純電動汽車驅(qū)動與制動能量回收控制策略研究

【摘要】：純電動汽車具有高效、低噪聲、零排放等顯著優(yōu)點(diǎn),在環(huán)保和節(jié)能方面具有不可比擬的優(yōu)勢,其應(yīng)用和普及已成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。迄今為止,續(xù)駛里程不足仍然是制約純電動汽車商業(yè)化的瓶頸。為實(shí)現(xiàn)有限能量源的充分利用,提高驅(qū)動系統(tǒng)效率及再生制動能量回收是目前亟待解決的問題。在此背景下,本文以陜西省重點(diǎn)科技攻關(guān)計劃項(xiàng)目為依托,在高效電驅(qū)動系統(tǒng)、再生制動能量回收、雙能量源存儲系統(tǒng)和優(yōu)化控制策略等方面,通過理論推導(dǎo)、仿真與實(shí)驗(yàn)獲得純電動汽車的研制依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為高性能純電動汽車的研究與開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗(yàn)。論文的研究工作及主要創(chuàng)新點(diǎn)包括： 1.在分析電動汽車動力學(xué)和電機(jī)模型的基礎(chǔ)上,建立了永磁直流電機(jī)拖動汽車的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型,該模型更好地反映了電動汽車運(yùn)動受風(fēng)阻影響這一特殊性?？紤]到電機(jī)通用數(shù)學(xué)模型的普適性,決定采用其主要參數(shù)和環(huán)節(jié),并輔之相應(yīng)的非線性環(huán)節(jié)構(gòu)建電機(jī)拖動汽車的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。同時,推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)電時間常數(shù)的計算公式,使各參數(shù)的物理意義更加明確,實(shí)現(xiàn)了機(jī)(汽車)電(電機(jī))系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。 2.系統(tǒng)分析了純電動汽車驅(qū)動與再生制動能量回收的控制策略,針對蓄電池單能量源純電動汽車,以車速為控制目標(biāo),研究了電動運(yùn)行狀態(tài)的各種控制方案,詳細(xì)分析了系統(tǒng)的構(gòu)成、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)響應(yīng),比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。為了充分利用再生制動的功能,分析了純電動汽車再生制動的工作原理,研究了能量回收的控制策略,利用Matlab仿真驗(yàn)證了理論研究的正確性。 3.以城市公交中巴客車作為純電動汽車的改裝對象,簡要介紹了純電動試驗(yàn)樣車的基本結(jié)構(gòu)、完成了控制系統(tǒng)配套所需電氣控制線路的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,提出了控制器系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,完成了器件選型、硬件電路設(shè)計、軟件程序設(shè)計等工作,同時制作了控制器電路板、觸發(fā)保護(hù)線路和二象限PWM功率變換裝置。為了便于調(diào)試和重要參數(shù)顯示,完成了智能儀表盤的軟硬件設(shè)計。在實(shí)驗(yàn)室完成了系統(tǒng)功能測試。 4.根據(jù)超級電容加雙向DC/DC變換器與蓄電池并聯(lián)的結(jié)構(gòu),設(shè)計了雙能量源系統(tǒng)的主回路電路結(jié)構(gòu),并對其工作狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析,以滿足純電動汽車對比能量和比功率的雙重要求。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)整車的性能要求和配置情況,分別從能量和功率角度對雙能量源系統(tǒng)的蓄電池、超級電容單體串聯(lián)數(shù)目及各節(jié)容量進(jìn)行了理論計算和匹配設(shè)計。利用擴(kuò)展的ADVISOR仿真軟件對雙能量源的匹配參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化及結(jié)果校驗(yàn),可以滿足純電動汽車對雙能量源系統(tǒng)的要求。 5.根據(jù)純電動汽車的不同工作狀態(tài),設(shè)計了雙向DC/DC變換器的模糊自調(diào)整控制策略。在電動運(yùn)行狀態(tài)下以“穩(wěn)壓”為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)超級電容和蓄電池的輸出電壓相匹配；在制動運(yùn)行狀態(tài)下以“穩(wěn)流”為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)對超級電容和蓄電池的恒流充電。建立了電動狀態(tài)電壓控制和制動狀態(tài)電流控制的Matlab仿真模型,驗(yàn)證了模糊自調(diào)整控制策略的正確性和有效性。 6.針對雙能量源純電動汽車的制動力分配和能量管理控制問題,提出了雙能量源制動力分配和能量管理的模糊控制策略,并從整車經(jīng)濟(jì)性、動力性、能量源效率和制動能量回收四個角度對所制定的雙能量源模糊控制效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,模糊控制策略可以合理分配蓄電池和超級電容的輸出功率,綜合發(fā)揮雙能量源特長,提高整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。 7.對ADVISOR2002仿真軟件進(jìn)行了二次開發(fā),獲得了界面友好且適合雙能量源純電動汽車仿真的專用平臺,克服了用ADVISOR軟件不能對雙能量源純電動汽車進(jìn)行性能仿真的缺點(diǎn)。結(jié)合典型循環(huán)工況,對雙能量源純電動汽車及其控制策略進(jìn)行了性能仿真,仿真結(jié)果表明雙能量源純電動的經(jīng)濟(jì)性和動力性都得到了提高。 【關(guān)鍵詞】：純電動汽車 電驅(qū)動系統(tǒng) 超級電容 雙能量源系統(tǒng) 模糊控制 能量管理系統(tǒng) 再生制動
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：U469.72
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-23
• 1.1 選題背景12
• 1.2 研究的目的及意義12-13
• 1.3 國內(nèi)外電動汽車發(fā)展概述13-18
• 1.3.1 電動汽車的分類與特性分析13-14
