（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车控制策略研究.pdf

a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n d u s t r yi so n eo ft h el a r g e s ta n dt h em o s ti m p o r t a n ti n d u s t r ya l lt h e w o r l d , a n di t i s a l s ot h em a i ns u p p o r ti n d u s t r yi na l m o s te v e r yd e v e l o p e dc o u n t r y b e c a u s em o t o ri st h ec o r eo ft h ee l e c t r i cv e h i c l ep o w e rs y s t e m , n a t u r a l l yt h em o t o r s c o n t r o lt e c h n o l o g yi st h ec o r et e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fe l e c t r i cv e h i c l e a c c o r d i n gt o t h et r a i t so fe l e c t r i cv e h i c l ei nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fap r a c t i c a lp r o j e c to ft i a n j i n e vc o 。w ed e v e l o p e da ne l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o l l e ra c e v c 7 2 - 6f o ran i n ek i l o w a t t s a s y n c h r o n o u sm a c h i n e i nt e r m so fh i g he f f i c i e n c ys o m e w o r k sa b o u td y n a m i ct o r q u e a n df i e l dw e a k e n i n gw e r e d o n eb ys i m u l a t i o n s ，a n dt h e r ea r es o m ee m p h a s e so nq u i c k t o r q u er e s p o n d ，e c o n o m i z i n go ne n e r g ya n d m a x i m u mt o r q u ei nt h ef i e l dw e a k e n i n g a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nt r a i t so fe l e c t r i cv e h i c l ed r i v ec o n t r o ls t r a t e g ya n d r e g e n e r a t i v eb r a k es t r a t e g yw e r es t u d i e d i nt h er a n g eo fw h o l es p e e d o nt h eb a s i so f a n a l y z i n g s o r t so fa s y n c h r o n o u sm a c h i n e sc o n t r o ls t r a t e g y , t h eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g y m a d ei st o r q u ec l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 m a t h e m a t i cm o d e lo no p t i m i z i n gc o n t r o ls t r a t e g y i nm e d i u ms p e e dw a sp u tf o r w a r do nt h eb a s i so fl o s sm o d e l ，a n dt h i ss t r a t e g yw a s c o m p l e t e db yc o n t r o l l i n ge x c i t a t i o n o na c c o u n to fe l e c t r i cv e h i c l e so w nt r a i t sa n d r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，c o m b i n i n gw i t hv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ( v s c ) t h e