[硕士论文精品]混合动力汽车电驱动控制系统研究

摘要20080603遏金动力汽奎电望动控圭丕统硒窒摘要混合动力汽车融合了内燃机汽车和电动汽车的优点，在不降低动力性的前提下，可大幅提高燃油经济性及减少汽车排放，是目前清洁汽车研究的主要方向。美、日及欧洲等许多发达国家投入大量资金和人力进行相关研究，我国也将混合动力汽车作为重点攻关项目，同时将混合动力汽车的3大关键零部件电池、电机和控制系统的相关研究列为3个纵向发展目标。电机及控制系统作为混合动力汽车主要的动力源，其性能好环直接影响混合动力汽车整车的动力性能，因此对其关键技术进行深入研究具有现实意义。本文对混合动力汽车用电机及其驱动控制系统进行了相应研究，包括永磁无刷直流电机和交流感应电机，具体内容包括首先，对混合动力汽车的工作模式进行了分析，推导了混合动力系统功率流约束条件，根据混合动力汽车动力学，对SWB6116混合动力大客车的动力驱动系统进行分析、设计，根据客观条件和设计要求，确定了电机、电池参数以及对电机驱动控制器的具体要求和实现策略。第二，对永磁无刷直流电机工作原理进行了分析，在此基础之上利用MATLABSIMULINK软件建立了永磁无刷直流电机的数学模型和控制模型，并进行终端滑模控制器的设计和仿真研究；变结构控制方法的引入有效的改善了无刷直流电机固有的电机转矩脉动大，控制精度低的问题。为了比较控制方法的有效性，与传统的PID控制器和线性滑模控制器进行了比较，仿真结果说明，所设计非奇异终端滑模控制器效果最佳第三，对交流感应电机进行了建模和仿真研究，感应电机显著优点是电机设计制造容易、电机坚固耐用，而且随着现代电力电子技术的发展，大功率电力电子器件的出现，以及调速方法的不断改进，使得交流调速系统的性能得到了很大改善，因此对交流感应电机的研究也是目前国际上电动汽车用电机的研究热点。本章建立了三相感应电机在不同坐标系上的数学模型；之后，基于建立的三相感应电机的数学模型，对矢量控制原理进行了分析，设计了转子磁场定向的矢量控制系统，并在MATLABSIMULINK环境下，对三相感应电动机和转子磁场定向矢量控制系统进行仿真分析。最后，对混合动力汽车用永磁无刷直流电机驱动系统进行了设计，包括硬件电路设计和软件开发两部分内容，实现了恒转矩启动和恒功率运行的要求。为了验证所设计系统的有效性，研制了一个小功率试验平台，该平台以TMS320LF2407A为核心器件，基本实现了混合动力汽车要求的大部分功能。关键词混合动力，电动汽车，仿真建模，PWM控制，CAN总线，DSP上海交通大学汽车工程研究院博士后出站报告2008舶加3STUDYONELECTRICALDIUVECONTROLSYSTEMFORHYBRIDELECTRICABSTRACTASTHECOMBINATIONOFINTERNALCOMBUSTIONICVEHICLESANDELECTRICVEHICLES，HYBRIDELECTRICVEHICLESHEVCANLEADTOSIGNIFICANTIMPROVEMENTSINVEHICLEPERFORMANCE，ENERGYUTILIZATIONEFFICIENCY,ANDPOLLUTINGEMISSIONSHYBRIDELECTRICVEHICLEHASBEENTHOUGHTASTHEMOSTPROMISINGRESEARCHDIRECTIONOFALLCLEANCARSMANYDEVELOPEDCOUNTRIESINCLUDINGUSA,JAPANANDSOMEEUROPECOUNTRIESALEMAKINGGREATEFFORTSTODEVELOPHYBRIDELECTRICVEHICLESINOURCOUNTRY,HYBRIDELECTRICVEHICLESHAVEBEENLISTEDASONEOFTHEIMPORTANTPROJEELSMEANWHILE叠STHEKEYCOMPONENTS，THEBATTERY,MOTORANDITSCONTROLSYSTEMAGEFISTEDASTHETHREEGOALSALSOMOTORANDELECTRICALDRIVECONTROLSYSTEM埘TLLHIGHPEAKPOWERANDQUICKPOWERRESPONSE，ASTHEMAINPOWERSOURCEOFHEVS，WILLRESULTSINHIGHVEHICLEPERFORMANCE，SOTHEDEEPRESEARCHONKEYTECHNOLOGIESOFTHEMOTORANDELECTRICALDRIVESYSTEMHASSIGNIFICANTMEANINGTHEPAPERGAVEASTUDYONMOTORANDITSDRIVESYSTEM，INCLUDINGBLDCMOTORANDACMOTORTHEPAPERISORGANIZEDASFOLLOWSFIRSTLY,THEWORKMODEOFTHEHEVSHASBEENANALYZEDANDTHECONSTRAINEDCONDITIONSOFTHEPOWERFLOWINHYBLIIDDRIVESYSTEMHAVEBEENDERIVEDACCORDINGTOTHEANALYSISONDYNAMICSOFHYBRIDELECTRICVEHICLES，THEPAPERGAVEADESIGNOFDRIVESYSTEMFORSWB6116HYBRIDBUSWHICHISTAKINGONBYSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY,THEPARAMETERSOFTHEMOTORANDBATTERIESASWELL嬲THEDESIGNDEMANDSANDCONTROLSTRATEGYOFTHEDRIVENSYSTEMBEENASCERTAINEDSECONDLY,THEPAPERGAVETHEANALYSISONPERMANENTMAGNETICBRUSHLESSDCMOTORBLDC，ANDESTABLISHEDITSMATHEMATICALMODELANDCONTROLMODELBASEDONTHEMATHEMATICALMODELANDCONTROLMODEL，ANONSINGULARTERMINALSLIDINGMODECONTROLLERISDESIGNEDTHEINTRODUCINGOFVARIABLESTRUCTURECONTROLTHEORY啪SIGNIFICANTLYIMPROVETHETORQUERIPPLEANDCONTROLPRECISIONOFBLDCMOTORINORDERTOVALIDTHEDESIGN，THEPAPERCOMPARETHENONSINGULARTERMINALSLIDINGMODECONTROLLERWITHTHECONVENTIONALPIDCONTROLLERANDLINEARSLIDINGMODECONTROLLER,THESIMULATIONRESULTSHOWSTHATTHENONSINGULARTERMINALSLIDINGMODECONTROLLERHASTHEBESTPERFORMANCEAMONGTHETHREEKINDSCONTROLMETHODSTHIRDLY,THEPAPERPRESENTEDAMATHEMATICALMODELANDCONTROLMODELOFACMOTORTHEADVANTAGEOFACMOTORISEASYMAKINGANDTHESOLIDSTRUCTURE，WITHTHERAPIDLYDEVELOPMENTOFPOWERELECTRICTECHNOLOGY,ESPECIALLYWITHTHEAPPEARANCEOFHIGHPOWERPOWERELECTRICCOMPONENTSANDTHECONSTANTLYDEVELOPMENTOFSPEEDREGULATIONMETHODS，THEACMOTORHAVEMADELARGEPROGRESSONCONTROLPERFORMANCETHERESEARCHONACMOTORTRACTIONSYSTEMISALSOAHOTSPOTABOUTTHERESEARCHONELECTRICVEHICLESINTHISCHAPTER,THEMATHEMATICMODELOFTHREEPHASEINDUCTIVEMACHINEINDIFFERENTREFERENCEFRAMEWASESTABLISHEDBASEDONTHEMODEL，ALLANALYSISANDDESIGNOFROTORFLUXORIENTATIONCONTROLSYSTEMISGIVENTHESIMULATIONRESULTBASEDONMATLABSIMULINKSHOWSTHEVALIDITYOFTHEDESIGN一N一上海交通大学汽车工程研究院摘要20080603FINALLY,ANELECTRICALDRIVESYSTEMBASEDONBLDCMOTORFORHYBRIDELECTRICVEHICLESARCPRESENTED，INCLUDINGHARDWARECIRCUITANDSOFTWAREDESIGNNEELECTRICALDRIVESYSTEMCANREALIZETHEBIGTORQUESTARTINGANDCONSTANTPOWERRUNNINGINORDERTOVALIDATETHEDESIGN，ASMALL。POWERBUCMOTORDRIVESYSTEMISDESIGNED,WHICHHASSELECTEDTHEDSPOFTMS320U砣407ASTHECOROCHIPTHESMALIPOWERBLDCMOTORDRIVESYSTEMISCONTAINMOSTOFTHEFUNCTIONSREQUIREDBYTHEHYBRIDELECTRICVEHICLESKEYWORDSHYBRIDELECTRICVEHICLES；ELECTRICVEHICLES；MODELINGANDSIMULATION；PWMCONTROL；CANBUS；DSP；上海交通大学汽车工程研究院III第一章绪论11课题研究的背景第一章绪论_帚一早珀了匕汽车在给人类带来无数便利的同时，也伴随带来了众多不利影响。目前世界汽车保有量约8亿辆，预计到2010年全球汽车保有量将达到10亿辆。2003全球57的石油消费在交通领域，预计到2020年交通用油占全球石油总消耗的62以上。在汽车保有量高和使用集中的大城市，汽车噪声和尾气排放对城市环境己造成严重污染，对生态环境构成严重威胁。因此从节约资源，保护环境，降低汽车污染物的排放量，以绿色环保汽车代替燃油汽车也是社会可持续发展战略的需要，成为世界共同关注的问题145117I。