征比较如表1 - 1 所示。表1 2 为e v 、h e v 和f c e v 与传统汽车技 术经济特性的比较。 哈尔滨理工人学工学硕 ：学位论文 表1 - 1 电动汽车优缺点一览表 t a b l e1 - 1a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fe l e c t r i cv e h i c l e s 、贫缺点 优点缺点 车型 纯电动汽车e v 1 ) 不耗石油、零排放1 ) 价格高、续驶里程少 2 ) 平稳、低噪声2 ) 车身重量重 3 ) 操作简单 3 ) 电池寿命短 4 ) 制动摩擦小 燃料电池电动车f c e v 1 ) 能量转换率高( 普通汽1 ) 生产成本高( 普通汽车1 0 车的粥倍)倍以上) 2 ) 污染小2 ) 总体安全性差 3 ) 噪声低 3 ) 批量生产技术不成熟 4 ) 运动部件少4 ) 寿命短、重量重 混合动力电动汽车h e v1 ) 基础设施不改变 1 ) 成本是传统汽车1 3 倍 2 ) 技术性能相对成熟2 ) 电池的耐用性及使用寿命 3 ) 污染小、噪声低、操作 有待提高 简单、成本稍高 表1 2e v 、h e v 、f c e v 与传统汽车技术经济特性的比较 t a b l e1 - 2p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nt r a d i t i o n a lv e h i c l ea n de vh e va n df c e v 昊 传统汽车纯电动汽车e v 燃料电池电动车混合动力电动 性能参数f l 剧汽车h e v 气体排放1 0 004 6 6 0 燃油消耗 1 0 0oo4 0 6 0 续驶里程中很短短长 电池寿命 1 - 2 年 5 年 5 年 加油站改造 1 0 01 0 0o 成本 1 0 01 1 5 1 0 0 01 3 0 性能1 0 05 05 09 0 技术成熟度成熟成熟不成熟成熟 4 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 经过比较，目前混合动力汽车在现阶段最具优势，其次是纯电动汽车，最 后是燃料电池汽车。 1 3 混合动力汽车的发展 1 3 1 混合动力汽车的特点 混合动力电动汽车是指具有两个或两个以上动力源，包括内燃机驱动、电 动机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车，它是介于内燃机汽车和电动 汽车之间的一种独立车型。一般意义上的混合动力电动汽车是指同时安装了发 动机( 柴油机、汽油机) 和电动机，以蓄电池组作为电能存储装置的车辆。与传 统燃油汽车相比，混合动力电动汽车( 髓的优点主要包括一1 ： 1 ) 采用混合动力技术后，在保证汽车动力性能不变的条件下，发动机的 功率可以选择得更小，而且发动机有更多的时间在油耗低、污染少的最优工况 下工作； 劲优化发动机的工作区域。在发动机工作在低效率区域时，可以关闭发 动机，由电动机单独驱动汽车，从而降低燃油消耗，提高效率： 3 ) 动力辅助。汽车在起动、加速和爬坡时，电动机工作在电动状态，提 供附加扭矩，能提高汽车的动力性能； 4 ) 能量回馈。在汽车刹车制动、下坡时，电动机工作在发电状态，可以 实现汽车的无接触制动，产生的电能可以储存在动力电池组中，降低了汽车的 燃油消耗； 5 ) 发动机起停控制，使发动机的起动不受环境温度的影响： 6 ) 合理控制发动机与电动机的功率输出，可让电池保持在良好的工作状 态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。 混合动力电动汽车的缺点在于结构复杂，技术难度大，价格较高。经过十 多年的发展，混合动力传动系统总成已从原来发动机、电机分离结构向发动 机、电动机、变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力传动系统。 1 3 2 混合动力汽车的发展现状 目前，世界各大公司均对混合动力技术给予了高度重视，大力研发混合动 力电动汽车，已经有1 0 多款车型亮相，如丰田公司的h e v 车型p r i u s 、本田 公司的c i c 、i n s i g h t 、福特公司的e s c a p e v l 。