o r ya n d v a r i a b l ef r e q u e n c yv e c t o rc o n t r o lt h e o r y , an o v e lv s cm o d e lw i t ht h r e ei n d e p e n d e n t c o n t r o la l g o r i t h m sw a sp u tf o r w a r df u r t h e r v a r i a b l ef r e q u e n c yv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y o fc o n s t a n tf l u xg u a r a n t e e st h eq u i c k l yd y n a m i ct o r q u ei nl o ws p e e d 1 1 1 ee f f i c i e n c y o p t i m i z a t i o nv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo fv a r i a b l ef l u xi n c r e a s e st h er t m n i n g d i s t a n c eo f e l e c t r i cv e h i c l ei nm e d i u ms p e e d m a x i m u mt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yo fv a r i a b l ef l u x e f f e c t i v e l yp r o m o t e st h ea c c e l e r a t i o nt r a i t si nh i g hs p e e d b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e l yd e e pr e s e a r c ho nt h ea ci n d u c t i o nm a c h i n e m a t h e m a t i cm o d e l ，an o v e ls p e e da n dc u r r e n tr e g u l a t o r ，t h ea c t i v ed i s t u r b a n c e r e j e c t i o nc o n t r o l l e r ( a d r c ) ，i sp r o p o s e dt oa c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c ea ci n d u c t i o n m a c h i n ed r i v e ，w h i c hh a sg r e a ta b i l i t yo fa d a p t a t i o na n db e t t e rp e r f o r m a n c ea g a i n s t d i s t u r b a n c e w h a t sm o r e s p e e de s t i m a t ew a sc o m p l e t e df r o mt l l ec u r r e n tr e g u l a t o ra s a b o v e t h ea c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o ns t r a t e g yi si n d e p e n d e n c eo fp l a n tm o d e l s a d r ci sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s ，t r a c k i n gd i f f e r e n t i a t o r , e x t e n d e ds t a t eo b s e r v e ra n d n o n l i n e a rs t a t ee r r o rf e e d b a c kc o n t r o ll a w b yu s i n gt h ee x t e n d e ds t a t eo b s e r v e r , t h e a cs y s t e mh a ss t r o n g e rr o b u s t n e s s ，w h i c hc a l lo v e r c o m en o n l i n e a r i t ya n dc o u p l i n go f t h ep a r a m e t e r so fa ci n d u c t i o nm a c h i n e a l s o ，i tc a ns u r m o u n tp a r a m e t e r se x c l l r s l o l l c a u s e db yt e m p e r a t u r ec h a n g e d u et ot h em o d e lo fd c d cc h o p p e ri nt w oq u