电动汽车ELECTRICVEHICLE是一种节约石油资源、减少污染甚至无污染的理想清洁汽车，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。上世纪70年代，以美国、日本为代表的国家加快了电动汽车的研究和开发，电动汽车也由最初问世时的单一全电池供电的纯电动汽车发展成为现在的三大类纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车ILJ16LO其中纯电动汽车发展时间最长，经验也丰富，纯电动汽车的缺点是一次充电续驶里程短、蓄电池充电时间长、成本高、而且存在废旧电池的二次污染回收问题，这些瓶颈问题抑制了其发展的步伐，使其市场化推广进程十分缓慢，尚需漫长过程。燃料电池汽车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，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，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。但由于燃料电池技术尚未突破以及由此形成的成本问题及可靠性和运行寿命较低等问题，大批量投入市场也需很长一段时间。在上述背景下，以发动机和电动机为动力源的汽车混合动力汽车HVBRIDELECTRICVEHICLE应运而生，成为新型汽车开发的热点124】【8】。混合动力汽车被认为是目前电动汽车中最具有产业化和市场化前景的车型之一混合动力汽车在不降低动力性的前提下，可大幅提高燃油经济性及减少汽车排放，因此，许多国家政府和大型汽车公司加大了混合动力电动汽车的研究开发工作，并取得了卓有成效的成果。可以相信，在蓄电池技术没有根本性突破之前，使用混合动力电动汽车是解决能源与排放问题的最具有现实意义的途径之一。我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，国家发展改革委员会发布的汽车产业发展政策明确提出“国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车。汽车产业要结合上海交通大学汽车工程研究院博士后出站报告国家能源结构调整战略和排放标准的要求，积极开展电动汽车、车用动力电池等新型动力的研究和产业化，重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术。国家在科技研究、技术改造、新技术产业化、政策环境等方面采取措施，促进混合动力汽车的生产和使用“。国家科技部制定的“十一五汽车创新工程“中，也明确提出将混合动力汽车及其产业化推广作为十一五汽车工业的重要发展方向之一，同时将混合动力汽车的3大关键零部件电池、电机和控制系统的相关研究列为3个纵向发展目标。本课题就是基于这样的一个研究背景。当前，电动汽车的发展水平离商品化还有相当距离，有相当多的问题需要进一步研究解决，主要有高性能动力电池系统的开发；高性能驱动系统包括多种电动机系统及内燃机系统的研制I强35J整车性能优化及集成管理单元的开发等ILOL，在当前车载蓄电池技术未能突破的情况下，电动汽车电驱动系统是实现电动汽车基本性能和解决上述制约问题的关键【1删，这要求电动汽车电驱动系统应具有尽可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、高可靠性及在宽车速范围内的高效率【冽同时，电动汽车电驱动系统还应保证在满足车辆动力学性能的前提下，使动力蓄电池放电电流最小。电动汽车电驱动功能的实现涉及电机、电力电子、微处理器、蓄电池、控制理论等多学科技术领域，是赶超世界汽车先进水平的核心技术。因此，对电动汽车电驱动系统的研究开发具有重要的社会意义和工程实际意义。本课题针对混合动力电动汽车的动力系统进行设计和分析，并对电机及其控制系统的关键技术进行理论及实际应用研究，背景是上海交通大学正在进行的混合动力客车和轿车项目。12混合动力电动汽车发展状况121国外在混合动力电动汽车方面的研究与开发动态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，混合动力电动汽车定义为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成为混合动力电动车辆。根据这个通用定义，混合动力电动汽车有很多可能的混合动力组合形式，但通常意义上的混合动力电动汽车是专指那些既有内燃机又有电动机驱动的车辆。自90年代初，混合动力电动汽车的开发得到了美、日及欧洲等许多发达国家的高度重视，并已取得了重大的发展。从90年代开始，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。1993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PNCV，开发以混合动力电动汽车为核心的新一代节能汽车。1997年底美国重新确定的PNCV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ARPA于1993年订立电动汽车EV和混合动力电动汽车HEV项目，出资2500万美元，与各州、地方和私人机构共同研究EV和HEV技术。1994年ARPA项目投资已增加到4600万美元。