【摘 要】
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为了应对日益严峻的能源短缺和环境污染问题,具有节能环保等优点的电动汽车受到广泛关注。为了提高电动汽车续航里程和充电速度,高压驱动系统在电动汽车中得到广泛应用。然而基于高压驱动系统的电动汽车在碰撞等紧急情况时高压母线存在对乘客造成电击的风险。因此,研究电动汽车碰撞等紧急情况下的母线电容主动放电技术,对提高电动汽车电气安全,推动电动汽车发展具有重要意义。目前,电动汽车主驱动系统通常采用在母线上并联泄放
【基金项目】
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国家自然科学基金项目,项目名称:电动汽车中多相感应电机和飞轮混合动力系统的关键理论和技术研究,项目编号:51777191;
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为了应对日益严峻的能源短缺和环境污染问题,具有节能环保等优点的电动汽车受到广泛关注。为了提高电动汽车续航里程和充电速度,高压驱动系统在电动汽车中得到广泛应用。然而基于高压驱动系统的电动汽车在碰撞等紧急情况时高压母线存在对乘客造成电击的风险。因此,研究电动汽车碰撞等紧急情况下的母线电容主动放电技术,对提高电动汽车电气安全,推动电动汽车发展具有重要意义。目前,电动汽车主驱动系统通常采用在母线上并联泄放电路的方式对母线电容进行放电,但采用泄放电路放电的方式不仅会增加驱动系统成本,而且会增加驱动系统体积和重量。而通过电动汽车主驱动电机绕组进行主动放电的方法具有成本低、可靠性高、体积小等优点。因此,本文以电动汽车用永磁同步电机为研究对象,围绕电动汽车母线电容主动放电控制策略展开了研究和讨论,具体研究内容如下:首先,对电动汽车碰撞情况下对乘客伤害以及碰撞安全相关标准法规进行了概述,并对碰撞等紧急情况下电动汽车母线电容放电国内外研究现状进行了综述。然后建立了永磁同步电机和PWM功率变换器数学模型,并对永磁同步电机在发电和电动状态下的运行特性进行了分析。在此基础上,建立了泄放电阻放电方法数学模型,对泄放电阻参数进行了设计和分析,发现采用泄放电阻放电的方法存在泄放电阻体积和重量大的问题,并通过搭建的电动汽车用永磁同步电机驱动平台对该放电方法进行了实验验证。其次,为了省去复杂而且体积较大的泄放电阻,对采用电机绕组放电的方法进行了研究。为了在碰撞等紧急情况发生后快速将母线电压降低到安全电压,提出了一种基于扩张状态观测器(extended stage observer,ESO)的母线电容放电方法。该方法分为快速放电阶段和恒压放电阶段,其中在快速放电阶段先将母线电压快速降低到安全电压,然后在恒压放电阶段通过ESO对系统总损耗功率进行估计并前馈补偿,从而将母线电压稳定在安全电压。该放电方法实现了通过电机绕组快速将母线电压降低到安全,而且实现了转速和母线电压的解耦,并且对参数变化具有较强的鲁棒性。再次,针对转速高于最大安全转速时无法通过在d轴施加最大安全电流而将母线电压降低到安全电压,导致基于ESO的母线电容放电方法失效的问题,提出了一种基于电机绕组铜耗最大的母线电容放电方法。首先建立了dq轴电流直接控制下的物理能量流动模型,并分析了dq轴电流对系统能量流动的影响。然后通过求解电流极限圆、转速下降时的电压极限椭圆和再生制动功率小于绕组铜耗功率时的功率极限圆得到三者约束下的dq轴电流轨迹,实现了电机绕组铜耗功率最大。基于电机绕组铜耗功率最大的母线电容放电方法不仅提高了电机绕组的放电功率,缩短了放电时间,而且不会出现电压浪涌等现象。最后,针对电机绕组放电方法放电能力有限,在转速高于最大绕组可放电转速时会出现绕组可放电能量小于母线电压降低到安全电压需要释放能量的情况,造成放电时间会超过规定时间的问题,提出了一种基于自适应滑模功率控制(Adaptive sliding mode power control,ASMPC)的母线电容混合放电方法。为了充分利用泄放电阻的放电能力,泄放电阻放电功率在放电过程中始终保持在最大功率。为了提高放电功率跟踪的动态性能,提出了功率误差自适应趋近律,并对其进行了分析。基于ASMPC的放电方法不仅可以提高放电功率的动态跟踪性能,而且可以减小滑模功率控制器输出的抖振,解决了纯电机绕组放电能力有限的问题。为了便于将所提放电方法应用于工程实际中,对所提基于绕组的放电方法进行了比较和分析,并给出了一种考虑工程需要和电动汽车动力系统参数选择放电策略的原则,便于工程师为电动汽车设计出可靠且具有成本效益的放电系统。
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