a d r a n t s ，s o m er e s e a r c h e so f r e g e n e r a t i v eb r a k ew e r ed o n ei n t h i sp a p e r , a n dt h em i c r o c o s m i cc o a r s eo fp w m c i r c u i tw a sa n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，an o v e lr e g e n e r a t i v eb r a k ec o n t r o ls t r a t e g y a d a p t a b l et oe l e c t r i cv e h i c l ew a sp u tf o r w a r d - - c o n s t a n tf e e d b a c kc u r r e n tc o n t r 0 1 t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n s t a n tf e e d b a c kc u r r e n tc o n t r o la n dc o n t r o le q u a t i o n so f o v e r c o m i n gr e g e n e r a t i v eb r a k e sd e a dz o n ew e r ec a l c u l a t e d t h er e l a t i o n so f f e e d b a c k e f f i c i e n c yo fb r a k ep o w e r , b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c eo fm o t o ra n df e e d b a c kc u r r e n t w a ss t u d i e d f i n a l l y , s o r t so f c o n t r o ls t r a t e g i e sa n d r e g e n e r a t i v eb r a k es t r a t e g yw e r es i m u l a t e d b ym a t l a ba n dg o ts o m eg o o dc o n c l u s i o n s a tt h es a m et i m es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e da n ds t u d i e d , t h ec o n t r o ls t r a t i g i e sa b o v ew a s p r o v e df e a s i b l ef u r t h e r k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，l o s sm o d e l ，v a r i a b l ef r e q u e n c y , d cc h o p p e r , r e g e n e r m i v eb r a k e ，a d r c ，e x t e n d e ds t a t eo b s e r v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁叠盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：易f 7 橛勃签字日期：伽叼年岁月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学乎论文作者签名：易1 7 和 签字日期：钐册 年r 月即日 导师签名：坼弘砷 导师签名： f 乏矽 签字日期妒7 年厂月哆口日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 本课题以电动汽车的工程研制项目为背景，以开发高可靠性、高效率、高指 标的电动车辆驱动系统以及研究相应优化控制策略为目的。 当前，电动汽车研究的热点为：高性能电池系统的开发，高性能驱动系统的 开发，整车优化和集成控制系统的开发。本课题着眼于高性能系统的开发，以实 际的工程项目为基础，通过分析比较，仿真实验验证，以获得电动汽车研制的实 际经验和理论数据，验证采取的技术策略，为进一步研制发展电动车辆打下基础。 1 1 i 电动汽车的发展背景 随着经济的发展，汽车已经成为人类生活中必不可少的工具之一，汽车工业 己经成为现代经济的支柱产业。随着全球汽车产量和保有量的不断增长，使用内 燃机作为驱动动力的汽车带来了严重的环境污染和越来越紧迫的全球石油资源 危机等问题，这也致使世界各国不得不寻求排放低、使用新能源的新型交通工具。 电动汽车污染小、噪音小、节约能源，结构、控制和维护简单，较之燃油汽车有 其突出的优点i u ； a ) 燃油汽车排放的废气是主要的空气污染源( 约占4 2 ) 【2 】【3 】，而电动汽车不 产生废气，且不需要冷却剂、机油等会造成污染的物质。且电动汽车充电可 以采用集中式充电方式，容易控制污染源。 