纯电动汽车驱动与制动能量回收控制策略研究

【摘要】：纯电动汽车具有高效、低噪声、零排放等显著优点,在环保和节能方面具有不可比拟的优势,其应用和普及已成为汽车工业可持续发展的必然趋势。迄今为止,续驶里程不足仍然是制约纯电动汽车商业化的瓶颈。为实现有限能量源的充分利用,提高驱动系统效率及再生制动能量回收是目前亟待解决的问题。在此背景下,本文以陕西省重点科技攻关计划项目为依托,在高效电驱动系统、再生制动能量回收、双能量源存储系统和优化控制策略等方面,通过理论推导、仿真与实验获得纯电动汽车的研制依据和实验数据,为高性能纯电动汽车的研究与开发提供理论基础和工程经验。论文的研究工作及主要创新点包括： 1.在分析电动汽车动力学和电机模型的基础上,建立了永磁直流电机拖动汽车的动力学数学模型,该模型更好地反映了电动汽车运动受风阻影响这一特殊性。考虑到电机通用数学模型的普适性,决定采用其主要参数和环节,并辅之相应的非线性环节构建电机拖动汽车的动态结构图。同时,推导出转动惯量和机电时间常数的计算公式,使各参数的物理意义更加明确,实现了机(汽车)电(电机)系统的有机结合。 2.系统分析了纯电动汽车驱动与再生制动能量回收的控制策略,针对蓄电池单能量源纯电动汽车,以车速为控制目标,研究了电动运行状态的各种控制方案,详细分析了系统的构成、稳态结构和动态响应,比较了各自的优缺点和适用范围。为了充分利用再生制动的功能,分析了纯电动汽车再生制动的工作原理,研究了能量回收的控制策略,利用Matlab仿真验证了理论研究的正确性。 3.以城市公交中巴客车作为纯电动汽车的改装对象,简要介绍了纯电动试验样车的基本结构、完成了控制系统配套所需电气控制线路的设计。在此基础上,提出了控制器系统的总体设计方案,完成了器件选型、硬件电路设计、软件程序设计等工作,同时制作了控制器电路板、触发保护线路和二象限PWM功率变换装置。为了便于调试和重要参数显示,完成了智能仪表盘的软硬件设计。在实验室完成了系统功能测试。 4.根据超级电容加双向DC/DC变换器与蓄电池并联的结构,设计了双能量源系统的主回路电路结构,并对其工作状态进行了详细分析,以满足纯电动汽车对比能量和比功率的双重要求。在此基础上,根据整车的性能要求和配置情况,分别从能量和功率角度对双能量源系统的蓄电池、超级电容单体串联数目及各节容量进行了理论计算和匹配设计。利用扩展的ADVISOR仿真软件对双能量源的匹配参数进行了仿真优化及结果校验,可以满足纯电动汽车对双能量源系统的要求。 5.根据纯电动汽车的不同工作状态,设计了双向DC/DC变换器的模糊自调整控制策略。在电动运行状态下以“稳压”为目标,实现超级电容和蓄电池的输出电压相匹配；在制动运行状态下以“稳流”为目标,实现对超级电容和蓄电池的恒流充电。建立了电动状态电压控制和制动状态电流控制的Matlab仿真模型,验证了模糊自调整控制策略的正确性和有效性。 6.针对双能量源纯电动汽车的制动力分配和能量管理控制问题,提出了双能量源制动力分配和能量管理的模糊控制策略,并从整车经济性、动力性、能量源效率和制动能量回收四个角度对所制定的双能量源模糊控制效果进行了仿真验证。仿真结果表明,模糊控制策略可以合理分配蓄电池和超级电容的输出功率,综合发挥双能量源特长,提高整车的动力性和经济性。 7.对ADVISOR2002仿真软件进行了二次开发,获得了界面友好且适合双能量源纯电动汽车仿真的专用平台,克服了用ADVISOR软件不能对双能量源纯电动汽车进行性能仿真的缺点。结合典型循环工况,对双能量源纯电动汽车及其控制策略进行了性能仿真,仿真结果表明双能量源纯电动的经济性和动力性都得到了提高。 【关键词】：纯电动汽车 电驱动系统 超级电容 双能量源系统 模糊控制 能量管理系统 再生制动
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 选题背景12
• 1.2 研究的目的及意义12-13
• 1.3 国内外电动汽车发展概述13-18
• 1.3.1 电动汽车的分类与特性分析13-14
• 1.3.2 国外纯电动汽车发展概述14-16
• 1.3.3 国内纯电动汽车发展概述16-18
• 1.4 纯电动汽车电驱动与制动能量回收控制技术的研究现状18-21
• 1.5 本文的研究内容及章节安排21-22
• 1.6 本章小结22-23
• 第2章 蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究23-55
• 2.1 电动汽车动力学建模23-24
• 2.2 电动汽车驱动电机数学模型24-28
• 2.2.1 永磁直流电机模型24-25
• 2.2.2 永磁直流电机驱动电动汽车的数学模型25-28
• 2.3 二象限DC/DC变换器数学模型28-32
• 2.3.1 二象限DC/DC变换器工作原理分析28-32
