混合动力汽车用无刷电无级变速器及其控制系统研究

【摘要】：现如今,高度发展的汽车工业和持续增长的汽车使用量在全球已经引发了严重的环境和碳氢资源问题。为了缓解石油紧张带来的问题和减少空气污染物的排放量,新能源汽车已得到越来越多的关注。目前最有发展前途的技术是混合动力汽车和纯电动汽车。纯电动汽车完全依靠电能驱动,实现零排放和零油耗,但大规模储能的蓄电池成为目前的瓶颈,限制了其大规模商业化的发展。而混合动力汽车则是纯电动汽车到来前的过渡产品,可以有效的降低油耗和减少尾气的排放。这两种汽车目前已成为各国各大汽车公司的发展热点,并将在10年内实现大规模应用。 本文的研究对象是混合动力汽车用动力系统,总共分为两个部分,前一部分是电无级变速器混合动力系统,后一部分是无刷电无级变速器混合动力系统。前一部分为基础,后一部分为拓展和创新。分别对两个系统进行了结构及原理分析,数学建模,等效电路分析,能量流动情况分析,控制策略提出,控制器软硬件设计和仿真实验等工作。 首先从电无级变速器入手,分析了其工作原理和结构特点。对电无级变速器中的核心部件——双机械端口电机进行了数学建模,模型采用双同步速坐标系,分别给出了考虑和忽略定子和内转子绕组之间耦合情况下的数学模型。提出了交流电机等效电路统一建立方法,采用该方法可以方便地建立各种复杂交流电机的等效电路,并且能够对其电端口和机械端口进行清晰的定义,同时能够分析和计算电机中的能量流动情况。按照该方法,建立了双机械端口电机的等效电路,并分析了不同工况下的电机运行状态和能量流动情况。 文中提出了双机械端口电机的两种控制方式：转速-转速控制和转矩-转速控制。基于两种控制方式提出了电无级变速器的总成控制策略,根据内燃机开启条件和最优效率曲线,在不同工况下需要采用不同的双机械端口电机控制策略。永磁同步电机的弱磁方法可以运用在双机械端口电机上,但是弱磁范围受到电机结构的影响。设计了一台双机械端口电机样机,并搭建了一个电无级变速器模拟实验平台,在该平台上进行了一系列的实验。 在前一部分的基础上,提出了一种新型混合动力汽车用动力系统——无刷电无级变速器系统,其主要部件为无刷双机械端口电机。提出了其几种可能的结构,以一种结构为研究对象,详细分析了其工作原理,给出了需要特别注意的电机绕组的连接方式。说明了在不同工况下,无刷电无级变速器系统各部件中的能量流动情况。建立了无刷双机械端口电机数学模型和等效电路。 文中提出了无刷双机械端口电机的两种控制策略：功率-转速控制和转速-转速控制。其中,功率-转速控制采用一种新型的三相桥控制方式,能够在不需要知道内、外转子位置和电机参数的情况下对电机回馈直流母线的能量进行控制,该方法简单易行,完全不受电机参数的影响。基于上述两种电机控制策略,提出了无刷电无级变速器总成控制策略,根据不同的工况采用不同的电机控制方法。提出了一种异步电机全转速范围内最大转矩输出控制策略,该策略能够最大限度地使用电机和控制器的电压电流极限,提高输出转矩,该策略也可以运用在无刷双机械端口电机上。制作了一台无刷双机械端口电机样机,搭建了无刷电无级变速器实验平台,在该平台上进行了一系列的实验,并且运用仿真和实验方法验证了所述控制策略的正确性。 【关键词】：电无级变速器 等效电路 数学模型 无刷电无级变速器 无刷双机械端口电机 控制系统 控制策略
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM343
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-26
• 1.1 汽车动力结构及特点11-13
• 1.2 混合动力汽车发展现状13-22
• 1.3 电无级变速器混合动力系统的国内外研究现状22-24
• 1.4 无刷电无级变速器混合动力系统的国内外研究现状24
• 1.5 本课题研究任务24
• 1.6 章节安排24-26
• 2 电无级变速器混合动力系统原理26-43
• 2.1 电无级变速器结构及工作原理26-29
• 2.2 电无级变速器运行工况及功率流向29-30
• 2.3 双机械端口电机建模30-35
• 2.4 双机械端口电机等效电路35-42
• 2.5 本章小结42-43
• 3 电无级变速器混合动力系统控制43-77
• 3.1 双机械端口电机控制策略43-45
• 3.2 基于电无级变速器的混合动力汽车总成控制策略45-48
• 3.3 双机械端口电机弱磁控制48-51
• 3.4 双机械端口电机控制器硬件设计51-58
• 3.5 双机械端口电机控制器软件设计58-62
• 3.6 电无级变速器系统仿真、实验与结论62-76
• 3.7 本章小结76-77
• 4 无刷电无级变速器混合动力系统原理77-94
• 4.1 无刷电无级变速器结构及工作原理77-83
• 4.2 无刷电无级变速器运行工况及功率流向83-87
• 4.3 无刷双机械端口电机建模87-90
• 4.4 无刷双机械端口电机等效电路90-93
• 4.5 本章小结93-94
• 5 无刷电无级变速器混合动力系统控制94-139
• 5.1 无刷双机械端口电机控制策略94-99
• 5.2 基于无刷电无级变速器的混合动力汽车总成控制策略99-101
• 5.3 异步电机全转速范围最大转矩输出控制策略101-109
• 5.4 无刷双机械端口电机控制器硬件设计109-118
• 5.5 无刷双机械端口电机控制器软件设计118-123
• 5.6 无刷电无级变速器系统仿真、实验与结论123-137
• 5.7 本章小结137-139
• 6 全文总结139-143
• 6.1 本文创新点及主要成就139-141
• 6.2 后续工作与关键性问题141-143
• 致谢143-145
• 参考文献145-155
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文及申请专利155-156

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