b ) 在拥挤的城市街道，必须不断的停车和启动，对燃油汽车来说，这意味着大 量的能源浪费并且加剧了对空气的污染。面电动车在停车时，不需让电机空 转，减速时车辆的动能还可以通过电动机的发电状态回馈为电能，储存于蓄 电池之中。 c ) 燃油汽车噪声大，而电动汽车运行中较为安静和平稳。 d ) 电动汽车的结构相对于燃油汽车要简单，除定期更换蓄电池外，基本上无须 日常保养。此外，电动车的使用寿命也比普通燃油汽车长。 e ) 全球性的能源( 石油) 危机，使燃油汽车的燃料费用日趋昂贵。虽然目前电 动汽车价格高于燃油汽车，但电动汽车运行成本低，从今后的发展和普及推 广考虑，其价格将会逐步降低。 目前由于蓄电池、逆变器等关键部件的价格偏高致使电动汽车价格高于燃油 天津大学博士学位论文电动汽车控制策略研究 汽车，但是电动汽车运行成本低，从今后的长远发展考虑，其价格将会逐步的降 低。因此电动汽车必然成为运输车辆更新换代的方向，电动汽车的推广使用也是 当代车辆运输的又一重大改革一】。 电动汽车作为一种交通工具，最早出现在1 8 7 3 年的欧洲【5j ，这比内燃机汽 车早了十几年。到二十世纪初在欧洲普及，与蒸汽动力车、内燃机汽车平分秋色。 直到二十世纪二十年代初，随着内燃机技术的进步，使燃油汽车的综合性能大为 提高。与此同时，由于蓄电池技术发展缓慢，制约了电动汽车的发展。此消彼长， 电动汽车渐渐退出竞争市场，仅在码头、机场、车站、仓库、工厂等特殊场合使 用。到二十世纪六十年代，电动汽车的保有量只占世界汽车总量的0 3 【6 1 。 1 1 2 电动汽车的现状 1 1 2 1 电动汽车的分类及特性分析【刀 目前，蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车处于不同的 发展阶段，面临着不同的挑战，需要采取不同的对策。从表1 1 可以看出，蓄电 池电动汽车的关键问题在于蓄电池及其管理系统捧j 。因此，蓄电池电动汽车主要 适用于短程、低速的社区间，因而使用较小容量的蓄电池即可满足使用要求。混 合动力电动汽车可满足使用者的要求，并且有附加值，但其成本是主要问题。燃 料电池电动汽车f 9 】具有作为未来主流汽车的潜力，但其技术尚处于研发阶段，它 的成本太高和氢氧燃料系统供应是主要问题。纯电动汽车和混合动力电动汽车在 军事上也有独特的优点，进入战区时以纯电动汽车方式运行，隐蔽性强，因为宁 静、不发热，敌人不能用红外热探测器搜索，而且动力性强，可设计成四轮驱动 越野车。 表1 1 蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的特征 2 第一章绪论 1 1 2 2 国外电动汽车的发展【1 0 1 1 1 】【1 习 世界上各发达国家都制定了相应的发展电动汽车和动力电池的计划，研制和 开发电动汽车已经成为一种世界新潮流，美国、法国、日本、德国、英国、意大 利、瑞士等国已率先跨入电动汽车产业化、商品化的行列。 美国的电动汽车生产、销售起步较早，通用汽车公司1 9 9 0 年至1 9 9 4 年共生 产了5 0 辆“冲击一牌电动汽车，这是美国第一批商品化的产品，它的生产被认 为是美国电动汽车发展史上的一个里程碑。通用汽车公司1 9 9 6 年开始生产 e v i 型电动汽车，年产2 0 0 0 至3 0 0 0 辆，2 0 0 1 年推出串联型混合动力汽车和 混合动力跑车。福特公司也开发出f o r d p 2 0 0 0 型5 座并联混合动力汽车。克莱斯 勒公司于2 0 0 3 年将e s x 2 并联型混合动力汽车投放市场。到2 0 0 3 年底美国电动 汽车保有量为3 万多辆，美国能源部仅在1 9 9 1 年到1 9 9 5 年投资2 6 2 亿美元用 于电动汽车中电池的开发，主要支持删一n i ，n - - s ，锂一金属硫化物、锂聚合物 和锂离子等5 种电池，在1 9 9 6 年到2 0 0 0 年主要支持删一n i ，锂聚合物和锂离子 电池，2 0 0 0 年后主要支持锂离子电池和燃料电池。 英国是多年来唯一坚持大量使用电动汽车的国家，目前全国约有电动汽车 1 2 0 万辆。同时，批量生产电动汽车。 日本实施“月光计划”，日本电动汽车协会制定了2 0 0 3 年普及计划，也制定 电动汽车的目标要求，一次充电行驶距离2 5 0 k i n ，最大速度1 2 0 k m h ，电池寿命 4 年，价格为燃油汽车的1 2 倍。到2 0 0 3 年底日本的电动汽车达到2 0 万辆。日 本丰田和本田汽车公司于1 9 9 7 年和1 9 9 9 年分别上市了p r i u s 和i n s i g h t 混合动 力汽车，仅丰田公司开发的混合动力轿车“先驱者 已经销售了1 0 万辆，其中 有7 万辆在日本。 德国投资5 亿马克开发电动汽车和电池，其中n a - s 电池研究居领先地位。 德国有2 0 辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。奥迪公司生产的混合 动力电动汽车d u o 已开始出租，并增加到约4 0 0 辆。 此外，加拿大、意大利、丹麦、奥地利、芬兰、瑞典、荷兰、捷克、匈牙利、 挪威、以色列、墨西哥、澳大利亚、印度、马来西亚等国都在研制、开发电动汽 车。 