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PHEV复合电源及Halbach永磁同步电机驱动技术的研究

张好明  
【摘要】: 汽车的发展时刻面临着环保和节能两大主题。世界各国政府都在探索新途径,一方面控制汽车污染物的排放,另一方面推进各种汽车清洁节能技术的开发和应用。并联混合动力电动汽车由于具有结构简单、低排放甚至零排放、低噪声和节能等优点,成为当今汽车研究和开发热点之一。蓄电池管理技术、再生制动、电机本体及其驱动是并联混合动力电动汽车发展的关键技术,本文针对这些关键技术进行了研究。 首先,分析了各种动力型电池的优缺点,然后确定了以锂离子电池为主的储能系统。通过对汽车行驶功率需求的建模,确定了基于混合动力电动汽车的锂离子电池能源系统参数,并对基于R5421锂离子电池充放电回路的保护进行了深入研究。为了保护低压附近工作时的场管,提出了基于CD4011锂离子电池下限自锁电路;为了消除锂离子电池充放电后电压参差不齐的现象,提高系统性能,提出了基于R5421、TL431和“飞渡电容”锂离子电池均衡电路。较准确、可靠地获得电池SOC是并联混合动力电动汽车能量管理系统中最基本和最首要的任务,因为SOC值直接反映了电池所处的状态,是混合动力电动汽车整车控制策略的重要参数之一。它是决定混合动力电动汽车的功率在发动机和电动机之间如何进行有效分配的依据之一,也是优化混合动力电动汽车能量管理系统,提高混合动力电动汽车车载电池使用效率,降低整车蓄电池成本的关键。论文分析了传统SOC预测方法以及其弊病,提出了基于模糊理论的锂离子电池SOC预测方法,在Matlab仿真环境下对锂离子电池的SOC模糊预测进行了仿真,与实验结果吻合;针对混合动力电动汽车的特殊需要,设计了基于TMS320LF2407A锂离子电池智能管理系统,并对此智能系统进行了试验研究。 其次,对制约并联混合动力电动汽车一次充电电动行驶里程因素进行了研究。虽然蓄电池功率密度较低影响了其电动路程,但是城市运行工况下频繁刹车以及下坡刹车能量没有回收也是导致其里程较短的一个非常重要的原因。汽车的能量有30%被用于刹车,因此,合理利用电制动,不仅为混合动力电动汽车提供辅助制动功能,提高混合动力电动汽车整车制动性能,而且还能够通过回收制动能量来节约能源,延长混合动力电动汽车的一次充电续驶里程,所以在现有的情况下对混合动力汽车再生制动的研究是一项非常有意义的工作。论文针对超级电容和蓄电池的各自优点,提出了复合电源储能再生制动系统,并通过Matlab/simulink对复合电源的再生制动系统进行了仿真,根据复合制动系统回收能量确定了超级电容的参数,针对多超级电容系统进行了均衡设计。基于复合电源的并联混合动力汽车控制策略需要解决的主要问题就是如何实现需求转矩在发动机和电机之间的最优分配,针对逻辑门限控制的缺点,论文提出了基于模糊理论的控制策略,然后在ADVISOR仿真软件的帮助下对此控制策略进行了分析,结果表明基于模糊控制策略的混合动力电动汽车的性能远远优于基于逻辑门限控制策略的混合动力电动汽车的性能。 接着,对应用于混合动力电动汽车双向DC/DC变换器进行了研究。通过对几种常用非隔离双向DC/DC变换器的拓扑结构分析、比较,决定采用双向半桥变换器拓扑结构,并对双向半桥变换器的运行模式进行了详细分析,根据双向DC/DC变换器的设计要求,确定了双向半桥变换器的元器件参数,使用仿真软件Matlab/simulink建立了双向DC/DC变换器的仿真模型,仿真结果证明了理论分析和计算的正确性。在此基础上,讨论了双向DC/DC变换器在实际系统中的实现,主要包括硬件设计和软件设计两部分,并对双向DC/DC变换器进行了试验分析。 最后,对混合动力电动汽车电力驱动系统进行了实验研究。针对混合动力电动汽车电机高速、高效、高功率密度、低脉动转矩的特殊要求,引入了新型永磁同步Halbach电动机。在对其基本原理及特性详细分析的基础上,参考普通永磁同步电动机设计参数,采用场路结合的方法,利用Matlab语言建立了Halbach永磁同步电动机的计算机辅助设计程序,并利用有限元分析软件ANSYS建立了其有限元分析模型。在普通永磁同步电动机DTC控制理论的基础上建立了Halbach永磁同步电动机的直接转矩控制模型。对基于混合动力电动汽车的Halbach永磁同步电动机电力驱动系统进行了软硬件设计,并对矢量控制和直接转矩控制两种控制方式进行了试验研究,结果表明基于直接转矩控制的Halbach永磁同步电动机在混合动力电动汽车中具有较好的应用价值和前景。


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