电动汽车驱动用模块化级联电机系统的研究

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1、博士学位论文电动汽车驱动用模块化级联电机系统的研究RESEARCHONMODULARCASCADEMACHINESSYSTEMFORELECTRICALVEHICLES韩守亮哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TM383.6学校代码：10213国际图书分类号：621.313密级：公开工学博士学位论文电动汽车驱动用模块化级联电机系统的研究博士研究生：韩守亮导师：陈清泉教授副导师：崔淑梅教授申请学位：工学博士学科：电机与电器所在单位：电气工程系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM383.

2、6U.D.C:621.313DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMODULARCASCADEMACHINESSYSTEMFORELECTRICALVEHICLESCandidate：HanShouliangSupervisor：Prof.C.C.ChanAssociateSupervisor：Prof.CuiShumeiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalMachineandA

3、pparatusAffiliation：SchoolofElectricalEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要模块化级联电机系统（ModularCascadeMachines，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

4、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

5、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

6、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

7、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-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文分配策略，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

8、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