HEV用永磁同步电机优化设计与系统性能分析

论文摘要

本文围绕混联式混合动力电动汽车(HEV)用永磁同步电机优化设计与系统性能分析展开。首先,阐述了HEV的研究背景和研究意义,讨论了国内外HEV发展现状与趋势,介绍了目前电动汽车的主要类型,选择研究混联式结构HEV,分析了HEV的几个方面的主要技术的发展现状,包括电池及电池管理系统、双向大功率DC/DC变换器拓扑技术与控制、电机及其驱动控制、多能源控制策略与整车管理以及HEV的仿真技术。详细介绍了HEV用永磁同步电动机转子结构、弱磁控制以及无位置传感器控制三方面的发展现状。通过分析各种电机性能以及永磁同步电机的发展现状,为混联式HEV选择了两台内置式永磁同步电机MG1和MG2。接着,在Prius混联结构HEV发电机单向功率流动基础上提出了复合式混联结构HEV,特点是两台永磁同步电机均参与电动发电能量功率双向流动,工作模式更多,效率进一步提高。通过分析复合式混联式结构HEV能量双向流动的各种运行工况对两台内置式混合结构永磁同步电动机MG1和MG2的要求,借助ANSOFT软件对所选用的两台内置式混合结构永磁同步电动机MG1和MG2进行初始参数计算和重要参数的优化分析,并对起动、助动、发电和纯电动运行等10多种运行工况进行瞬态仿真分析,仿真结果满足了各种运行工况要求,其中制动能量回收效率达到了39%。其次,分析内置式永磁同步电机输入输出量与电机转子位置量之间关系,在快速、准确和容易测量的选择原则基础上选择了包括电机转子静止状态下的电瞬态在内的瞬态反电势数据来确定电机转子位置。通过分析不同状态反电势与发电电动时转速和位置关系,首次提出了三个反电势之间的归一化方法,归一化后数据与反电势大小无关,从而突破了低速反电势小误差大的难题,根据反电势数据周期性创造性地提出了数据的复合可逆条件,很好地实现了静止、机械运动、电动和发电状态下位置的精确判断,实现了简单方便和快速的无位置以及速度传感器控制。同时为了克服永磁同步电机高速弱磁效率低的问题,借助于ANSOFT软件电机设计和瞬态分析工具,从结构设计以及性能分析方面提出了电动时升压和低速强磁控制相结合的控制思想,基本实现了永磁同步电机高速不需弱磁的大范围高效率的运行。再次,详细介绍了DC/DC变换器的拓扑结构,分析了Boost模式和Buck模式下电感L和电容C电气参数以及占空比D和开关频率f控制参数对非隔离式DC/DC变换器输出特性影响,分析了电压SPWM控制、空间电压矢量PWM(SVPWM)控制以及电流跟踪PWM控制三种常见的逆变器PWM控制方法的特点,分析了电流跟踪控制开关频率特性与电压和滞环宽度的关系,为电机的控制器设计包括元器件的选择和软件控制算法提供了理论依据,并对所设计的高性能电流跟踪逆变器进行了测试实验研究,跟踪效果良好。最后,主要介绍了Advisor电动汽车仿真软件参数的设置,仿真模块模型的数学描述和模块的建立以及对仿真软件的介绍,最后在Advisor的Prius混联式的基础上进行适合本文设计的复合式混联结构的二次开发,给出了整车模型、发电机、电动机以及复合电源模块。仿真工况很好地验证了控制策略的可行性。分析结果显示百公里油耗和排放满足了整车开发的性能要求目标,与相应结构的传统汽车相比大大提高了节能与环保性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外电动汽车的发展现状与趋势
• 1.3 混合动力电动汽车类型
• 1.4 混合动力电动汽车主要技术发展状况
• 1.4.1 电池及电池管理系统
• 1.4.2 双向大功率DC/DC变换器拓扑技术与控制
• 1.4.3 电机及其驱动控制
• 1.4.4 多能源控制策略与整车管理
• 1.4.5 混合动力电动汽车的仿真技术
• 1.5 混合动力电动汽车用永磁同步电机控制系统的发展现状
• 1.5.1 永磁同步电机的转子结构
• 1.5.2 永磁同步电机弱磁控制
• 1.5.3 无位置传感器控制理论发展
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 HEV用永磁同步电机的优化设计与仿真分析
• 2.1 优化设计要求
• 2.2 优化设计
• 2.2.1 转子结构和极数的选择
• 2.2.2 MG1主要尺寸的初始计算与选择
• 2.2.3 气隙的仿真选择
• 2.2.4 绕组匝数对电机效率的影响
• 2.2.5 永磁体的优化设计
• 2.2.6 基于主要参数值的综合仿真优化设计
• 2.2.7 最终优化设计参数
• 2.2.8 MG2设计
• 2.3 混合动力汽车运行工况分析
• 2.3.1 起动发动机1200 rpm
• 2.3.2 中等加速要求微弱助动
• 2.3.3 高加速要求MG2助动MG1发电
• 2.3.4 中速运行充电
• 2.3.5 中速运行高充电要求
• 2.3.6 中度加速要求弱充电
• 2.3.7 中等加速中度充电要求
• 2.3.8 中等加速无充电要求
• 2.3.9 中速运行中充电要求
• 2.3.10 低速电动
• 2.3.11 无油电量较足中度电动
• 2.3.12 减速制动
• 2.3.13 低制动发电（发动机动能回收）
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于瞬态分析IPMSM快速无位置传感器控制研究
• 3.1 位置与输出参数关系分析
• 3.1.1 输入输出量分析
• 3.1.2 反电势与转速和位置的变换关系分析
• 3.2 静止状态下位置估计
• 3.3 机械运动状态下位置估计
• 3.4 反电势数据绝对值最小相快速求取位置
• 3.4.1 电动或发电起动时高压高阻全导通测量反电势
• 3.4.2 发电过程中速度估计
• 3.4.3 电动过程中位置估计
• 3.5 电动调磁控制研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 控制系统优化设计与初步试验研究
• 4.1 电机控制系统
• 4.2 双向大功率DC/DC变换器设计
• 4.2.1 参数关系分析
• 4.2.2 DC/DC变换器反馈控制
• 4.3 逆变器PWM技术
• 4.3.1 电压正弦PWM（SPWM）
• 4.3.2 空间电压矢量PWM（SVPWM）
• 4.3.3 电流跟踪PWM
• 4.4 电流跟踪PWM优化控制
• 4.4.1 滞环宽度对PWM脉冲频率的影响
• 4.4.2 电源电压对PWM脉冲频率的影响
• 4.4.3 变电压电流跟踪型逆变器控制研究
• 4.5 CRPWM逆变器测试波形
• 4.6 小结
• 第五章 混合动力汽车整车建模与性能仿真分析
• 5.1 整车仿真分析参数
• 5.1.1 驾驶循环模块
• 5.1.2 车辆模块
• 5.1.3 车轮与车轴模块
• 5.1.4 变速器模块
• 5.1.5 电机/控制器模块
• 5.1.6 发电机/控制器模块
• 5.1.7 控制策略模块
• 5.1.8 功率总线模型
• 5.1.9 储能器模块
• 5.1.10 发动机模块及排放系统模块
• 5.2 测试实验
• 5.2.1 二次开发的必要性
• 5.2.2 系统的性能部分分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 本文完成的主要工作
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间发表的论文和专利