绕组开放式混合励磁磁通切换电机起动/发电系统的基础研究

The development of Hybrid Electric Vehicle (HEV) requires high power density, high efficiency and wide speed range for its starter/generator systems. Besides, flexible and controllable energy distribution system is also the critical technology to reduce fuel consumption and emissions and extend engine work life. Based on the above analysis, a hybrid excitation flux-switching starter/generator system based on an open-end winding structure and its energy distribution system control strategy are proposed in this project, in which the following will be investigate:(1) By utilizing the inherit features of FSPM , a multi-tooth flux switching permanent magnet machine topology with high torque density and great capability of operating in constant power region is proposed which will promote the application potential of flux-switching machines in high power and wide speed range area, (2) The “hybrid excitation” in combination with “open-end winding” approach and energy management by excitation current strategy will improve the integrated level and efficiency of the system as well as extend system work life. This project integrates the application basic theory research and the nation strategy demands, and make significant meanings to HEV technology of our country.

混合动力汽车技术的发展对其起动/发电系统提出了能量密度高、效率高、转速范围宽的要求，同时系统中不同动力源之间的能量分配灵活可调又是降低油耗和排放、延长发动机工作寿命的关键。基于以上背景，本项目提出对绕组开放式混合励磁磁通切换电机起动/发电系统及其能量分配可调控制策略进行系统研究：（1）利用永磁磁通切换电机的固有优点，提出兼具高转矩密度和强恒功率区域运行能力的多齿结构永磁磁通切换电机拓扑，提升磁通切换型电机在高功率密度、宽转速场合的应用潜力；（2）将“开放绕组”和“混合励磁”相结合，提出“调节励磁电流（无功电流）实现不同动力源之间的能量分配可调”的策略，提高系统的集成度、效率并延长系统运行寿命。本项目把应用基础理论研究与国家战略需求相结合，对增强我国的混合动力汽车起动/发电系统的源头创新能力，实现技术的飞越式发展具有重要意义。

新能源的开发和利用是解决环境污染和能源危机的有效措施，但是大多新能源受气候和天气条件的限制，存在间歇性导致供电不稳定。利用不同新能源的互补性构建新能源联合供电系统，能得到较为稳定的电力输出。针对新能源联合供电系统，本文致力于研究一种高集成度的三输入源绕组开放式电机联合发电系统，对系统拓扑、控制算法以及系统动态性能优化进行探究。. 以两输入源变换器和绕组开放式电机系统结构为基础研究三输入源绕组开放式电机发电系统拓扑的衍生法则，归纳分析了该系统拓扑组合方式、构造原理和拓扑特性。提出了三种系统拓扑组合方式，介绍了两输入源变换器的构造原理，根据衍生法则得到九种不同结构的三输入源系统拓扑。针对集成度、灵活性、能量分配等性能对比了多种不同拓扑结构的优缺点，得出集成度相对较高、成本相对较低并满足能量分配要求的三输入源绕组开放式发电系统，作为本文的研究重点。提出了一种电压、功率协调控制的系统控制策略，从而实现输出端恒电压供电，系统功率可控分配。理论推导了系统的电压方程和能量守恒方程，建立系统的数学模型，根据被控对象与其它物理量之间的关系，结合线性PI控制技术实现了系统的稳压和功率可控调节。并通过系统动静态仿真和实验验证了该控制算法的可行性。由于绕组开放式电机作为能量的传递渠道级联了直流变换器和负载，导致多个源之间存在功率耦合，采用线性控制技术会影响系统的动态性能，因此提出了一种基于单周期控制技术的系统功率控制策略。基于单周期控制技术的系统控制策略能有效改善线性控制技术中因参数不匹配而导致的系统动态响应缓慢的缺陷，同时还具有结构简单，无需参数设计的优点。通过仿真和实验验证了该控制算法的有效性，并与线性控制算法进行比较，证明了该控制算法在提高系统动态性能方面的优越性。