1 1 2 3 我国电动汽车的发展【1 3 】f 1 4 1 1 5 】 与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也门在如火如荼的进行着。 “十五”期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业的竞争 力、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，设立“电动汽车重大科技 专项，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、 科研院所等方面的力量进行联合攻关。为此，从2 0 0 1 年1 0 月起，国家共计拨款 天津大学博士学位论文 电动汽车控制策略研究 8 8 亿元作为这一重大科技专项的经费。 我国电动汽车重大科技专项实施4 年来，经过2 0 0 多家企业、高校和科研院 所的2 0 0 0 多名技术骨干的努力，目前己经取得重要进展：燃料电池汽车己经成 功开发出性能样车，燃料电池轿车累计运行4 0 0 0 公里，燃料电池客车累计运行 80 0 0 公里；混合动力客车己在武汉等地公交线路上试验运行超过1 4 万公里； 纯电动轿车和纯电动客车均通过国家有关认证试验。 a ) 燃料电池汽车【1 6 j 均采用电一电混合驱动方案，在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料 利用率等方面均取得较大提高。2 0 0 4 年5 月在北京召开的世界氢能大会上，我 国自主研发的燃料电池轿车和客车样车与世界领先的奔驰公司样车同堂展示，引 起了世界的惊赞。在1 0 月举行的必比登世界清洁汽车挑战赛上，我国自主研发 的燃料电池轿车在7 个单项奖中获得5 个a ( 在高速蛇行障碍赛、噪音、排放、 能耗、温室气体减排5 个单项指标方面的最高等级) 的好成绩，燃料电池城市客 车也以较高的技术性能和可靠性在挑战赛中取得了良好的成绩。 b ) 混合动力汽车【1 1 8 】【1 9 】【2 0 】 一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司对此都投入了较大的人力、物力。各车 型均完成功能样车开发。2 0 0 3 年1 1 月8 日，湖北省启动武汉电动汽车试验示范 运行工作，先后投入6 辆由东风电动车辆股份有限公司研制的混合动力客车，己 累计运行1 4 万公里，载客1 5 万人次；混合动力轿车按e c e 城市工况与基本车型 进行的对比试验显示，其燃料经济性提高4 0 左右，达到了节油的目的。长安汽 车公司采用同轴i s g 轻度混合方案，成功开发了第二轮功能样车和第三轮性能样 车，并在国内率先开展了混合动力专用发动机开发。经过国家检测机构测试，动 力性能接近参考车的水平，综合油耗降低接近1 7 ，排放达到欧i i i 标准。 c ) 纯电动汽车 目前纯电动轿车和纯电动客车均己通过国家质检中心的行驶认证试验，各项 指标均满足有关国家标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司等单位 研发的纯电动轿车，其整车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标己超过法 国雪铁龙公司赠送的纯电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。 北京理工大学等单位初步完成了北京理工科凌电动车辆股份有限公司密云电动 车辆产业化生产基地的建设，并于2 0 0 3 年1 2 月3 0 日顺利通过北京市公共交通 总公司组织的示范运行车组验收。小批量研发生产的4 种车型、近4 0 辆公交车 即将投入北京市奥运电动示范车队的示范运行。 1 1 2 4 能耗经济性评价指标【2 1 】 车辆能耗经济性评价常用的指标都是以一定的车速或者循环行驶工况卫基 础，以车辆行驶一定里程的能量消耗量或一定能量使车辆可行驶的里程衡量。为 4 第一章绪论 了使电动汽车能耗经济性评价指标具有普遍性，其评价指标应该满足以下3 个条 件：可以对不同类型的电动汽车经济性进行比较；指标参数数值与整车存储能量 总量无关；可以直接从参数指标进行能耗经济性判断【2 2 】。下面简单介绍常用评 价参数。 a ) 续驶里程，续驶里程是纯电动汽车电池组充满电后可连续行驶的里程， 可以分为等速续驶里程和循环工况续驶里程。此项指标对于综合评价电动汽车 电池组、电机及传动效率、电动汽车实用性具有积极意义【2 引。但此指标与电动 汽车电池组装车容量及电压水平有关，在不同车型和装配不同容量电池组的同 种车型间不具有可比性。即使装配相同容量同种电池的同一车型，续驶里程也 受到电池组状态、天气、环境因素等使用条件影响而有一定的波动。 b ) 单位里程容量消耗，以电池组作为唯一动力源的纯电动汽车定义车辆等 速或按工况行驶单位里程消耗的电池组容量为单位里程容量消耗，单位为 ( a h ) k m 。电池组在不同的放电深度，端电压有明显的变化；在相同的放电功 率下电池组放电电流有响应的变化。所以单位里程容耗作为经济性的评价参数 在不同的电池组使用条件下存在一定的误差，在不同车型问不具有可比性，仅 适用于电压等级相同，车型相似情况下能耗经济性能的比较或同一车型能耗水 平随电池组寿命变化里程分析。 