中国厂商也纷纷加入研发 h e v ，长春一汽、一汽大众、东风、上汽、长安、比亚迪、奇瑞、华普、沈阳 哈尔滨理丁大学t 学硕上学位论文 金杯和厦门金龙等都在加紧研发自己的h e v 。 国外方面，2 0 0 8 年5 月份，丰田p r i u s 全球销量突破1 0 0 万辆，这也是全 球第一款实现盈利的混合动力车型。国外的销售数据印证了油电混合动力汽车 良好的市场前景，从美国2 0 0 0 2 0 0 7 年销售数据可以看出，8 年来混合动力乘 用车的销售量复合增长率达到惊人的5 8 4 ，其市场处于高速增长期p 。 国内方面，国家发改委于2 0 0 8 年初也适时地为在服务于奥运的奇瑞a 5 、 一汽奔腾等混合动力汽车颁发了“准生证”。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，发动机与电机和变速箱相并联。可以实现汽车在红灯前和堵车时发动 机暂停工作，当车辆识别到驾驶员有起步意图时，系统通过b s g 系统快速地 启动发动机，也就消除了发动机在怠速工作时的油耗、排放与噪声。2 0 0 9 年 初，由中国一汽集团提供的1 2 辆解放牌混合动力客车正式投放于辽宁省大连 市的公交线路。表1 3 为世界主要汽车厂商混合动力车型统计。 表1 3 世界主要汽车厂商混合动力车型统计 公司名称混合动力汽车开发计划 丰田汽车丰田汽车与一汽集团合作共同推出中国首款混合动力 车p r i u s ，于2 0 0 5 年1 2 月1 5 日在长春正式下线。目 前，在中国销售的还有进口雷克萨斯r x 4 0 0 h 和雷克 萨斯l s 6 0 0 h l 江淮汽车2 0 0 8 年推出混合动力m p v - b s g 瑞丰祥和 上海通用 2 0 0 8 年1 月2 2 日，“绿色未来”战略正式启动。同 年推出别克君越e c o h y b r i d 混合动力车 奇瑞汽车公司首款混合动力汽车a 5b s g 于2 0 0 7 年6 月正式 下线，a 5b s g 于同年1 0 月下线 比亚迪汽车计划推出f 3 d m 和f 6 d m 双模混合电动汽车 长安汽车2 0 0 7 年1 2 月，杰勋h e v 在重庆长安厂正式下线 一汽轿车自主开发的奔腾b 7 0 h e v 已经服务于北京奥运会 广汽集团推出自主概念车h e v 东风本田 本田思域轿车于2 0 0 7 开始通过进口方式导入中国 哈尔滨理工人学工学硕：卜学位论文 1 3 3 混合动力汽车的分类 混合动力汽车根据结构和驱动模式的不同，可分为串联式、并联式和混联 式三种形式，相应的混合动力电动汽车称为串联式混合动力电动汽车( s e r i e s h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称s r m 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 cv e h i c l e ，简称p h e v ) 和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 d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称p s h e v ) 例。 1 ) 串连式混合动力电动汽车( s h e v ) 是由发动机、发电机和驱动电动机三 大动力总成组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成 s h e v 的驱动系统。s h e v 用发动机一发电机组均衡地发电，电能供应驱动电 动机或动力电池组，使s h e v 的行驶里程得到延长。实际上s h e v 的发动机一 发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机并不直接参与s h e v 的驱动。 s h e v 的发动机、发电机组，发动机的转速控制在一定范围内，不受s h e v 运 行工况的影响，经常保持在低能耗、高效率和低污染的状态下运转s h e v 驱动 系统的结构比较简单，动力电池组、发动机一发电机组和驱动电动机在底盘上 的布置有较大的自由度，控制系统也比较简单，因为只有唯一的电动机驱动模 式，其特点是动力特性更加趋近于e v 。s h e v 必须装置在一个大功率的发动 机一发电机组，再用驱动电动机来驱动车辆。