混合動力汽車用無刷電無級變速器及其控制系統(tǒng)研究

【摘要】：現(xiàn)如今,高度發(fā)展的汽車工業(yè)和持續(xù)增長的汽車使用量在全球已經(jīng)引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境和碳?xì)滟Y源問題。為了緩解石油緊張帶來的問題和減少空氣污染物的排放量,新能源汽車已得到越來越多的關(guān)注。目前最有發(fā)展前途的技術(shù)是混合動力汽車和純電動汽車。純電動汽車完全依靠電能驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)零排放和零油耗,但大規(guī)模儲能的蓄電池成為目前的瓶頸,限制了其大規(guī)模商業(yè)化的發(fā)展。而混合動力汽車則是純電動汽車到來前的過渡產(chǎn)品,可以有效的降低油耗和減少尾氣的排放。這兩種汽車目前已成為各國各大汽車公司的發(fā)展熱點(diǎn),并將在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。 本文的研究對象是混合動力汽車用動力系統(tǒng),總共分為兩個部分,前一部分是電無級變速器混合動力系統(tǒng),后一部分是無刷電無級變速器混合動力系統(tǒng)。前一部分為基礎(chǔ),后一部分為拓展和創(chuàng)新。分別對兩個系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及原理分析,數(shù)學(xué)建模,等效電路分析,能量流動情況分析,控制策略提出,控制器軟硬件設(shè)計和仿真實(shí)驗(yàn)等工作。 首先從電無級變速器入手,分析了其工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對電無級變速器中的核心部件——雙機(jī)械端口電機(jī)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,模型采用雙同步速坐標(biāo)系,分別給出了考慮和忽略定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組之間耦合情況下的數(shù)學(xué)模型。提出了交流電機(jī)等效電路統(tǒng)一建立方法,采用該方法可以方便地建立各種復(fù)雜交流電機(jī)的等效電路,并且能夠?qū)ζ潆姸丝诤蜋C(jī)械端口進(jìn)行清晰的定義,同時能夠分析和計算電機(jī)中的能量流動情況。按照該方法,建立了雙機(jī)械端口電機(jī)的等效電路,并分析了不同工況下的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和能量流動情況。 文中提出了雙機(jī)械端口電機(jī)的兩種控制方式：轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制。基于兩種控制方式提出了電無級變速器的總成控制策略,根據(jù)內(nèi)燃機(jī)開啟條件和最優(yōu)效率曲線,在不同工況下需要采用不同的雙機(jī)械端口電機(jī)控制策略。永磁同步電機(jī)的弱磁方法可以運(yùn)用在雙機(jī)械端口電機(jī)上,但是弱磁范圍受到電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響。設(shè)計了一臺雙機(jī)械端口電機(jī)樣機(jī),并搭建了一個電無級變速器模擬實(shí)驗(yàn)平臺,在該平臺上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。 在前一部分的基礎(chǔ)上,提出了一種新型混合動力汽車用動力系統(tǒng)——無刷電無級變速器系統(tǒng),其主要部件為無刷雙機(jī)械端口電機(jī)。提出了其幾種可能的結(jié)構(gòu),以一種結(jié)構(gòu)為研究對象,詳細(xì)分析了其工作原理,給出了需要特別注意的電機(jī)繞組的連接方式。說明了在不同工況下,無刷電無級變速器系統(tǒng)各部件中的能量流動情況。建立了無刷雙機(jī)械端口電機(jī)數(shù)學(xué)模型和等效電路。 文中提出了無刷雙機(jī)械端口電機(jī)的兩種控制策略：功率-轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)速控制。其中,功率-轉(zhuǎn)速控制采用一種新型的三相橋控制方式,能夠在不需要知道內(nèi)、外轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)參數(shù)的情況下對電機(jī)回饋直流母線的能量進(jìn)行控制,該方法簡單易行,完全不受電機(jī)參數(shù)的影響?；谏鲜鰞煞N電機(jī)控制策略,提出了無刷電無級變速器總成控制策略,根據(jù)不同的工況采用不同的電機(jī)控制方法。提出了一種異步電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)最大轉(zhuǎn)矩輸出控制策略,該策略能夠最大限度地使用電機(jī)和控制器的電壓電流極限,提高輸出轉(zhuǎn)矩,該策略也可以運(yùn)用在無刷雙機(jī)械端口電機(jī)上。制作了一臺無刷雙機(jī)械端口電機(jī)樣機(jī),搭建了無刷電無級變速器實(shí)驗(yàn)平臺,在該平臺上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn),并且運(yùn)用仿真和實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了所述控制策略的正確性。 【關(guān)鍵詞】：電無級變速器 等效電路 數(shù)學(xué)模型 無刷電無級變速器 無刷雙機(jī)械端口電機(jī) 控制系統(tǒng) 控制策略
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM343
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 緒論11-26
• 1.1 汽車動力結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)11-13
• 1.2 混合動力汽車發(fā)展現(xiàn)狀13-22
• 1.3 電無級變速器混合動力系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀22-24
• 1.4 無刷電無級變速器混合動力系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀24
• 1.5 本課題研究任務(wù)24
• 1.6 章節(jié)安排24-26
• 2 電無級變速器混合動力系統(tǒng)原理26-43
• 2.1 電無級變速器結(jié)構(gòu)及工作原理26-29
• 2.2 電無級變速器運(yùn)行工況及功率流向29-30
• 2.3 雙機(jī)械端口電機(jī)建模30-35
• 2.4 雙機(jī)械端口電機(jī)等效電路35-42
• 2.5 本章小結(jié)42-43
• 3 電無級變速器混合動力系統(tǒng)控制43-77
• 3.1 雙機(jī)械端口電機(jī)控制策略43-45
• 3.2 基于電無級變速器的混合動力汽車總成控制策略45-48
• 3.3 雙機(jī)械端口電機(jī)弱磁控制48-51
• 3.4 雙機(jī)械端口電機(jī)控制器硬件設(shè)計51-58
• 3.5 雙機(jī)械端口電機(jī)控制器軟件設(shè)計58-62
• 3.6 電無級變速器系統(tǒng)仿真、實(shí)驗(yàn)與結(jié)論62-76
• 3.7 本章小結(jié)76-77
• 4 無刷電無級變速器混合動力系統(tǒng)原理77-94
• 4.1 無刷電無級變速器結(jié)構(gòu)及工作原理77-83
• 4.2 無刷電無級變速器運(yùn)行工況及功率流向83-87
• 4.3 無刷雙機(jī)械端口電機(jī)建模87-90
• 4.4 無刷雙機(jī)械端口電機(jī)等效電路90-93
• 4.5 本章小結(jié)93-94
• 5 無刷電無級變速器混合動力系統(tǒng)控制94-139
• 5.1 無刷雙機(jī)械端口電機(jī)控制策略94-99
• 5.2 基于無刷電無級變速器的混合動力汽車總成控制策略99-101
• 5.3 異步電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍最大轉(zhuǎn)矩輸出控制策略101-109
• 5.4 無刷雙機(jī)械端口電機(jī)控制器硬件設(shè)計109-118
• 5.5 無刷雙機(jī)械端口電機(jī)控制器軟件設(shè)計118-123
• 5.6 無刷電無級變速器系統(tǒng)仿真、實(shí)驗(yàn)與結(jié)論123-137
• 5.7 本章小結(jié)137-139
• 6 全文總結(jié)139-143
• 6.1 本文創(chuàng)新點(diǎn)及主要成就139-141
• 6.2 后續(xù)工作與關(guān)鍵性問題141-143
• 致謝143-145
• 參考文獻(xiàn)145-155
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文及申請專利155-156

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