• 2.3.2 二象限DC/DC变换器的数学模型32
• 2.4 脉宽调速系统的开环车速特性32-34
• 2.5 电动汽车驱动系统要求及相关参数34-36
• 2.5.1 电动汽车对驱动系统的要求34
• 2.5.2 主要部件的参数34-36
• 2.6 电动汽车驱动控制系统研究36-46
• 2.6.1 车速开环控制系统36-37
• 2.6.2 电流单闭环车速控制系统37-39
• 2.6.3 车速-电流双闭环控制系统39-46
• 2.7 电动汽车再生制动控制策略及仿真研究46-54
• 2.7.1 电动汽车再生制动的数学模型46-47
• 2.7.2 电动汽车再生制动控制策略研究47-50
• 2.7.3 电动汽车再生制动仿真及分析50-54
• 2.8 本章小结54-55
• 第3章 单能量源纯电动试验车控制系统的设计55-89
• 3.1 纯电动试验车系统的基本结构55
• 3.2 电气控制线路设计55-56
• 3.3 控制器系统设计56-75
• 3.3.1 控制器总体方案设计56-58
• 3.3.2 硬件电路设计58-66
• 3.3.3 软件设计66-75
• 3.4 智能仪表盘设计75-85
• 3.4.1 硬件设计75-79
• 3.4.2 软件设计79-85
• 3.5 系统测试与实验85-88
• 3.6 本章小结88-89
• 第4章 蓄电池-超级电容双能量源系统设计与参数匹配89-107
• 4.1 电动汽车双能量源系统的研究现状89-91
• 4.2 电动汽车双能量源匹配结构的分析与选择91-94
• 4.2.1 双能量源并联匹配结构的分析92
• 4.2.2 双能量源匹配结构的选择92-94
• 4.3 电动汽车双能量源存储系统的主回路设计94-98
• 4.3.1 双能量源系统主回路设计94-95
• 4.3.2 双能量源系统的主回路工作原理分析95-98
• 4.4 双能量源系统的参数匹配98-103
• 4.4.1 双能量源系统的理论计算98-102
• 4.4.2 基于理论计算的双能量源参数匹配102-103
• 4.5 基于ADVISOR的双能量源系统的匹配优化与校验103-106
• 4.5.1 ADVISOR纯电动车单能量源参数匹配算法简述104
• 4.5.2 针对双能量源的ADVISOR仿真匹配算法104-106
• 4.5.3 匹配优化结果及分析106
• 4.6 本章小结106-107
• 第5章 纯电动汽车双能量源系统的控制策略107-132
• 5.1 模糊控制的理论基础107-109
• 5.2 双向DC/DC变换器的模糊自调整控制109-117
• 5.2.1 双向DC/DC变换器数学模型109-112
• 5.2.2 双向DC/DC变换器控制策略分析112-114
• 5.2.3 双向DC/DC变换器的模糊自调整控制器设计114-116
• 5.2.4 仿真结果及分析116-117
• 5.3 双能量源电动汽车制动力分配的模糊控制117-124
• 5.3.1 电动汽车制动力分配的模糊控制器设计117-122
• 5.3.2 仿真结果及分析122-124
• 5.4 双能量源电动汽车能量管理的模糊控制策略124-130
• 5.4.1 双能量源电动汽车能量管理建模124
• 5.4.2 双能量源电动汽车能量管理的模糊控制分析124-126
• 5.4.3 双能量源电动汽车能量管理的模糊优化控制器设计126-127
• 5.4.4 仿真结果分析127-129
• 5.4.5 模糊控制策略的改进129-130
• 5.5 本章小结130-132
• 第6章 基于ADVISOR二次开发的双能量源纯电动汽车仿真132-152
• 6.1 国外汽车仿真软件概述132-133
• 6.2 汽车仿真软件ADVISOR133-136
• 6.2.1 ADVISOR混合仿真方法133-135
• 6.2.2 ADVISOR的组成与运行过程135-136
• 6.3 面向双能量源纯电动汽车的ADVISOR二次开发136-145
• 6.4 双能量源纯电动汽车仿真结果及分析145-150
• 6.4.1 蓄电池单能量源与双能量源纯电动汽车的仿真结果及分析145-149
• 6.4.2 双能量源逻辑门限与模糊控制策略的仿真结果及分析149-150
• 6.5 本章小结150-152
• 第7章 总结与展望152-154
• 7.1 全文总结152-153
• 7.2 研究展望153-154
• 参考文献154-162
• 攻读博士学位期间完成的主要论文及著作162-163
• 攻读博士学位期间主持和参加的科研项目163-164
• 致谢164

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