在1998年1月的北美国际汽车展上，通用汽车公司就推出了上海交通大学汽车工程研究院第一幸堵诗EVL型4座混合动力电动汽车。福特汽车公司也开发出“福特P2000”型5座并联时混合动力电动汽车，2000年投放市场同时，福特公司丌发的“优异2000”概念车实验平台的性能己达到PNCV计划的部分目标每加仑汽油行驶801UN。1998年一月，克莱斯勒汽车公司宣布开发出道奇无畏ESX2串联式混合动力电动汽车，2003年投放市场。1997年由美国宇航局LEWIS中心、俄亥俄州政府和工业界、大学等9个单位合作，开发出串联式电动一喷气涡轮混合动力大客车2000年投放市场。另外，在2007年1月7日举行的“2007年北美国际车展通称底特律车展”，通用和福特两犬汽车公司分别展示了两款采用PHEVPLUGINHYBRIDVEHICLE平台技术的概念车吸引了无数眼球，同时也引起了各方的重视。通用汽车展示的插电式混合动力车PLUGINHYBRIDVEHICLE的概念车为“2007CHEVROLETVOLTCONCEPT”，如图卜L所示。该车配备通用定位于新一代驰动系统的、称为“EFLEX”的混合动力系统该系统通过接入家用电源为配备的充电电池充电T充电后可仅凭充电电池作为电动汽车行驶。另外，在充电电池的剩余电量用完后，并不是切换至发动机行驶模式，而是通过发动机旋转发电机，利用由此产生的电力为充电电池充电，继续用马达行驶，从而形成了串联方式的插电式混合动力车。VOLTCONCEPT的电源采用锂离子充电电池，容量在16KWH以上，充电1次可作为电动汽车行驶约40英里约65KM，如果VOLTCONCEPT达到实用水平每年便可削减500加仑1900L汽油和4400KG氧化碳。对于作为新一代驱动系统的EFLEX，通用汽车还有其它一些设想，比如今后对发动机采取柴油化措施，以支持生物柴油燃料以及配备燃料电池系统柬取代发动机等。图L12007CHEVROLCTVOLTCONCCPL的结构图美国福特汽车展示的概念车为“AIRSTREAMCONCEPT”，立LJ圈12所示。是采用以燃料电池取代发动机的串联式混合动力车。该车配备称为“HYSERIESDRIYE”的新型驱动系统，这种驱动系统是由以氢为燃料的燃料电池、电压为336V的锂离子充电电池以及行驶马达组合而成的。如果预先使用1LOV或220V的家用电源对该车配备的充电电池进行充电，则该车可作为电动汽车行驶约40KM。而且当电池余量降至约40以下时即开始通过燃料电池进行充电，借助这一电能可一边对充电电池充电，一边行驶约448KM。因此，如果充满J海交遗太擘汽车I程研究R博后女站报告氢燃料，并且通过家用电源将充电电池充满电，则无需补充燃料而可行驶约488KM。PLUGLNH丫日RLD避囊、。誊霉窆墨量毫苎燕攀缓图卜2MRSTREAMCONCEPT的结构图日本方面，在第32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。1995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月日本汽车又开发出可以批量生产的并鞋式混合动力电动汽车。日本富士重工将研制微型660CC以下混合动力型汽车作为主攻目标。该公司已研制出了试验样车，采用了两种储能系统；双层电容器和锰钾离子电池，可以根据不同的行驶状态，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替代通常使用的蓄电池系统的JVX混合动力电动汽车，其动力系统为一公升3缸直喷式发动机和电动机。同野汽车制造公司也于1997年开发出了柴油机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AC感应电机和18升的发动机令人瞩目的是丰田公司开发的PRIUS型5座井联式混合动力电动汽车该车型于1997年12月推向市场，据统计1998年在日本国内销售量达12000辆。PDUS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。另外丰田的COASTER串联式混合动力电动客车也己进入商业化阶段。法国雷诺公司研制的VERT和HYMME两款混合动力电动汽车已通过了100001锄的运行试验。并于1998年研制出电动汽油两用车NEXT。这种两用车前部装有一台汽油发动机、两台7RM电动机装在两个后轮上。当时速低于401AN时，由电动机驱动，40KM以上时，由汽油发动机，同时为蓄电池充电，最大时速达142KMH，若再加速，此时蓄电池会提供辅助动力，最高时速可选169KIN。瑞典沃尔沃公司也在沃尔沃FL6卡车的基础上，开发了混合动力电动汽车，时速可达901MA。德国公司生产的并联时混合动力电动汽车DUO己小批量生产，现在德国已开始出售，预计4年内可售出500辆德国汽车工业已实旌新的捧放标准和节能要求，已经不允许百公里油耗超过5升的轿车上路，也促使人们把更多希望寄托于混合动力电动汽车上。