纯电动汽车驱动系统回馈制动技术的研究与实现

【摘要】：纯电动汽车可以实现零排放,从而保护环境,符合社会的可持发展战略。我国是能源紧缺国家之一,采用纯电动汽车可以减轻对石油等能源的依赖性。纯电动汽车的回馈制动将汽车行驶中的惯性能量通过电机回馈至电池,实现制动时能量的再生利用,从而提高能量的利用率,延长汽车的续驶能力。基于此,本课题主要针对电动汽车回馈制动控制策略和回馈制动控制实现方法进行研究,并设计了基于FPGA的,集驱动控制与回馈制动控制于一体的永磁同步电机控制器。 本文首先建立了电动汽车制动动力学模型,由此得出回馈制动的工况条件和约束条件;并在此基础之上,提出了三种整车回馈制动控制策略。针对驱动核心——永磁同步电动机,分别从电机模型、控制算法等方面进行详细阐述。其次,完成了电动汽车回馈制动控制硬件电路设计。提出了功率电路结构、功率驱动电路、直流侧电压和电流检测电路、交流侧电流检测电路、控制系统电源设计和保护电路等的设计方案,为实现电动汽车驱动回馈控制器奠定硬件基础。 再次,以FPGA为核心,设计了电动汽车回馈制动控制的实现方案。基于模块化的设计方法,研发了永磁同步电动机驱动控制模块和回馈制动控制模块,实现了以矢量控制为基础的永磁同步电动机控制器。 最后,基于电动汽车回馈制动实现的实验平台,完成了不同工况和不同条件下的回馈制动实验。实验结果充分验证了所研制的电动汽车回馈制动控制器的可行性和可靠性。 【关键词】：纯电动汽车 回馈制动 永磁同步电动机 FPGA
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 课题背景9-13
• 1.1.1 纯电动汽车的发展概述9-10
• 1.1.2 纯电动汽车驱动系统的关键技术10-12
• 1.1.3 电动汽车回馈制动的发展现状12-13
• 1.2 纯电动汽车用驱动电动机选择13-15
• 1.3 纯电动汽车主控制单元选择15-19
• 1.3.1 FPGA的工作原理及芯片结构16-17
• 1.3.2 FPGA在纯电动汽车应用的优势17-19
• 1.4 课题主要研究内容19-21
• 第2章 电动汽车动力学及其驱动电动机模型研究21-37
• 2.1 引言21
• 2.2 电动汽车制动动力学模型分析21-27
• 2.2.1 电动汽车行驶阻力21-23
• 2.2.2 电动汽车回馈制动的工况条件23-24
• 2.2.3 电动汽车回馈制动的约束条件24-27
• 2.3 永磁同步电动机数学模型分析27-35
• 2.3.1 永磁同步电动机结构和物理模型27-28
• 2.3.2 A、B、C三相坐标系中数学模型28-29
• 2.3.3 α、β、o坐标系中数学模型29-31
• 2.3.4 d、q、o坐标系中数学模型31-32
• 2.3.5 永磁同步电动机的四象限运行32-33
• 2.3.6 电压极限圆和电流极限圆33-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 电动汽车回馈制动控制策略研究37-61
• 3.1 引言37
• 3.2 整车回馈制动控制策略研究37-47
• 3.2.1 电动汽车回馈制动中的闭环系统37-38
• 3.2.2 回馈制动制动力安全分配曲线38-41
• 3.2.3 并行混合回馈制动策略41-42
• 3.2.4 最优制动效能回馈制动策略42-43
• 3.2.5 最优能量回收回馈制动策略43-44
• 3.2.6 整车回馈制动控制策略仿真分析44-47
• 3.3 永磁同步电机的回馈制动控制策略研究47-60
• 3.3.1 永磁同步电动机的矢量控制47-48
• 3.3.2 定子电流的最优控制48-50
• 3.3.3 空间矢量脉宽调制与正弦脉宽调制50-55
• 3.3.4 回馈制动的换流控制55-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第4章 电动汽车回馈制动控制系统硬件设计61-77
• 4.1 引言61
• 4.2 控制系统的硬件总体设计61-62
• 4.3 功率电路设计62-68
• 4.3.1 功率电路结构62-64
• 4.3.2 MOSFET功率损耗计算64-65
• 4.3.3 MOSFET驱动电路65-66
• 4.3.4 MOSFET缓冲电路66-68
• 4.4 功率信号检测与调理电路设计68-72
• 4.4.1 交流侧电流检测电路68-70
• 4.4.2 直流侧电压检测电路70-71
• 4.4.3 直流侧电流检测电路71-72
• 4.5 系统电源电路设计72-73
• 4.6 保护电路设计73-75
• 4.6.1 交、直流侧过流保护电路73-74
• 4.6.2 过压和欠压保护电路74-75
• 4.7 本章小结75-77
• 第5章 电动汽车回馈制动控制算法设计与实现77-95
• 5.1 引言77
• 5.2 控制系统的FPGA总体设计77-78
• 5.3 PWM输出模块设计78-79
• 5.4 并行数字调节器模块设计79-82
• 5.5 PMSM位置检测和转子速度计算模块82-86
• 5.5.1 倍频模块设计84-85
• 5.5.2 鉴相设计85
• 5.5.3 前端滤波设计85-86
• 5.5.4 后端滤波模块设计86
• 5.6 AD转换设计及电流和电压反馈设计86-89
• 5.6.1 AD芯片控制86-88
• 5.6.2 电流电压反馈模块88-89
• 5.7 SVPWM模块设计89-92
• 5.8 制动力分配模块设计92-94
• 5.9 保护控制模块94
• 5.10 本章小结94-95
• 第6章 回馈制动控制系统实验与分析95-115
• 6.1 引言95
• 6.2 电动汽车回馈制动实验平台设计95-99
• 6.2.1 电动汽车回馈制动实验平台设计方案95-97
• 6.2.2 实验内容和实验步骤97-99
• 6.3 系统驱动控制实验99-101
• 6.4 系统回馈制动控制实验101-109
• 6.4.1 系统四象限运行实验101-102
• 6.4.2 下坡时回馈制动控制实验102-105
• 6.4.3 停车时回馈制动控制实验105-109
• 6.5 能量消耗与能量回收测试实验109-113
• 6.5.1 无回馈制动控制的能量消耗实验109-110
• 6.5.2 下坡过程中回馈制动能量回收实验110-111
• 6.5.3 减速过程中回馈制动能量回收实验111-112
• 6.5.4 无回馈制动控制的能量消耗实验112-113
• 6.6 本章小结113-115
• 结论115-117
• 参考文献117-121
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文121-123
• 致谢123

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