c ) 单位里程能量消耗，单位里程能量消耗又可以分为单位里程电网交流电 量消耗和电池组直流电量消耗，单位为( k w h ) k m 。其中交流电量消耗受到不 同类型充电设备的效率影响。直流电量消耗仅以车载电池组的能量状态作为标 准，脱离了充电机的影响，可以比较直接地反映电动汽车的实际性能。 d ) 单位容量和单位能量消耗行驶里程，这两种电动汽车能耗经济性的评价 指标分别是单位里程容量消耗和单位里程能量消耗的倒数。单位分别为 k m ( a h ) ，k m ( k w h ) 。 e ) 等速能耗经济特性曲线，通常以测出速度间隔为5 k m h 或l o k m h 的等速 行驶能耗量为标准，在速度一能耗曲线图上连成曲线，称为等速能耗经济特性曲 线，但这种评价方法不能反映汽车实际行驶中受工况变化的影响，特别是市区 行驶中频繁出现的加速、减速、怠速及停车等行驶工况。 1 1 2 5 蓄电池电动汽车的整体研究现状【2 4 】 2 1 世纪，发达国家各政府在能源短缺加剧和环境进一步恶化的严峻事实面 前，更加重视电动汽车这一最有希望的解决方案。采取更加有效的措施推动电动 汽车的商用化进程，投入更多的人力、物力到更加先进的电动汽车的研究开发当 中去。在上个世纪的后几十年中，发达国家依靠政府的支持及广大科研工作者的 不懈努力在电动汽车研究开发方面己经取得了重大突破，有数十种不同结构和类 型的电动汽车走出实验室正在在公路上试用。 5 天津大学博士学位论文 电动汽车控制策略研究 表1 2 中，i m 表示感应电机；p m 表示永磁同步电机；d c 表示直流电机。 从表1 2 中，我们大致可以看出电动汽车最新的技术及其发展趋势，目前我国电 动汽车研究开发尚已逐渐走出起步阶段，但是产品化的公路用电动汽车基本上尚 属空白。随着城市居民对高档电器和住宅的逐渐满足，人们将把新的消费热点向 汽车集中。我国人口众多，如果只是依靠传统燃油汽车，可以想象，我们将面临 巨大的能源短缺和环保压力。因此，从我国国情，结合世界轿车工业的发展趋势 以及对生态环境保护的要求来看，发展电动汽车势在必行。 表1 2 几种最新电动汽车的技术比较【2 5 1 电机【2 6 】电池 最高车速 加速性能续航行程 公司车型类功率电压 种类 ( k m h ) ( k m h s )( k m ) 型( k w )( v ) 通用 e 、，- 1i ml o o 铅酸 1 2 81 2 80 , - - 9 6 91 4 4 r a n g e r 福特 i m 6 7铅酸3 1 21 2 0o 8 0 l2 59 2 e v 克莱斯勒e p i ci m7 3 5铅酸1 2 8o 9 6 99 6 e l e c t r 奔驰 i m4 0 钠氧化镍 2 8 01 2 0 | 1 7 0 o v i t o 大众 g o l f i vi m5 2 。5 铅酸3 3 6o 9 6 7 8 1 1 2 本田 e v p l u sp m4 9 镍氢 | 1 1 00 9 6 1 7 71 5 0 尼桑a l t r a e vp m6 2锂离子l1 2 0o 8 0 1 22 0 0 丰田p r i u sp m3 0镍氢| 宝马1 e s t4 5钠氧化镍|1 2 60 9 9 1 91 5 3 雪铁龙s a x od c2 0镍氢1 2 09 0m v 5 0 馋38 0 从电动汽车诞生的那一刻起，各国科学家就把电动汽车用蓄电池和电机驱动 系统作为电动汽车研究的重点，也正是这几项关键技术制约着电动汽车的发展和 市场化进程。 a ) 蓄电池研究现状渊 1 9 9 1 年，美国国际先进电池联合体( u s a b c ) 于1 9 9 2 年发表了电动车用蓄 电池性能标准，把研发目标要求分成中期( 2 0 0 0 年以前) 和长期( 2 0 0 0 - - 2 0 1 0 年) 两个阶段。具体要求见表1 3 6 第一章绪论 表1 3 电动汽车蓄电池性能指标 使 充 自 阶质量比能体积比质量比体积比用工作环能量循环电 放 段量能量功率功率 寿境效率次数时 电 命间 中 8 0 w h k g 1 3 5 、r h i 5 0 w k g 2 5 0 w l5 年2 天3 0 一石07 5 6 0 0 6 h 期 长 1 03 0 2 0 0 w h k g3 0 0 纷西口4 0 0 w k g 6 0 0 w l_ 4 0 8 58 0 l 0 0 03 h 期 笠 天 电动汽车要求蓄电池功率密度、能量密度、效率高，价格低、寿命长、安全 性以及回收性好。表i 4 是目前市场上可以见到的电动汽车用蓄电池的性能比 较。 表1 4 最新电动车用电池比较 重量能量比能量比功率循环 制造商型号 ( k g ) ( a h ) ( w h k g )( w k g ) 寿命 d f6 v p b a c i ds o n n e n s c h e i n3 0 21 5 02 9 38 0 1 0 07 0 0 1 8 0 n i c ds a f ts 硼5 1 4 02 3 21 3 64 5 32 6 02 0 0 0 n a sa b bb 1 12 5 32 3 88 l1 5 26 0 0 n a m ho v o n i c eo b c1 7 11 0 08 02 4 51 0 0 0 n i f e e a g l e p i c h e r n 2 0 02 52 0 35 l9 99 2 0 z n b rs e a z b b 5 4 88 11 2 67 94 03 5 0 铅酸蓄电池性能可靠、价格低、寿命长、维护方便、铅原料丰富。