国际上主要汽车生产厂家上市或目口将上市的混合动力汽上海盘遗T季汽车I杜研览第一幸绪论车如表11所示表11世界主要汽车厂商昌上市或即将上市的混合动力汽车研制开发厂家车型上市时间丰田汽车PRIUS轿车一代1997丰田汽车PRIUS轿车二代2003丰田汽车HIGHLANDER陆地巡洋舰2005丰田汽车雷克萨斯L400H2005本田汽车INSIGHT2座轿车1999本田汽车CIVIC轿车2002本田汽车ACCORDHYBIRD雅阁混合动力2005三菱汽车HEV无阶梯公共汽车2003日产汽车未知通用汽车雪佛兰SILVERADO2005通用汽车GMCSIERRA皮卡2005通用汽车SATURN甩多功能运动型轿车舢通用汽车通用CHEVYEQUINOX商务车2006通用汽车雪佛兰TAHOE2007通用汽车吉姆希YUKON2007戴姆勒克莱斯勒道奇DURANGO运动多功能车2008戴姆勒克莱斯勒DODGERAM重型卡车2105戴姆勒克莱斯勒梅赛德斯奔驰S级2006福特汽车MARINER混合动力汽车2005福特汽车ESCAPE多功能越野车2005韩国现代汽车混合动力CLICK2004法国雷诺公司KANGOO未知122国内在混合动力电动汽车方面的研究与开发动态我国在“十一五挣期间将混合动力电动汽车作为重点攻关项目，明确了我国的电动汽车的发展重点燃料电池汽车发展居首位，混合动力电动汽车次之，同时兼顾纯电动汽车的基本原则。明确提出“三横三纵“的研发布局。“三横“指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车“三纵力指电池、电机和驱动控制系统的关键零部件。在国家863计划的支持下，我国东风、一汽两大汽车集团自2002年甚至更早就已开始开发混合动力客车和轿车，到2004年均已完成了功能样车试制，现在正在进行小批量生产，在控制、混联机电耦合结构方案等方面完成了众多的技术创新。东风集团下属的东风电动车辆股份有限公司在2005年底率先实现了混合动力客车的商品销售和混合动力轿车的示范运营。其他如上汽、长安、奇瑞、比亚迪等汽车公司也都在积极实施各自的电动车研发及产业化计划。通用汽车中国公司GENERALMOTORSCHINA2004年宣布，将与上海汽车集团SAIC携手，首次在中国开展混合动力公共汽车领域的合作。上海的产学研各界，在市上海交通大学汽车工程研究院博士后出站报告科委的倡导和大力支持下，通过2年的努力，也取得了阶段性的成果2004年，由市科委立项支持，上汽集团汽车工程研究院牵头，联合上海交大、申沃客车有限公司等单位，历时年开发了“申新动L号“混合动力大客车样车2005年12月，上汽集团完成了双龙混合动力SUV的研制，与原型车相比，在燃油经济性、续驶里程、排放和动力性等方面都有了明显的改善。可以看出，同国外电动汽车水平相比，我国尽管有一定的差距，但远小于内燃机汽车与国外的差距。国内主要汽车生产厂家上市或即将上市的混合动力汽车如表I2所示表L2国内各大汽车厂商混合动力汽车生产计划研制开发厂家生产计划一汽丰田国产PRIM下线一汽自主研发的混合动力公交车下线东风自主研发的混合动力公交车下线长安CM9样车问世。预计2008年量产上海大众混合动力途安将在2008年小批量投产比亚迪推出混合动力版的福莱尔上汽与美国通用签署有关高效节能与环保清洁汽上海通用车项目意见书华普海尚305样车问世，计划在2008年实现量产奇瑞推出BSGISG的混合动力样车123发展趋势能源基金会中国可持续能源项目主任、执行副主席欧道格先生认为，中国在清洁能源研究与应用方面的步伐非常快，如果在混合动力技术和政策方面给予支持，会有更多的客车企业愿意投入到这个市场中来，这将对改善中国城市环境起到重大作用。HEV在近2030年内会有很好的发展前景，我们可以从两方面来理解一，混合动力作为一种技术，在不远的将来会成为燃料电池替换内燃机的重要的过渡技术，这对燃料电池混合动力车FCHV的开发将会起到非常重要的作用，因此，混合动力技术就不仅仅是一种提升品牌知名度和技术实力的需要；二。HEV可能具有很好的商业前景，它也许会成为百年汽车史上的又一个里程碑，从而开创世界汽车工业的新篇章。混合动力技术相对比较成熟，节能和环保效果明显，因此，混合动力汽车得到快速发展。在各国优惠政策的鼓励下，混合动力汽车逐步进入商业化推广应用阶段。从目前的混合动力汽车技术发展趋势来看，表现出明显的模块化、总成化和平台化趋势。关键零部件向总成化趋势发展，比如混合动力系统中的驱动电机和变速箱的一体化设计，发动机和电机的总成化以及控制系统的集成化等，使混合动力系统更趋于紧凑，可靠性更高。混合动力系统的模块化趋势，逐步推进了汽车动力的电气化。随着电功率的比例逐步提高，混合程度不断提高，混合动力汽车从只具备自动启停、怠速关机功能的“微混合“、上海交通大学汽车工程研究院第一章绪论以并联式混合动力发动机为主体的轻混合一和以混联式为特征的“强混合“，最终将使用混联式“全混合一方式。13混合动力电动汽车的关键技术混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、高效率的功率电子控制、转换设备和燃料经济性高、排放低的发动机。所面临的关键性技术和需要解决的问题包括车身设计、发动机及传动系统、电机及其驱动控制、电池及电池管理系统、多能源控制策略与整车管理等几个方面。131车身、底盘设计EV和HEV汽车设计有两种基本方法，一种是改装，另一种是专门设计制造。由于采用了现有燃油汽车的底盘、发动机以及车身，对于试验和小批量生产而言，改装是一种经济可行的方法，但是这种方法会造成自重较大、车身质心分布不均衡、重心位置较高等缺点，会影响车辆的行驶的动力性。专门设计制造的车身较之改装车具有很多优势。在设计混合动力电动汽车时，对影响整车整体性能的参数需要进一步改进，比如减轻整车质量，降低风阻系数和减小滚动阻力等。