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原文传递车用燃料电池超高速电动空压机稳定性控制

论文题名：	车用燃料电池超高速电动空压机稳定性控制
关键词：	车用燃料电池;超高速电动空压机;稳定性控制
摘要：	燃料电池汽车具有能量效率高，零排放，无污染等优点，作为新能源汽车发展的重要方向，近几年受到学者和企业的广泛研究。车用燃料电池电动空压机将压缩空气输送至电堆，在电堆内部与氢气发生电化学反应产生电能。为满足燃料电池汽车全工况宽功率范围的需求，必须采用高功率的燃料电池，这要求进一步提高电动空压机供气流量和压比。电动空压机主要由压缩机和永磁同步电机组成，压缩机结构和永磁同步电机转速影响供气流量和压比。在压缩机结构设计未取得重大突破现状下，永磁同步电机转速应往高速、超高速发展，超高速电动空压机成为发展趋势。典型的永磁同步电机控制方法中d、q轴定子电压是PID控制器跟踪d、q轴定子电流参考值计算得到，如果d、q轴定子电压计算值取值不当，会导致d、q轴定子电流失稳，进而产生转矩波动和转速波动。为提高超高速电动空压机的稳定性，本研究从超高速电动空压机动力学模型构建出发，对其稳定性分析和稳定性控制进行深入研究，主要研究内容如下：　　首先，介绍超高速电动空压机的结构和工作原理，推导静止坐标系下相电流的表达式，将其进行Clark和Park变换，建立同步旋转坐标系下的永磁同步电机模型；考虑叶轮叶片形状，推导叶片速度方向的压力分量，根据叶片表面压力分布情况建立叶轮负载转矩模型；联合叶轮负载转矩模型与永磁同步电机模型，进行线性仿射变换和时间尺度变换，建立无量纲的超高速电动空压机动力学模型。　　其次，基于无量纲的超高速电动空压机动力学模型，计算超高速电动空压机的系统平衡点。考虑无量纲的负载转矩和d、q轴定子电压，采用Routh-Hurwitz准则、Hopf及Fold分岔理论推导平衡点的稳定条件；提出超高速电动空压机稳定域计算方法，分析超高速电动空压机运行过程中存在的分岔运动。数值分析表明，无量纲d轴定子电压稳定域边界值为-22，且该值随q轴定子电压的减小而增大；无量纲q轴定子电压稳定域边界值为0.5和3，且其稳定域随着d轴定子电压的增大而扩大。　　再次，计算超高速电动空压机在不同电磁转矩下的d、q轴定子电压稳定域，最终得到电磁转矩、d、q轴定子电压三参数稳定域划分结果。结合永磁同步电机矢量控制架构设计稳定性控制模块，确保超高速电动空压机在运行时的d、q轴定子电压均能处于稳定域内。仿真分析表明，超高速电动空压机在静止调速至最高转速的过程中两次出现失稳现象，进行稳定性控制后q轴定子电压分别突降至275.3V、251.6V，d轴定子电压分别为维持在-128.3V以及升高至-102.7V，控制后的d、q轴定子电压处于稳定域中。　　最后，为验证稳定性控制方法的有效性，进行实验设备的选型，搭建超高速电动空压机稳定性控制实验台架；设计在有无稳定性控制方法下进行转速响应实验的实验方法，对比在有无稳定性控制方法下的超高速电动空压机转速波动和转矩波动的情况。实验结果表明，未采用稳定性控制方法时的转速波动幅值最大为287.32rpm，在采用稳定性控制方法后，最高转速被提高至154336rpm，转速波动幅值均能保持在20rpm以下。相比于未采用稳定性控制，采用稳定性控制后到达最高转速的总时间仅延迟20ms。
作者：	胡乐利
专业：	车辆工程
导师：	胡东海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021