但其比能 量低、输出波动大、低温性能差、充电时间长。目前日本g s 公司的铅酸电池、 美国e l e c t r os o u r c e s 的“铅布电池”、国内4 8 1 厂采用免维护技术生产的蓄电池、 苏北化学电源研究所生产的椭圆管式密封电池等都己经达到或超过了中期水平。 b ) 电机驱动系统的研究现状 电机技术| 2 9 j 电机驱动系统是电动汽车最主要的系统单元，直接影响其运行性能的好坏， 它要具有一些特殊性：要求驱动电机的功率质量比大，机构简单，坚固：要求驱 动控制系统具备强的复杂的适应能力；控制系统在硬件设计上要求屏蔽和隔离等 等。 目前电动汽车使用的电机主要是直流电机、感应电机、开关磁阻电机以及永 磁无刷电机等。总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走向交流【3 0 1 。 7 天津大学博士学位论文 电动汽车控制策略研究 早期开发的电动汽车主要采用直流电机驱动系统，其优点是有比较好的控制 特性，但其功率质量比低、价格贵、体积大，且由于存在电刷与机械换向器，不 仅限制了电机的过载能力与速度的进一步提高，而且运行时碳刷和换向器会产生 火花，长期运行需要维护，电刷磨损又会造成不安全工作。因此随着电力电子器 件的发展，交流电机逐渐取代直流电机应用于电动汽车上。8 0 年代日本的大发 h l j e t 和丰田e v l o 采用直流他励电机。 随着电子技术的迅速发展和交流调速技术的逐步成熟，在最近的电动汽车上 己经开始广泛采用交流电机【3 l 。交流电机的效率和功率密度均比直流电机高， 且结构牢固，便于维护。对目前电池容量较小的情况下，选择效率更高、体积更 小的交流电机对改善电动汽车的续航能力尤为重要1 3 2 1 。 异步电机低费用、高可靠性、高速、低转矩波动、低噪声和无位置传感器等 优点面被广泛采用。美国通用的e v l ，福特的r a n g e re v 均采用了异步电机。以 永磁同步电机和无刷直流电机为代表的交流永磁电机以其质量低、效率高这一特 点而在电动汽车领域崭露头角，但目前因其价格偏高而没有商用。开关磁阻电机 结构简单、紧密、坚固、效率高，低速时可以提供很大的转矩，驱动器结构相对 简单，但是它有震动和噪声较大的缺点。 功率器件1 3 3 j 合理选择功率变换器及其电力电子器件是实现高功率密度、高效率及安全可 靠的电力电子装置的关键。电力电子器件的选择根据电压和电流值、开关频率、 功耗及动态特性诸因素，除此之外，还应考虑器件的保护、封装、可靠性及价格 等。在电动汽车中用的比较多的元器件有：g t o 、b j t 、m o s f e t 、i g b t 、m c t 等，尤其i g b t 集b j t 和m o s f e t 的特点于一体，其工作频率高达1 0 2 0 k h z ，耐 电流浪涌量、电压阻断峰值、导通电流密度、门极驱动功耗率等各项指标与其它 器件相比极其突出。其高阻抗压控栅极，可以明显降低栅极驱动功率，这一点对 电池技术相对薄弱的电动汽车来说是非常重要的。 采用i g b t 的低压变频装置的最大容量在3 8 0 v 级可达5 4 0 k v a 。其优良的性 能使其成为电动汽车变频驱动系统的首选开关器件。 控制策略p 4 j 电动汽车的电机控制系统因为直流电机已被淘汰，而几种新型永磁电机还没 有被广泛应用，且本课题使用的电机也为感应电机，所以我们以异步电机为控制 对象加以介绍。 用于各种异步电机的驱动控制策略主要有三种控制方式：控制；转差频 率控制和矢量控制。前两种控制策略以脉冲宽度调制( p w m ) 方式作为其实现 的技术方式。但这两种控制策略转速控制范围小、转矩控制性能不理想，在低速 及动态、负载变化的情况下，表现出明显的缺陷，因此不适用于频繁加减速场合。 8 第一章绪论 近年来，国外研制生产的电动汽车几乎全部采用各种类型的矢量控制系统。 其针对交流电机具有复杂的非线性和多变量耦合的电磁关系的特点，构成了控制 模型与直流电机相似的交流电机磁场和力矩解耦控制的原理，它可以使交流电机 具有与直流电机相媲美的性能，而且矢量控制策略的方案很多，常见的就有转差 频率矢量控制、无速度传感器矢量控制、参数自适应补偿矢量控制等等，而且由 于其应用范围广泛，一些更新更好的控制方法不断涌现，不断丰富的矢量控制策 略表现出强大的生命力。但其应用于电动汽车中也有缺点：由于电机的励磁电流 保持恒定，导致电机轻载时，铁耗所占比率增加；弱磁情况下，电机的动态响应 受到影响等等缺点。 此外，近年来出现的如变结构控制( v s c ) 、模糊控制( f u z z y ) 、神经网络 控制以及专家控制系统等新的控制方法己逐渐用于电动汽车驱动i ”】中。 1 2 本文的研究目的及意义 随着汽车行业及电子行子的迅速发展，电动汽车必然会是未来汽车行业的支 柱。从目前电动汽车的发展情况来看，控制技术、制造工艺以及能源供给等很多 相关行业的支持都不能满足目前电动汽车发展的需求。从控制技术上来分析，目 前电动汽车的转矩的动态跟随性能、超高速及低速启动性能等都不是很理想。本 文在研发天津某电动汽车公司三相交流电动汽车控制器的基础上，对电动汽车的 低速启动性能、中低速节能和高速弱磁等方面做了相应的研究工作，同时针对三 种运行状态提出了三种独立的控制策略，在电动汽车的动态特性和节能方面做出 了很大的改善。