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电动汽车高效快响应电驱动系统控制策略研究

李珂  
【摘要】: 融多项高新技术于一体的电动汽车具有无排放污染、噪声低等优点,在环保和节能方面具有不可比拟的优势,正在引发一场世界汽车工业革命。迄今为止,续驶里程不足仍然是电动汽车商业化发展的瓶颈,为了解决这个问题,一方面必须开发能量密度高的电池;另一方面,必须极大限度地提高其驱动系统的效率,有效地利用有限的能量。对于第二个问题可以从两个方面入手:一是通过变频调速技术及其优化控制技术实现“按需供能”,即在满足电动汽车行驶所需车速、驱动力及动、静态性能指标的前提下,尽量减少电驱动系统的输入能量;另一个方面是当电机处于制动状态时能合理、高效地将机械能转化为电能馈送回逆变器直流侧并存储于车载能量源中。 感应电动机由于具有体积小、重量轻、成本低、免维护等优点,在电动汽车电驱动系统中得到了广泛的应用。目前的感应电动机变频驱动系统效率优化方面的研究大多局限于以牺牲动态响应为代价来提高系统的效率,只能用于诸如风机水泵等对动态性能要求不高的负载,不能用于电动汽车、机器人等要求快速响应的场合。因此急需研究一种新型高性能变频驱动系统控制策略,以满足电动汽车对传动系统快响应和高效率的要求。本文综合应用最优化理论和技术、电机控制理论和汽车理论深入研究电动汽车电驱动系统高效率快响应变频驱动控制策略。显而易见,该项研究不但对电机控制理论学科与众多相关分支学科的发展具有重要的理论意义和学术价值,而且对我国发展具有自主知识产权的先进电动汽车技术和尽早实现电动汽车的产业化和高性能化具有重大的现实意义。 本文首先讨论了电动汽车电驱动系统关键技术:感应电动机变频调速系统效率优化、快速动态响应及电动汽车再生回馈制动等领域的控制技术现状、研究热点及发展动态,并指出本课题的主要研究内容及章节安排。 结合电动汽车行驶方程式和典型循环工况分析探讨了电动汽车电驱动系统的负载特征及驱动电机的工作区域特点;分析了电动汽车电驱动系统的功率流程及损耗;简要介绍了基于DSP TMS320LF2407A的感应电机变频调速实验系统,为全文的工作奠定了基础。 针对电动汽车用感应电机励磁电感一般较小,导致工作时铁损增加从而不容忽略的问题。从三相静止坐标系下的感应电动机物理模型入手,建立了考虑铁损的感应电动机在同步旋转坐标系下动态数学模型,给出了相应的等效电路图,并在MATLAB/Simulink中用S-函数实现了其仿真模型的搭建。经分析,铁损的存在导致按转子磁场定向矢量控制的定子电流d、q轴分量都影响磁场建立和转矩输出,即使在稳态时也不再解耦。磁链和转矩的控制量由定子电流d、q轴分量变为励磁电流d、q轴分量。根据两者存在的对应关系,从通过控制定子电流来控制励磁电流以实现电动机磁通和转矩输出解耦控制的角度出发,提出了动态和稳态两种补偿方案。对比仿真实验结果表明,动态补偿方案克服了标准矢量控制由于忽略铁损而带来的磁场定向及转矩输出不准确等缺陷,各项性能均令人满意;稳态补偿方案在磁场未建立起时性能稍差,但当磁场建立起后可以实现与动态补偿方案相似的控制效果,且其更易于实现。 针对电动汽车用感应电动机存在轻载低效致使续驶里程等性能指标下降的问题,研究了其效率优化控制策略。首先在分析感应电动机变频调速系统效率优化控制原理的基础上,提出了一种基于电机损耗模型的感应电动机效率优化控制策略,并综合考虑电动机在基频以上所受电压、电流限制,将其扩展到高速区,仿真和实验结果验证了控制策略的有效性;然后探讨了效率优化控制具体实施中的相关问题:(1)感应电动机全工作区域内效率优化的磁通限制;(2)利用参数灵敏度分析的方法分析了电机参数变化对效率优化控制精度的影响,并探讨了利用电机参数变化规律进一步改善效率优化效果的可能性;(3)效率优化控制启动过程中的动态性能及效率;最后综合分析了搜索法、最小定子电流法和损耗模型法等变频调速系统效率优化控制策略间的区别和联系,表明几种优化算法各具特色。其中,基于电机损耗模型的优化控制具有一定意义下的全局最优,无需增加任何硬件设备,寻优速度较快,且寻优过程中电磁转矩和转速较平稳等优点,在各种优化方法中综合性能最优。 电动汽车电驱动系统要求宽调速范围内转矩响应迅速。首先结合感应电动机输出转矩和转子磁链表达式,分析了以弱磁为途径改善感应电动机轻载低效问题的优化运行对其动态响应速度的影响;然后针对电动汽车在高速行驶中仍然需要有较快的动态响应以加速超车的特点,提出了一种适用于基频以上的快速转矩响应控制策略。根据动态过程中电压限制的偏移调整分配电机的励磁和转矩电流,可以保证动态过程中的每一时刻转矩输出近似为最大值。突破了基于稳态分析的最大转矩控制策略在分析和解决动态过程转矩输出能力问题时的局限性。仿真和实验结果表明,提出的控制策略可在动态中提供较大的转矩输出,减小了采用效率优化控制对电动汽车高速运行时动态响应速度的影响。 提高再生能量回收和利用的效率是电动汽车中低强度制动过程研究的重要问题。首先分析了电动汽车再生制动回馈原理、制动模式、制动系统基本要求及影响制动能量回收的因素等问题;利用典型城市工况制动频繁,且电动汽车常处于轻载制动状态以及仅驱动轮的制动能量可以馈送直流侧的特点,提出了一种结合感应电动机再生制动效率优化控制和改进制动力分配方案的电动汽车高效制动能量回收控制策略。在保证制动过程中车辆方向稳定性的前提下,尽量将制动力分配到驱动轮;在保证制动强度的前提下,尽量使用电机再生制动,然后应用效率优化控制降低制动过程中电驱动系统的运行损耗。在电动汽车仿真软件ADVISOR中的对比仿真研究结果表明,是否启动再生制动对电动汽车的能量利用率影响很大,且随着改进的制动力分配方案及制动区效率优化控制等改善措施的加入,再生制动能量的回收率均得到不同程度的提高;最后综合本文提出的效率优化和高效回馈制动两种电动汽车电驱动系统效率提升策略的仿真结果表明,控制策略的实施使续驶里程和能量利用率都得到了明显提高,为合理利用电动汽车有限的能量提供了一种解决方案。


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