可采用新型、轻型材料如铝合金材料等制作车身底盘来减轻自重。采用流线型的车头和车尾、隐藏式和平坦式的车身底部可减小空气阻力车身设计相关的关键技术与关键工艺有车身造型及蒙皮轻量化设计、车身分缝位置及公差设计、车身骨架轻量化稳健设计、车身内饰优化设计、车身强度分析等。132发动机及传动系统发动机是混合动力电动汽车的主要动力源，要求热效率高、燃油经济型好、排放低，在混合动力电动汽车中，必须考虑传动系统，良好的传动系统不仅能使发动机发挥最大效率，还能保障与电机的配合，根据控制策略进行合理的功率分配。由于混合动力电动汽车的动力可以同时来自内燃机和电动机，与传统汽车发动机相比，其作用发生了变化。在并联混合动力汽车上，内燃机通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分负载功率，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的内燃机；在串联混合动力汽车上，混合动力单元驱动发电机产生电能，由于汽车的行使与发动机没有直接的联系，因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于功率较小的高效率区。133电机及其驱动控制电机及其驱动控制系统是电动汽车的心脏，是提高电动汽车的驱动性能、行驶里程及可靠性的根本保证。尤其是在目前蓄电池技术未取得突破的背景下，电驱动系统是保证电动汽车续行里程、使之实用化的关键【”J。电动汽车运行于较宽的负载和速度范围及不同的路况下，其驱动用电动机的运行工况非常恶劣，不仅表现在路面、气候及大幅度变化的交通状况，更重要的是由于电动汽车靠蓄电池这种有限能量电源供电，而蓄电池的电压变化范围大，特别是当电压降至临界时的实际容量受到极大的限制，上述因素严重影响着电动汽车用电动机系统的整体性能。电动上海交通大学汽车工程研究院一7一博士后出站报告汽车用电动机系统的开发必须综合考虑上述因素，保证系统性能优异、高效和可靠电动汽车用电机及其驱动系统应具有1较高的转矩重量比；2宽调速范围、宽高效率区以及良好的转矩控制特性；3电磁辐射尽量小；4成本低。最早开发的HEV常采用通用型电机，并且借用了内燃机汽车的传动系的一些总成和零部件来组成HEV的驱动系统。现代HEV上已逐步采用机电集成化驱动系统和机电一体化驱动系统来驱动电动汽车，HEV电机驱动系统的结构变得更加紧凑，传动效率大大地提高，控制也更加方便，HEV的电机驱动系统正在向大功率、高转速、高效率、小型化和专用化方向发展。目前，HEV用驱动电机有【删有刷直流电机【171、永磁直流无刷电机、永磁同步电机、交流感应电机、开关磁阻电机1516113S等几种应用较多的电机如图13所示。有刷直流电机通常采用功率管斩波控制实现对电机转速的调节，具有良好的调速性能、控制简单等优点。但是由于需要换向器和电刷进行换向，增加了不安全因素，限制了其应范围，而且由于效率较低，结构复杂体积大、重量大等缺点，处于被淘汰的地位。图13电动汽车用驱动电机的分类交流感应电机驱动系统具有结构简单、制造容易、价格低和坚固耐用等特点，较适用于混合动力电动汽车，其控制可采用磁场定向矢量控制和直接转矩控制【181371。美国和欧洲的汽车公司在电动汽车用交流感应电机及其驱动控制系统方面的研究工作比较深入，技术比较成熟。交流感应电机矢量控制具有类似直流电机的优良的动、静态特性，但控制技术比较复杂，控制器成本比较高。系统强调电磁转矩瓦与转子磁链F，的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器，实行连续控制，可获得较宽的调速范围，但按转子磁链定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性并且控制技术比较复杂，控制器成本比较高，对电机参数变化比较敏感。此外，采用矢量控制的混合动力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。直接转矩控制直接在电机定子坐标上计算磁链和转矩的大小，实行疋与，。的砰砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差。调速范围受到限制。近年来，永磁材料在电机的广泛应用，采用稀土永磁的电机由于取消了电励磁，充分利用了径向空间，使体积大大减小，效率提高，同时在结构方面的改进，提高了可靠性，因此，永磁同步电机仍是目前开发电动汽车和混合动力电动汽车的一个选择【28】1391。按照电上海交通大学汽车工程研究院第一幸绪论机电枢中感应反电势的波形，永磁同步电机PMSM和无刷直流电机BLDCM是永磁电机两种常见的基本形式。前者采用正弦波反电势形式，后者则采用方波或者梯形波反电势形式。BLDCM的特点是结构简单、控制方便、成本较低。它的效率、转矩重量比都很高，并且具有直流电机类似的调速性能，但是转矩脉动的消除和位置检测技术还需要进一步完善。适用于有减速系统和对车速要求不高的电动汽车应用环境。PMSM控制系统具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视，并已在日本得到了普遍应用，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统国内目前在PMSM系列电机方面的研究开发还比较落后，仅中科院电工所、哈尔滨工业大学、沈阳工业大学等少数几家单位在进行相关研究。