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车用永磁同步电机的参数匹配、协调控制与性能评价研究

王伟  
【摘要】: 发展节能环保汽车逐渐成为世界汽车工业技术创新的重要方向,尤其是电动汽车和混合动力汽车已成为汽车产业可持续发展的必然选择。永磁同步电机由于具有高功率密度和高效率等优点,已成为混合动力乘用车驱动电机中强有力的竞争者,发展前景最为广阔。本文主要从永磁同步电机的特性分析入手,结合混合动力汽车对驱动电机提出的具体需求,以提高整车的经济性为目标,探索了更为合理的电机参数匹配方法、混合动力汽车总成的协调控制方法以及电机性能的综合评价方法。论文主要内容包括: 1、混合动力汽车永磁同步电机问题的提出 在深入了解混合动力汽车驱动电机关键技术的基础上,通过查阅大量文献资料,把本文研究的基于永磁同步电机特性的车用驱动电机参数匹配、协调控制与性能评价界定为电机和整车的“接口”问题。从而与目前流行的“驱动电机控制”相区别,明确了本文阐述重点是车用驱动电机和整车的交叉领域,避免了研究的重复性。 2、混合动力汽车驱动电机性能需求分析 车用驱动电机有多种类型,混合动力汽车也有各种各样的结构和车型。因此,从提高车辆行驶性能的角度推导对驱动电机的各项需求是十分有必要的。本文从驱动电机的控制模式、静态特性、动态特性等方面,定性或者定量提出了混合动力汽车驱动电机的性能指标。重点分析了驱动电机的恒功率区间、高效率区间以及过载区间的特点和各工作区间之间的关系,其中对驱动电机的基速比范围和与恒功率区间的关系进行详细的推导和论证,得出了只要确定整车构型,驱动电机基速比范围就确定的结论。以普锐斯汽车的驱动电机为例,定量分析了驱动电机效率区间对整车经济性能的影响。 混合动力汽车驱动电机的性能需求分析为混合动力汽车的设计与控制奠定了基础。 3、基于永磁同步电机损耗模型的车用驱动电机的参数匹配 在保证混合动力汽车动力性的基础上,以整车燃油经济性为目标,提出了基于永磁同步电机损耗模型的参数匹配方法。依据永磁同步电机的经验设计公式,搭建了永磁同步电机本体和控制器的损耗模型,实现了整车仿真软件ADVISOR和优化软件modeFRONTIER的联合仿真。以奔腾混合动力轿车为例,对NEDC、UDDS、中国商务车三个循环工况进行了寻优仿真,最终确定了驱动电机性能参数。同时比较了三种驱动电机参数匹配方法对整车经济性能和动力性能的影响,结果表明:本文提出的驱动电机参数匹配方法具有较高的工程应用价值。 4、基于永磁同步电机温升性能的混合动力汽车协调控制策略研究 分析了混合动力汽车动态协调控制的必要性,并将由于驱动电机温度升高导致电机性能下降乃至自我保护的问题归纳到整车协调控制中来解决。分析了永磁同步电机的散热机理和电机温升对驱动电机转矩、效率的影响,提出了温度调制系数的概念。根据经验公式和电机试验数据,对整车仿真软件ADVISOR进行了二次开发,以Matlab/Simulink为平台搭建了永磁同步电机的热力学模型,提出了基于驱动电机热力学模型的混合动力汽车总成协调控制策略。 以奔腾混合动力轿车为仿真平台,对25个UDDS循环工况和27个NEDC循环工况中的驱动电机温升进行了仿真研究。结果表明:提出的混合动力总成协调控制策略可以解决循环工况中由于电机温升导致整车动力性不足的问题,并且降低了电机由于温度过高出现故障的频率。 5、基于多属性决策灰色关联度的车用驱动电机综合性能评价 混合动力汽车驱动电机系统各影响因素的评价与综合通常以经典集合论为基础的数学方法进行描述,但是因为此方法本身固有的局限性,并不适合于工程应用。灰色系统关联分析理论是研究和解决这类问题的有效方法模型,可以利用少量数据建模,目标是建立微分方程模型,具有动态性,致力于现实规律的探讨。 本文根据各种类型驱动电机基本性能和混合动力汽车工作模式的要求,提出了混合动力汽车驱动电机的评价流程,建立了“三横两纵”评价框架体系。从电机本体、电机控制、车辆行驶循环工况三个方面,利用试验和仿真两种手段,结合多属性决策灰色关联度算法,把评价框架中的指标都等效的归纳到综合性能评价体系中,为车用驱动电机系统综合评价提供了一种新方法。最后,以一汽混合动力客车为例,进行了不同类型驱动电机在同一行驶循环工况中的评价;以奔腾混合动力轿车为例,进行了同一驱动电机在不同行驶循环工况中的评价。结果表明:建立的驱动电机综合性能评价体系具有良好的应用性。 6、永磁同步电机和整车的台架试验 为了验证提出的混合动力汽车驱动电机的性能需求指标,分别进行了奔腾混合动力轿车驱动电机和整车的台架试验。重点针对提出的驱动电机的性能指标,进行了相关测试试验,测试结果表明匹配的驱动电机满足提出的性能需求指标。为了验证混合动力汽车控制策略的控制功能,进行了奔腾混合动力轿车NEDC的台架试验,测试结果表明开发的整车基本逻辑门限值控制策略满足车辆要求。搭建了混合动力汽车的虚拟测试平台,连续进行了25个UDDS循环工况的虚拟测试,模拟出了车辆长时间运行过程中电机温升的变化趋势,开发的基于驱动电机热力学模型的整车协调控制策略可以降低电机的故障率。 论文的研究是混合动力汽车研发的基础性工作。针对混合动力汽车驱动电机性能提出的参数匹配、协调控制与评价方法,对优化整车设计和控制,降低整车成本,增强混合动力汽车的市场竞争力具有一定的意义。


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