发动机、发电机和驱动电动机的 功率都要求等于或接近于s h e v 的最大驱动功率，在热能一电能一机械能之间 的转换过程中，总效率低于内燃机汽车。三大动力总成的体积较大，质量也较 重，还有庞大的动力电池组，使得在中小型汽车上布置有一定的困难，一般适 合大型客车采用。 并联式混合动力汽车( p h e v ) 主要由发动机和电动发电机两部分动力总 成组成，可由发动机和电动机共同驱动或单独驱动。汽车起动时，电动机和发 动机能够同时提供驱动力矩，汽车速度达到发动机起动转速后，由发动机单独 驱动汽车。与串联式混合动力汽车相比，并联式混合动力汽车电机具有电动和 发电双重功能，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，能量的利用率相对较 高，燃油经济性比较高。并联式混合动力系统更接近传统汽车的驱动系统，可 在传统内燃机汽车动力传动系统的基础上进行改造，成本较低。并联式混合动 力系统质量轻，适用于小型轿车，适合在城市间公路和高速公路上稳定行驶工 况，动力性能更接近内燃机汽车。 3 ) 混联式混合动力电动汽车( p s h e v ) 由发动机、发电机、电动机三部分动 力总成组成。发动机发出的功率一部分通过机械传动装置输送给驱动轮，另一 哈尔滨理1 = 大学t 学硕l j 学位论文 部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或动力电池，电动机 产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动轮。混联式混合动力汽车低速行 驶时，驱动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 兼有s h e v 和p h e v 的优点，可以组合成更多种形式的混 合驱动的驱动模式，发动机、电动发电机和驱动电动机的功率可以是p s h e v 总功率的1 3 。1 倍，车辆的整各质量可以降低，而且性能更加完善，经济性更 好，在动力性能方面接近和达到内燃机汽车的水平，有害气体的排放更少，达 到“超低污染 的标准要求。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂， 对动力复合装置的要求更高。混联式结构中还需要复杂的控制系统，提高了制 造成本。丰田公司p r i u s 车的混合动力系统被公认为目前最先进、最成功的 结构。 1 4 混合动力汽车的电机技术发展现状 1 4 1 混合动力汽车的电机系统概述 传统汽车动力传动系统中，同时安装起动电动机和发电机，发动机起动 时，起动机带动发动机飞轮旋转实现发动机的起动。为了满足车用电器的电能 需求，还需要在汽车上安装发电机，通过带传动与发动机主轴相连，产生的电 能存储于蓄电池中。传统汽车电动机、起动机布置结构如图1 4 所示。 图1 4 传统汽车电动机、起动机布置 f i g 1 - 4l o c a t i o no ft h em o t o r a n ds t a r t e ri nt r a d i t i o n a lv e h i c l e s 并联混合动力技术将传统内燃机汽车中功能单一的电动机和发电机合二为 一，电机能够在电动或发电状态下运行，用一个电机取代了发动机起动机和电 动机。汽车动力传动系统还可以省掉齿形皮带以及齿轮组等传动部件，内燃机 部件可以全部采用电驱动方式，布置更加灵活。由于电动机具有较大的功率， 电动机对汽车的动力辅助具有重要的作用。在形式上与传统内燃机汽车相似， 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 但在汽车节油、排放、发动机控制及能源管理等方面都有本质的提升。在控制 器的控制下，电机能在发电或电动状态下工作，可以方便地根据汽车的不同运 行状态，实现宽变速大容量发电、能量再生制动、发动机快速起停控制、电 动助力和主动减振等主要功能，从而提高了燃油经济性，降低了排放并且增加 了汽车的舒适性。 1 4 2 国内外混合动力汽车电机技术发展 1 4 2 1 混合动力汽车用电动机的发展 2 0 世纪8 0 年代前，几乎所有的电动车驱动电机均为直流电机，但随着电 动车( 混合动力汽车) 性能的提高，其在高负载下转速的限制，体积大等缺点逐 渐暴露，取而代之的是交流异步电机，永磁电机，开关磁阻电机，而上述电机 在用于混合动力汽车上所表现出来的性能也是一个比一个优越。