另外，从节约有限能源提高电动汽车行驶里程的角度分析，本文 在能量回馈制动方面也做了大量的研究工作，从理论上分析，这种控制策略在山 区或频繁制动的大型城市中能够有效增加电动汽车的续驶里程。 本文的实车控制器研发和仿真分析工作改善了目前电动汽车控制器中存在 的一些弊端，对暂时无法完成的内容以仿真形式提交了相应的研究成果。为下一 代高质量电动汽车及目前研发成果的产业化铺平了道路。 1 3 本文的研究内容 本课题把电动汽车异步电机的驱动方案作为研究的重点，参考国外先进技 术，提出基于经典矢量控制和转差频率矢量控制为基础的变结构控制方案，根据 电动汽车电机独特的运行方式在不同的运行时段采用不同的控制策略，力求避免 单一控制策略在电机运行中的复杂工况导致的参数辨识误差所引起的控制偏差 甚至控制失效等问题，提高了电动汽车的动静态性能。通过对能量回馈研究，在 能量优化利用方面也有一定提高。本课题还将涉及整个电气传动系统数学模型的 9 天津大学博士学位论文 电动汽车控制策略研究 建立及优化，建立一个较为合理且可行的电动汽车异步电机驱动整体解决方案。 以节能、减轻重量、延长续驶里程为宗旨，使电动汽车有更好的实际应用价值。 本文下面章节的详细研究内容如下： 1 ) 研究电动汽车启动或低速运行复杂工况，依据其输出转矩波动和幅值较 大的特点，提出低速时采用转差频率矢量控制的方法，建立相应的数学和仿真模 型，并通过仿真验证该方法在理论上的可行性和有效性。 2 ) 研究异步电机基于矢量控制理论的效率优化方法。提出电动汽车在平坦 路面上中低速运行区段采用控制励磁优化效率的策略，基于损耗模型效率最优控 制策略建立了数学模型，通过仿真验证该策略的可行性。 3 ) 研究异步电机在基频以上的运行特点。以电压控制策略为基础、最优转 矩输出为目标简化控制算法。根据非理想状态下的简化控制算法建立数学模型， 通过实验和仿真验证了该控制模型优于传统的控制模型。 4 ) 深入研究异步电机的数学模型及自抗扰控制技术，利用自抗扰控制技术 设计系统的电流调节器。基于q 轴电流调节器，搭建速度扰动函数模型及结构框 图，完成对异步电机速度的估计。根据仿真和实验对比，自抗扰速度估计策略要 显著优于q 轴磁通收敛于零的速度估计策略。 5 夕研究分析电动汽车的运行特点，提出变结构控制策略在电动汽车控制系 统中的应用。将电动汽车的运行状态按速度分为高、中、低三种状态，依据电动 汽车的运行工况和实测转速等信息确定一种当前最适合的控制策略。根据转速信 息对控制策略进行优选，在理论上证明三种状态下控制策略分别最优。 6 ) 分析目前再生制动控制策略的研究重点和常用的几种控制策略。以二象 限的d c d c 直流斩波器驱动结构为模型对p w m 微观过程进行解析，提出一种 理论上可行的再生制动控制策略一恒定回馈电流控制。建立完整的再生制动微观 数学模型和宏观简化模型，进行制动能量回馈效率分析。 1 0 第二章异步电机控制理论基础 第二章异步电机控制理论基础 交流调速主要包括异步电动机( 感应电动机) 调速和同步电动机调速两大部 分。本文研究的内容都是关于电动汽车用异步电动机调速控制策略的研究。在异 步电动机调速系统中，按照电机中转差功率的处理分为三种类型，即转差功率消 耗型调速系统、转差功率回馈型调速系统和转差功率不变型调速系统，三类系统 的能量转换效率是依次提高的。本章的主要内容是将后文将要用到的各种控制策 略的理论基础加以推导和阐述，以便在后面章节更加清晰的理解本文内容。 2 1 变结构控制理论及结构的定义 3 6 1 3 7 】 六十年代初期，前苏联学者欧曼尔杨诺夫( s v e m e l y a n o v ) 、犹特金 ( v i u t k i n ) ，以及依特克斯( u i t k i s ) 等人全面研究变结构控制系统( v s s ) 。 至今，v s s 已经成为控制理论的一个分支。v s s 与常规控制理论的不同之处在 于系统的“结构 可以在瞬变过程中，根据系统的当时状态以及跃变方式有目的 地变化，它规避了某种控制结构一成不变、效率不均的缺点，使系统始终按照预 定的状态在最优控制方式之下工作，特别是对于电动汽车这样运行工况复杂的例 子。变结构控制使电动汽车分别在启动、制动以及正常行驶中采用不同的控制方 式，能够提高矢量控制直接解耦的精度、车体的动静态性能、异步电机的工作效 纠3 8 】和汽车的续驶里程。在能源制约电动汽车市场化的今天，对变结构控制理论 应用到电动汽车中有较高的理论、实际价值。 2 1 1 结构的定义 变结构自动控制系统【3 9 】【删是一类特殊的非线性系统，其非线性表现在控制的 不连续性。系统的“结构”并非固定，而是在控制中根据预先设定的条件改变控 制“结构”。但是，在控制理论中，现在还没有给出一个v s s 的严格定义，这不 仅因为变结构理论较为新颖，还因为“结构”一词本身尚无真正严格的定义。但 在以下一些情况下我们认定它们的结构是不同的：带有正反馈的系统结构与带有 负反馈的系统；带有负反馈结构与开环系统结构。所以我们简单总结“结构”的 相异条件：假设系统中至少有两个组分互相间的连接符号不同，或者有两个组分 在一个系统中互相连接，而在另一个系统中互相不连接，则系统的结构不同。一 天津大学博士学位论文电动汽车控制策略研究 般地