在感应电机系统与永磁电机系统应用于电动汽车的选择上，国外一些公司进行了有益的探索美国GM公司与UNIQUEMOBILITY公司、德国西门子公司、日本丰田公司等对相同功率的感应电机系统和永磁同步电机系统进行了实验比较，得到的结论是永磁同步电机系统具有更高的效率尤其是低速下和功率密度，但价格较贵。对于最大功率为100KW的两种电机，分别采用转差控制和相位超前控制时，永磁同步电机系统在重量减少4KG的情况下，最大功率时的效率比感应电机系统高10个百分点。而对于25KW的两种电机比较结果是永磁电机的价格贵。而日本富士公司己提出适于大规模生产的永磁电机装配后充磁技术，认为永磁电机的价格不久就可以降至与感应电机竞争的水平上来。电动汽车可以采用如下几种传动方式与传统燃油汽车相同；省略减速器；进一步省略差速器；电动机同轴驱动车轮轴驱将电动机直接装在车轮内即轮驱。不同的电传动方式，对电机系统的性能指标要求不同，控制的复杂程度也存在较大的差异。对多数公路行驶场合；单电机配合减速器和差速器驱动车轮是电动汽车驱动的经济选择，可以借用现有内燃机汽车的相应部件，系统改动小，控制简单。而多电机传动方式因取消了传统的齿轮减速装置，传动效率和控制的灵活性进一步提高，但需两套以上逆变器装置，控制相对复杂，目前仅用于部分电动轿车中。电力电子技术是电动汽车用电动机控制技术发展的重要物质基础，发展非常迅速。电力电子器件己经从第一代的SCR、经第二代有自关断能力的GTR，GTO，MOSFET发展到目前的第三代IGBT,SIT,MCT等复合场控器件，并不断向集成化、智能化方向发展。智能功率模块INTELLIGENTPOWERMODULEIPM是向第四代器件功率集成电路“PIC发展的过渡产品，在IGBT基础上，集成了控制、检测、保护和自诊断等功能，由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。电动汽车用电力电子器件的选择主要考虑其电压、电流、开关频率、功率损耗和动态性能等。目前，IGBT及坤M由于其高输入阻抗、高开关速度和低导通损耗等优点，而成为电动汽车用电力电子器件的首选。在电动汽车驱动系统的控制器选择上，高性能的微处理器、数字信号处理器等占了主导地位，与单片机相比，DSP的突出特点就是处理速度更快，以TI、AD和MOTORALA为代表的DSP研发和生产公司已经使DSP的处理能力达到上百兆HZ，例如11最新的电机调速DSP专用芯片TMS320F2812的主频速度可达150MHZ，这为复杂的高性能控制算法提供了上海交通大学汽车工程研究院博士后出站报告坚实的基础。电机控制策略的选择也是影响混合动力电动汽车性能的一个重要因素。混合动力电动汽车驱动的特点是大功率、高电压、大电流、基速以下要求实现恒功率启动、基速以上采用恒功率运行，因此为了达到较好的动态性能，通常选择闭环或者双闭环控制方法另外，现代控制理论的应用和电机控制专用CPU的发展为高性能电动汽车驱动系统的开发研制提供了很好的硬件和软件条件，可以更低的成本实现电机更精确、更全面的建模及更先进，更复杂的观测和控制算法如最大效率控制、变结构控制、神经网络控制、以及模糊控制等电动汽车用电驱动控制系统工作的特点是负载变化大和调速范围宽，工况相当复杂，电机参数的变化大，系统的实时性要求较高，在保证系统良好的动态与稳态性能的同时，考虑到电动汽车靠车载蓄电池这一有限能量电源供电，提高电源电压的利用率是必须考虑的因素。SPWM控制方式的电源电压利用率低，因此，在车载蓄电池数量一定的条件下，该种控制方式不利于提高电动汽车一次充电续行里程模型参考自适应控制方式和预测控制方式算法复杂，且要求驱动电机的精确数学模型。因此，若将上述数字化方法直接应用于电动汽车用电驱动控制系统，则难以满足电动汽车控制的实时性、精确性、鲁棒性及对电源电压利用率的要求。因此，需要在保证控制实时性的基础上提高系统的鲁棒性和电源电压利用率是电动汽车用电驱动控制全数字化系统需要解决的重要问题。134电池及电池管理系统动力池是混合动力电动汽车的关键部件IN12121L，对整车动力性、燃油经济性等方面都有重大的影响124251。混合动力电动汽车上的电池使用状况不同于电动汽车，在工作中电池处于非周期性的充放电循环，要求龟池的充放电速率和效率高，因此，混合动力电动汽车用电池不仅需要高能量密度，而且还需要高功率密度。目前在混合动力电动汽车中应用较多的电池有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等。铅酸电池122J在各国混合动力电动汽车中都有较多的应用，也是我国目前开发混合动力电动汽车的首选电池。铅酸电池目前需要解决的是迸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。镍氢电池因I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80的放电深度下，具有1000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，多以镍氢电池为动力源。镍氢电池目前需解决的问题是进一步降低价格。