经过国内外专 家和技术人员的长期研究和实践，永磁电机以其在混合动力汽车上表现出来的 优异性能逐渐脱颖而出，成为混合动力汽车用电机的主要研究对象。由于其发 展较晚，技术较新，目前，永磁电机它作为混合动力汽车的电动机有着潜在的 巨大优势，还需要我们今后进行长期的研究和完善。本文的混合动力汽车电机 控制系统即采用永磁同步电机。 1 4 2 2 国内外混合动力汽车电动机的研究概况 混合动力汽车在世界范围内正处于从概念到量产的阶段，其搭载的电动机 无论从形式还是控制方面也都处于探索完善的过程中。 目前东风电动车辆股份有限公司已开发出混合动力汽车。其中， q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车以风神蓝鸟以轿车为平台，所采用的电机是由中国 科学院电工所研制的交流电机。深圳明华环保汽车有限公司开发出混合动力电 动轻型客车，其电机采用国际先进的异步交流电机，具有变频调速的矢量控制 系统。第一汽车集团公司、美国电动车( 亚洲) 公司和汕头国家电动汽车试验示 范区三方共同合作推出一款混合动力轿车c a 7 1 8 0 a e ，该款串联式的混合动力 轿车采用1 5k w 直流电机p 。 国外方面，美国福特汽车公司的r a n g e r 电动汽车采用6 7k w 的交流电动 机，最大转速可达1 10 0 0r r a i n ，效率高，噪声低。日本丰田汽车公司的r a v 4 电动汽车采用永磁同步电动机，此电动机最大输出功率为5 0k w ，最大转速为 46 0 0 r r a i n 。 特别地，最近在国内上市的丰田p r i u s 所采用的辅助动力电机为永磁交流 哈尔滨理工大学t 学硕i ：学位论文 同步电机，最大功率能达到5 0k w 。 1 4 3 电机驱动系统的发展状况 电机驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运 行。电动汽车的驱动电机的运行工况同样是相当复杂的，包括高转矩、低转速 和恒功率、高转速等。驱动电机与汽车运行工况的匹配是通过完善的控制系统 来实现的。电动汽车要求电机驱动控制系统满足如下要求：恒功率输出和高功 率密度；在汽车起步和爬坡时具有低速一高转矩的输出特性；具有较大的转速 范围足以覆盖恒转矩和恒功率区；快速的转矩响应特征；在转矩转速特性的 较宽范围内具有高的效率；再生制动时的能量回收效率高；能在不同的工作条 件下可靠地工作。电动机控制器的设计是电机控制系统性能好环的关键。电机 工作在电动状态时，根据整车控制器的指令，输出一定的转矩与转速。 2 0 世纪6 0 一8 0 年代初，电动汽车大多采用直流串励有刷电机。由于有电 刷限制，转速不能太高，因而电机重而大，效率较低，故障率高。8 0 年代后期 9 0 年代，由于电子技术的飞速进步，滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交 流电机的调控技术日趋成熟，交流电机驱动系统在电动汽车中已成为主流。交 流电机驱动系统有交流异步电机驱动系统和交流同步电机( 或称稀土永磁无刷 电机) 驱动系统两种。近年来，开关磁阻电机驱动系统开始在电动汽车中应 用。开关磁阻式电机具有效率高、动态响应好、高启动转矩和低启动功率等特 点，但在降低噪声和转速波动、电机模型和控制技术等方面还需进一步探索。 目前电动汽车所用的电动机总体上向大功率、高转速、高效率和小型化方向发 展卜“。国外己研制出功率密度越过1k w k g ，额定点的效率大于9 0 的小型电 动机，电机满足低速大扭矩和高速恒功率的牵引控制要求。其控制器也能实现 较高的效率。而我国在电机与电控系统方面也取得一些成果：华中科技大学开 发的全数字化开关磁阻电机、中船7 1 2 所开发的永磁无刷电机、中国科学院北 京三环通用电气公司开发出电动汽车专用的7 5k w 轮毂电机、哈工大开发的 e v 9 6 1 6 8k w 多态轮毂电机，都是我国电动汽车驱动电机技术的重大突破。 1 5 本文研究的主要内容 本课题来源于黑龙江省科技攻关计划项目重点项目：基于哈飞赛豹汽车的 混合动力汽车开发，主要研究基于哈飞赛豹混合动力汽车的电机控制器硬件设 计及其软件控制算法。 