• 1.3.2 國外純電動汽車發(fā)展概述14-16
• 1.3.3 國內(nèi)純電動汽車發(fā)展概述16-18
• 1.4 純電動汽車電驅(qū)動與制動能量回收控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.5 本文的研究內(nèi)容及章節(jié)安排21-22
• 1.6 本章小結(jié)22-23
• 第2章 蓄電池單能量源純電動汽車建模及控制策略研究23-55
• 2.1 電動汽車動力學(xué)建模23-24
• 2.2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)數(shù)學(xué)模型24-28
• 2.2.1 永磁直流電機(jī)模型24-25
• 2.2.2 永磁直流電機(jī)驅(qū)動電動汽車的數(shù)學(xué)模型25-28
• 2.3 二象限D(zhuǎn)C/DC變換器數(shù)學(xué)模型28-32
• 2.3.1 二象限D(zhuǎn)C/DC變換器工作原理分析28-32
• 2.3.2 二象限D(zhuǎn)C/DC變換器的數(shù)學(xué)模型32
• 2.4 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)車速特性32-34
• 2.5 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)要求及相關(guān)參數(shù)34-36
• 2.5.1 電動汽車對驅(qū)動系統(tǒng)的要求34
• 2.5.2 主要部件的參數(shù)34-36
• 2.6 電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)研究36-46
• 2.6.1 車速開環(huán)控制系統(tǒng)36-37
• 2.6.2 電流單閉環(huán)車速控制系統(tǒng)37-39
• 2.6.3 車速-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)39-46
• 2.7 電動汽車再生制動控制策略及仿真研究46-54
• 2.7.1 電動汽車再生制動的數(shù)學(xué)模型46-47
• 2.7.2 電動汽車再生制動控制策略研究47-50
• 2.7.3 電動汽車再生制動仿真及分析50-54
• 2.8 本章小結(jié)54-55
• 第3章 單能量源純電動試驗(yàn)車控制系統(tǒng)的設(shè)計55-89
• 3.1 純電動試驗(yàn)車系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)55
• 3.2 電氣控制線路設(shè)計55-56
• 3.3 控制器系統(tǒng)設(shè)計56-75
• 3.3.1 控制器總體方案設(shè)計56-58
• 3.3.2 硬件電路設(shè)計58-66
• 3.3.3 軟件設(shè)計66-75
• 3.4 智能儀表盤設(shè)計75-85
• 3.4.1 硬件設(shè)計75-79
• 3.4.2 軟件設(shè)計79-85
• 3.5 系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)85-88
• 3.6 本章小結(jié)88-89
• 第4章 蓄電池-超級電容雙能量源系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)匹配89-107
• 4.1 電動汽車雙能量源系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀89-91
• 4.2 電動汽車雙能量源匹配結(jié)構(gòu)的分析與選擇91-94
• 4.2.1 雙能量源并聯(lián)匹配結(jié)構(gòu)的分析92
• 4.2.2 雙能量源匹配結(jié)構(gòu)的選擇92-94
• 4.3 電動汽車雙能量源存儲系統(tǒng)的主回路設(shè)計94-98
• 4.3.1 雙能量源系統(tǒng)主回路設(shè)計94-95
• 4.3.2 雙能量源系統(tǒng)的主回路工作原理分析95-98
• 4.4 雙能量源系統(tǒng)的參數(shù)匹配98-103
• 4.4.1 雙能量源系統(tǒng)的理論計算98-102
• 4.4.2 基于理論計算的雙能量源參數(shù)匹配102-103
• 4.5 基于ADVISOR的雙能量源系統(tǒng)的匹配優(yōu)化與校驗(yàn)103-106
• 4.5.1 ADVISOR純電動車單能量源參數(shù)匹配算法簡述104
• 4.5.2 針對雙能量源的ADVISOR仿真匹配算法104-106
• 4.5.3 匹配優(yōu)化結(jié)果及分析106
• 4.6 本章小結(jié)106-107
• 第5章 純電動汽車雙能量源系統(tǒng)的控制策略107-132
• 5.1 模糊控制的理論基礎(chǔ)107-109
• 5.2 雙向DC/DC變換器的模糊自調(diào)整控制109-117
• 5.2.1 雙向DC/DC變換器數(shù)學(xué)模型109-112
• 5.2.2 雙向DC/DC變換器控制策略分析112-114
• 5.2.3 雙向DC/DC變換器的模糊自調(diào)整控制器設(shè)計114-116
• 5.2.4 仿真結(jié)果及分析116-117
• 5.3 雙能量源電動汽車制動力分配的模糊控制117-124
• 5.3.1 電動汽車制動力分配的模糊控制器設(shè)計117-122
• 5.3.2 仿真結(jié)果及分析122-124
• 5.4 雙能量源電動汽車能量管理的模糊控制策略124-130
• 5.4.1 雙能量源電動汽車能量管理建模124
• 5.4.2 雙能量源電動汽車能量管理的模糊控制分析124-126
• 5.4.3 雙能量源電動汽車能量管理的模糊優(yōu)化控制器設(shè)計126-127
• 5.4.4 仿真結(jié)果分析127-129
• 5.4.5 模糊控制策略的改進(jìn)129-130
• 5.5 本章小結(jié)130-132
• 第6章 基于ADVISOR二次開發(fā)的雙能量源純電動汽車仿真132-152
• 6.1 國外汽車仿真軟件概述132-133
• 6.2 汽車仿真軟件ADVISOR133-136
• 6.2.1 ADVISOR混合仿真方法133-135
• 6.2.2 ADVISOR的組成與運(yùn)行過程135-136
• 6.3 面向雙能量源純電動汽車的ADVISOR二次開發(fā)136-145
• 6.4 雙能量源純電動汽車仿真結(jié)果及分析145-150
• 6.4.1 蓄電池單能量源與雙能量源純電動汽車的仿真結(jié)果及分析145-149
• 6.4.2 雙能量源邏輯門限與模糊控制策略的仿真結(jié)果及分析149-150
• 6.5 本章小結(jié)150-152
• 第7章 總結(jié)與展望152-154
• 7.1 全文總結(jié)152-153
• 7.2 研究展望153-154
• 參考文獻(xiàn)154-162
• 攻讀博士學(xué)位期間完成的主要論文及著作162-163
• 攻讀博士學(xué)位期間主持和參加的科研項(xiàng)目163-164
• 致謝164