锂离子电池的比能量和比功率目前是最高的，作为动力电池由于充放电过程的控制问题及安全可靠性还有待解决，其价格又高，因此，目前尚不能在混合动力电动汽车上推广使用，但随着这些问题的解决，可以认为锂离子电池是未来最有希望的动力电池。混合动力电动汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻等都要受电池放电深度、充放电屯流的大小及具体的汽车行驶工况等诸多因素的影响。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，并为载荷均衡控上海交通大学汽车工程研究院第一章绪论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。135多能源控制策略与整车管理多能源控制策略是HEV的核心技术LBL41，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。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1262711301。目前，在多能源控制策略方面已取得不少成果1321，出现电气辅助控制，比例分配及功率损失最小控制策略。随着控制理论及计算机技术的发展，自适应控制I刎、神经网络网、模糊控制也在混合动力系统控制策略中得到应用。在文献中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混合动力电动汽车工况变化复杂，能流较多，为了保证车辆的可靠运行，有必要进行整车管理与控制。混合动力电动汽车一般采用主从式多控制单元形式，以整车控制器作主控单元，从控制单元包括电机与电机控制器、蓄电池控制器、内燃机控制器和车身其他电气设备控制器，主从控制单元一般采用CAN总线连接。主控制单元主要功能为1根据预先决定好的运行策略，决定车辆的控制模式；2根据路况和驾驶员的需求，确定混合动力源之间合理的功率分配；3刹车和减速时，根据车速来控制能量向蓄电池回馈。从控制单元负责监控具体的单元动作，并向主控制单元提供相应的安全和故障诊断服务；1。4本文的主要研究内容本文对SW6116混合动力客车的动力系统进行了分析设计，针对混合动力电动汽车电驱动控制系统的特点，对混合动力电动汽车用永磁直流无刷电机、永磁同步电机、交流感应电机分别进行了建模和仿真研究，尤其对于永磁无刷直流电机设计了基于DSP的电驱动控制系统，并对非奇异终端滑模控制方法在永磁无刷直流电机中的应用作了相应的研究。具体研究内容如下第一章，阐述了本文研究的背景、课题研究的意义，并对混合动力电动汽车的发展及研究现状做了较详细的分析，明确了混合动力电动汽车研制需要解决的关键问题，确立本论文的研究内容。第二章，对混合动力汽车的工作模式进行了分析，推导了混合动力系统功率流约束条上海交通大学汽车工程研究院博士后出站报告件，根据混合动力汽车动力学，对SWB6116混合动力大客车的动力驱动系统进行详细分析、设计，根据客观条件和设计要求，确定了电机、电池参数以及对电机驱动控制器的具体要求和实现策略。第三章，对混合动力汽车用永磁无刷直流电机工作原理进行了详细分析，在此基础之上利用MATLABSIMULINK软件建立了永磁无刷直流电机的数学模型和控制模型，并进行终端滑模控制器的设计和仿真研究；变结构控制方法的引入有效的改善了无刷直流电机固有的电机转矩脉动大，控制精度低的问题。为了比较控制方法的有效性，与传统的PID控制器和线性滑模控制器进行了比较，仿真结果说明，所设计非奇异终端滑模控制器效果最佳。第四章，对混合动力汽车用交流感应电机进行了建模和仿真研究，感应电机工作原理复杂、控制难度较大，控制性能及效率较低，近年来随着现代电力电子技术的发展，大功率电力电子器件的出现，以及调速方法的不断改进，使得交流调速系统的性能得到了很大改善，因此对交流感应电机的研究也是目前国际上电动汽车用电机的研究热点本章建立了三相感应电机在不同坐标系上的数学模型；之后，基于建立的数学模型，对矢量控制原理进行了分析，设计了转子磁场定向的矢量控制系统，并在MANAB厣IMULINK环境下，对三相感应电动机和转子磁场定向矢量控制系统进行仿真分析。第五章，以DSP为控制内核，设计了永磁无刷直流电机电驱动控制系统，并研制了一个小功率试验平台，用来进行理论验证工作。核心芯片为TI的TMS320LF2407A，设计硬件电路，包括控制模块、电源模块、功率模块和一个200W的小功率无刷直流电机该部分工作已经完成，建立一个软件平台，基本实现了所设计电驱动控制系统的全部功能。第六章，对全文工作进行总结，并对下一步工作及待解决的问题进行了展望。参考文献【11MEHSANI，YGAO，SEGAYAND八EMADI“MODEMELECTRIC,HYB喇ELECTRICANDFUELCELLVEHICLES”CRCPRESSLLC，2005【21ANTONISZUMANOWSKI原著，陈清泉，孙逢春编译混合电动车辆基础，北京理工大学出版社，2001【3】3MICHELC，WEHREY“WHATSNEWWITHHYBRIDELECTRICVEHICLES”【M】，IEEEPOWERENERGYMAGAZINE，NOVDEC2004，PP3439F41布尔古得“混合动力汽车驱动的投资革命”中国投资，20065PP洲F51胡安生汽车新动力的