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 本文主要完成以下几个方面的工作： 1 了解国内外流行的混合动力汽车典型结构，熟悉混合动力汽车电机的性 能要求，结构模型，工作原理； 2 设计哈飞赛豹混合动力汽车电机控制器，电动机控制系统以n 公司的 d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心在硬件平台上进行实验研究； 3 搭建电机实验系统平台以进行控制器的开发与调试，应用矢量控制算 法，满足混合动力系统对电动机启动转矩、动态与稳态相应性能和可靠性等方 面要求； 4 设计控制算法时，首先根据电动机的设计结构，通过实验确定电动机的 基本运行参数，设计电动机的控制算法； 5 在实际搭建的电机实验平台上进行控制系统的调试，并进行控制器结构 与控制参数的整体优化。 哈尔滨理工丈学t 学硕，卜学位论文 第2 章混合动力汽车电机系统的结构及样机测试 本文采用的混合动力车系统结构是当前国际公认的未来汽车先进技术之 一，能够满足现代汽车高效率、低排放等方面的性能要求。本文的电机系统 中，电机综合了起动机和发电机的功能。 2 1 混合动力汽车的系统构成 通常说来，汽车由8 个系统构成，动力传动系统就是其中之一。传统的汽 车系统由发动机，电池，机械传送装置和动力传动控制单元构成，而混合动力 汽车的关键部件主要有以下七部分p “： 1 发动机它是混合动力汽车的动力源。目前世界上较先进的混联式混合 动力汽车采用的发动机是具有高热效率、低尾气排放和最大膨胀比的汽油发动 机，以便达到高效率输出。 2 电动机混合动力汽车另一个动力源是电动机，丰田混合动力汽车采用 的电动机是永磁式交流同步电动机，它比直流电动机及交流感应电动机结构更 紧凑，效率更高。 3 发电机混合动力汽车的发电机主要用作蓄电池充电电源及电动机电 源，丰田p r i u s 混合动力汽车采用的发电机为同步交流发电机，通过提高转子 的转速以增加发电机的输出。 4 电池电池一般多为镍氢蓄电池，其基本性能与镍镉蓄电池相当。丰田 p r i u s 汽车采用密集、高性能镍金属混合电池。通过改进电极材料和在电池极 板之间使用全新的连接结构降低电池的内阻。混联式混合动力系统通过发电机 和发动机对电池进行充放电。 5 功率合成装置混联式混合动力汽车将发动机、发电机、电动机和车轮 通过功率合成装置连接在一起，保证了车辆在任何行驶情况下都能如实地根据 驾驶员愿望提供驱动功率。 6 系统控制混联式混合动力汽车系统控制通过整车能量管理保证了车辆 最大的工作效率，这些能量包括驱动汽车行驶的能量和辅助装置的能量，如空 调、加热器、车头灯、巡航等系统。 7 再生制动系统再生制动系统在车辆制动时，控制电动机按照发电机模 式工作，将车辆的动能变成电能，给电池充电，在市区内驾驶频繁加速和减 速，所以再生制动能量回收在城市驾驶中尤其有效，通过改进电池输入性能， 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 可以回收更多的能量，该系统增加了总效率，因此提高了燃油经济性。 2 2 混合动力汽车的电机系统布置形式与选取 混合动力车用电机可根据体积和功率的不同，布置在发动机的不同位置， 其主要包括一下几种布置形式“： 1 与发动机同轴，在发动机之后、离合器之前； 2 在离合器之后，与变速箱二轴相结合； 3 与发动机同轴，在离合器之后与变速箱一轴结合； 4 双轴侧置，在发动机之后、离合器之前； 5 双轴侧置，在离合器之后、变速箱之前。 上述5 种布置形式各有优缺点，同轴布置较双轴布置结构紧凑；双轴布置 可以提高电机转速和输出功率，使比功率增大；利用带式传动装置又最大限度 地减小了对发动机的改造。综合比较各种布置后，本文认为第1 种和第2 种方 案最有代表性，其布置形式如图2 - 1 和图2 2 所示： 图2 - 1 方案1 的布置形式 f i g 2 - 1t h ef r a m eo fs t r u c t u r e l 方案1 的特点是电机是扁平的，结构紧凑，易于布置，对其它的附件影响 小，控制策略相对简单，改造成本低，发动机始终旋转。 哈尔滨理t 大学下学硕上学位论文 图2 2 方案2 的布置形式 f i g 2 - 2t h ef r a m eo fs t m c t u r e2 方案2 的特点是电机是柱形的，与变速器二轴结合，增大了扭矩，提高了 输出功率，对发动机、变速器进行改造，增加辅助制动和转向助力系统，增加 电控离合器，现有车型改造布置有一定难度。