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原文传递电动汽车驱动用模块化级联电机系统的研究

论文题名：	电动汽车驱动用模块化级联电机系统的研究
关键词：	电动汽车;模块化级联电机系统;匹配方法;转矩分配;优化设计
摘要：	-I- 　　模块化级联电机系统（Modular Cascade Machines，MCM）是一种新型的电机驱动系统，系统内各单元电机像电池一样，一个电机为一个模块，多个单元电机模块协同工作，通过改变匹配的模块数量或模块参数得到不同的符合要求的系统外特性。可以设计一系列单元电机模块，采用标准模块式结构，统一接口标准，不同功率需求可以通过改变模块数量来满足要求，而不需要重新设计模块电机；既能满足不同负载的性能需求，提高容错性能和可靠性，又能使选型、使用以及维护时更加方便。　　MCM系统用于电动汽车时，通过多个模块电机的匹配，突破了电机特性与整车需求特性不匹配的制约与限制，得到更加适用于电动汽车的电驱动系统转矩/转速和高效区特性。本文主要就MCM系统在电动汽车中的应用问题展开研究，包括系统的匹配方法、模块电机的设计方法、提高系统效率的转矩分配策略等。　　为实现模块电机合理的配置，得到适合动力系统需求外特性的模块电机参数指标，研究了适合 MCM系统的匹配方法。首先建立了电驱动动力系统仿真模型，确定了动力系统的外特性，分别研究了基于效率快速预估方法的单模方式匹配方法和基于遗传算法的多模方式匹配方法，采用优化算法以高效区范围和系统质量为优化目标，实现对多电机参数指标的确定，给出了不同车型MCM系统匹配的基本方案，为了实现快速匹配，还给出了一种效率快速预估方法，为模块电机设计和应用奠定了理论基础。　　针对 MCM系统的特点及电驱动系统的要求，对提高 MCM系统可靠性的拓扑结构以及提高功率密度、扩大高效区的模块电机设计方法进行了研究。提出了两种模块化级联电机拓扑结构，并分析了设计特点，给出了设计要求。从效率的角度，对不同类型电机的MCM系统进行比较，研究表明，低速永磁电机和高速感应电机相结合的方案更适合 MCM系统。提出了一种基于遗传算法的模块电机优化设计方法，并设计了采用分数槽集中绕组形式的高效高功率密度的电机模块，在此基础上，为进行控制策略研究设计了2模块多模方式MCM系统的模块电机，并用此电机仿真设计结果验证了效率快速预估方法的准确性。　　MCM系统提高效率的基础是尽可能地利用模块电机的高效区，但是频繁的切换电机会带来转矩波动、可靠性下降，甚至附加损耗，为此对 MCM系统的转矩分配策略进行了研究。建立了用于动态控制的整车仿真模型，确定了整车控制策略的基本思想，分析了不同的工作模式。研究了基于效率最优的转矩分配策略，作为参考和评价其它控制策略的依据。为提高系统实时性，提出了基于规则的转矩分配策略，减小了计算量，改善了电机的运行工况。在此基础上，提出了基于模糊控制策略的转矩分配方法，合理地分配单元电机的转矩，提高整车经济性，并优化动态性能要求。研究表明，MCM系统的能耗低于单电机驱动系统，采用MCM系统的电动车在满足动力性的前提下具有较好的经济性。　　为对匹配和设计方法进行验证，研制了MCM系统模型样机，对其进行外特性和效率等性能测试。实验结果与仿真设计结果、快速预测结果对比表明，所提出的电机设计方法及效率预估方法均是可行和准确的。搭建了基于Matlab/Simulink与dSPACE的硬件在环MCM系统的实时控制实验平台，进行了控制策略的实验研究；实验结果表明，提出的模糊控制策略在提高了系统的运行效率的同时，又避免了电机的频繁切换，改善了电机的运行工况，是适用于MCM系统的转矩分配策略，这与理论分析是一致的。　　研究表明：MCM系统不仅可以根据电动汽车的实际动力需求来优化设计，还可以增减模块电机的数目来满足不同动力大小的需求，降低了研发成本和周期。通过匹配不同特性的模块电机，很容易实现低速大转矩和高速大功率；通过采用优化的控制策略，能实现在较宽的速度范围和转矩范围内具有高效率。另外，MCM系统各模块电机电气上相互独立，当其中一个模块电机发生故障时，MCM系统仍能工作并且可以方便的切除和更换出现故障的单体模块，具有容错性好、维修更换成本低的特点，在电动汽车上具有良好的应用前景。MCM也可以应用在如风力发电、舰船推进等变速范围宽、功率变化大、工况复杂、可靠性要求高的场合。
作者：	韩守亮
专业：	电机与电器
导师：	陈清泉
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文