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面向?qū)ο蠼Ｔ谲囕v動力傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用    孫東明,項(xiàng)昌樂

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基于ADVISOR的并聯(lián)式混合動力越野汽車的研究    王鳳麒,崔勝民

前景廣闊的電動汽車    古麗萍

電動汽車?yán)m(xù)駛里程及其影響因素的研究    陳勇,孫逢春

電動車輛設(shè)計中的匹配理論研究    何洪文,余曉江,孫逢春

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混合動力客車整車控制策略及總成參數(shù)匹配研究    劉明輝

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超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究    張慧妍

汽車綜合信息顯示系統(tǒng)的研究    向云秀

超級電容器相關(guān)技術(shù)研究    劉志祥

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混合動力汽車參數(shù)設(shè)計及電機(jī)控制系統(tǒng)仿真    蒲斌

單體電動車蓄電池管理系統(tǒng)    葉尊忠

混合動力汽車用復(fù)合電源參數(shù)匹配與控制策略研究    于遠(yuǎn)彬

并聯(lián)混合動力汽車控制策略和軟件設(shè)計的研究    朱明方

嵌入式實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)    劉峰

超級電容蓄電池復(fù)合電源的研究與仿真    張靖

網(wǎng)絡(luò)化儀表的研究    阮麟

電動汽車驅(qū)動用無刷直流電動機(jī)的控制與仿真    衛(wèi)國愛;全書海;朱忠尼;

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)測試平臺控制方法研究    張嬌

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的研究    王秀玲