考虑到本文采用永磁电机( 扁平 型) 作为混合动力车用电动机，且在现有条件下，本着经济性原则，在轻型轿 车上采用第一种方案是最佳选择，该方案可以取代飞轮、发电机和起动机，通 过对电机的合理设计使电机与发动机合理匹配满足整车需求，若能对发动机进 行一些改动则会达到更理想效果。 2 3 混合动力汽车用电动机的选型 2 3 1 混合动力汽车对电机的性能要求 电机是混合动力系统的关键之一，需要根据混合动力汽车的性能指标合理 设计，主要包括功率、转速、转矩等额定运行参数。电机的主要设计指标包 括： 1 ) 功率要求。混合动力汽车驱动力矩大，根据性能设计指标，电机要求 具有较大的起动转矩，能够在指定时间内单独驱动汽车发动机的起动转速，实 现发动机的起动； 2 ) 转速要求。混合动力汽车的发动机使用汽油机，最高转速达6 0 0 0r m i n 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 左右，电动机的经济转速必须与该转速相匹配。高转速的电动机的体积较小， 质量较轻，有利于降低h e v 的整车装备质量； 3 ) 效率要求。电机的效率在很大程度上决定混合动力汽车在纯电动状态 和混合驱动模式下动力传动系统的效率，因此要求电机及控制系统能高效电动 和高效发电，并能在两种状态之间快速切换； 4 ) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，以降低供电电流，减 小电动机和导线的尺寸，同时减低逆变器、驱动电机及控制系统的成本，另一 方面，电压过高会带来安全问题，同时电池组过大； 5 1 ) 质量及可靠性要求。电动机最好采用铝合金外壳，以降低电动机的质 量。各种控制装置的质量和，冷却系统的质量等也要求尽可能轻，以使混合动 力汽车具有较高的效率。电动机还要求可靠性好，耐温和耐潮湿，运行时噪音 低，能够在较恶劣的环境下长时间工作。 2 3 2 电动机的选型 高功率密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机既是混合动力汽车的心脏， 又是混合动力汽车研制的关键技术之一。随着功率电子和微处理器的发展，多 种类型电机开始应用到混合动力汽车电机领域中。这些电动机包括：直流电机 ( d m ) 、永磁同步电机( p m s m ) 、感应电动机( i m ) 和开关磁阻电动机( s r m ) 。由 于直流电动机依靠电刷换向，高速运行时会产生电弧，维护成本较高，因此目 前已很少采用，在此不作过多论述。表2 1 给出混合动力系统中常用几种电动 机的性能比较。 表2 - 1 三种电机性能比较 t a b l e 2 - 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft h et h r e em o t o r s 淤= 感应电机开关磁阻电机永磁电机 功率密度中较高高 负载效率( ) 9 0 一9 27 8 8 68 5 9 7 转速范围( r m i n ) 1 5 0 0 0 4 0 0 0 - 1 0 0 0 0 可靠性好好最好 尺寸 中小 小 塾垫壁查f 塑! 塑! 塑圣鲤堕鲤三塑 控制器成本高高最高 1 ) 感应电动机。感应电动机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、 运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。感应电机 哈尔滨理1 = 大学t 学硕十学位论文 矢量控制技术调速技术比较成熟，使得感应电机驱动系统具有明显的优势，因 此被较早应用于电动汽车的驱动系统卜。 目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品。但传统的变频变压控制技术， 不能使感应电动机满足所要求的驱动性能，主要原因在于它的动态模型的非线 性。随着微机时代的到来，采用矢量控制法控制感应电动机可以克服由于其非 线性带来的控制难度。不过，采用矢量控制的电动汽车感应电动机在轻载及有 限的恒功率工作区域内运行时效率较低。其最大缺点是驱动电路复杂，成本 高，相对永磁电机而言，感应电机效率和功率密度偏低，已被其它新型无刷永 磁牵引电机驱动系统逐步取代。 2 1 开关磁阻电动机。开关磁阻电机基本上是由可变磁阻步进电动机直接 衍生而