姬芬竹，谷可帥，丁元章，周紅峰

(1.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191； 2.江蘇奧新新能源車輛有限公司，鹽城 224007)

2016106

電動(dòng)汽車微型燃?xì)廨啓C(jī)增程器性能仿真與起動(dòng)控制的研究*

姬芬竹1，谷可帥1，丁元章2，周紅峰2

(1.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191； 2.江蘇奧新新能源車輛有限公司，鹽城 224007)

本文中采用微型燃?xì)廨啓C(jī)(下簡(jiǎn)稱微型燃機(jī))作為電動(dòng)汽車的增程器，對(duì)其進(jìn)行性能仿真和起動(dòng)控制研究。首先以模塊化方法建立各組件穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，依據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原則建立增程器聯(lián)合運(yùn)行條件，確定微型燃機(jī)共同工作線；接著建立起動(dòng)和停車過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，制定微型燃機(jī)控制規(guī)律，即供油量隨相對(duì)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明：微型燃機(jī)以設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，熱效率、燃油消耗率和渦輪前溫度均滿足設(shè)計(jì)要求；應(yīng)盡可能增大回?zé)岫?，以提高微型燃機(jī)的熱效率。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：依據(jù)仿真結(jié)果確定的供油規(guī)律、起動(dòng)時(shí)序和控制系統(tǒng)能夠保證微型燃機(jī)成功起動(dòng)、在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行和安全停車。

電動(dòng)汽車；微型燃?xì)廨啓C(jī)；增程器；供油量；控制

前言

目前，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)，混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，因此續(xù)駛里程短和初始成本高是現(xiàn)階段電動(dòng)汽車發(fā)展的主要障礙。以5～10kW小功率增程器與車載動(dòng)力電池組成增程式電動(dòng)汽車，是延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的有效途徑。

增程式電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，增程器僅作為發(fā)電機(jī)組向電池充電。因此，排放好、性能優(yōu)良的增程器是需要首先解決的問題[1-2]。目前，用作增程器的動(dòng)力裝置主要有燃料電池、往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等。燃料電池增程器成本高、技術(shù)難度大[3]；往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟，但用作增程器時(shí)還需進(jìn)行合理匹配與研究[4-6]；燃?xì)廨啓C(jī)具有排放好、燃料適應(yīng)性廣、功率密度大、可靠性高等特點(diǎn)，作為電動(dòng)汽車增程器已引起人們高度關(guān)注，如蓮花公司與捷豹公司合作，以燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組為增程器，設(shè)計(jì)開發(fā)了C-X75增程電動(dòng)超跑概念車[7]。我國(guó)尚未見到5～10kW微型燃機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車增程器的報(bào)道。

近年來(lái)，微型燃機(jī)因其排放好、可靠性高、免維護(hù)等突出特點(diǎn)而在分布式能源系統(tǒng)中備受關(guān)注[8-9]。目前，微型燃機(jī)功率通常為幾十甚至100kW以上，且成本較高，不適合用作電動(dòng)汽車增程器[10-11]。但隨著材料技術(shù)的快速發(fā)展和高溫型廢氣渦輪增壓器在汽油機(jī)中的廣泛應(yīng)用，小功率燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的制造成本有望大大降低，而成為未來(lái)一種電動(dòng)汽車增程器。因此，小功率微型燃機(jī)性能研究是電動(dòng)汽車增程器的基礎(chǔ)，表1為所研究的微型燃機(jī)增程器主要技術(shù)參數(shù)。

表1 微型燃機(jī)增程器主要技術(shù)參數(shù)

1 微型燃機(jī)增程器建模

圖1 微型燃機(jī)增程器系統(tǒng)框圖

增程器是一個(gè)小型發(fā)電機(jī)組，包括微型燃機(jī)本體、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)。微型燃機(jī)本體由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪(透平)、回?zé)崞骱腿加凸┙o系統(tǒng)等組成；發(fā)電機(jī)為永磁發(fā)電機(jī)；控制系統(tǒng)對(duì)微型燃機(jī)本體和發(fā)電機(jī)進(jìn)行一體化控制，增程器框圖見圖1。

首先，根據(jù)熱力學(xué)原理和能量平衡關(guān)系建立各組件模型；然后依據(jù)能量守恒與質(zhì)量守恒原則，設(shè)定增程器聯(lián)合運(yùn)行條件，建立共同工作方程和以燃機(jī)轉(zhuǎn)速為核心的微型燃機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

1.1 壓氣機(jī)模型

壓氣機(jī)流量、消耗功率和熱力參數(shù)的關(guān)系為

(1)

式中：qc為壓氣機(jī)換算空氣流量，kg/s;nc為壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速，r/min;πc為增壓比;ηc為壓氣機(jī)效率;n為燃機(jī)物理轉(zhuǎn)速，r/min;T1和T2分別為壓氣機(jī)進(jìn)口和出口溫度，K;ηAc為壓氣機(jī)絕熱效率;p2和p1分別為壓氣機(jī)出口和入口的空氣壓力；ka為空氣絕熱指數(shù)；Wc為壓氣機(jī)消耗功率,kW;cpa為空氣比熱，kJ/(kg·K)。

流量特性由壓氣機(jī)通用特性曲線計(jì)算，通用特性曲線由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。本文中所依據(jù)的通用特性曲線是實(shí)驗(yàn)室多年的研究積累，見圖2[12-13]。

圖2 壓氣機(jī)通用特性曲線圖

1.2 回?zé)崞髂Ｐ?/p>

由圖1可知，空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入回?zé)崞鞑⑴c廢氣進(jìn)行熱交換，熱交換量與回?zé)崞骰責(zé)岫扔嘘P(guān)?；?zé)岫榷x為

(2)

式中：σ為回?zé)岫?；T5為回?zé)崞鞒隹诳諝鉁囟?，K；T4為回?zé)崞魅肟趶U氣溫度，K。

σ反映了回?zé)崞鞯幕責(zé)崮芰?。為提高微型燃機(jī)熱效率，本研究使全部廢氣流經(jīng)回?zé)崞鬟M(jìn)行熱交換，項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的回?zé)崞骰責(zé)岫葹?.6。換熱模型為

(3)

式中：Q1和Q2分別為回?zé)崞髦锌諝馕鼰崃亢蛷U氣放熱量,kW;T6和Tw分別為廢氣出口溫度和回?zé)崞鞅诿鏈囟?K;k1和k2分別為冷側(cè)和熱側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃);A1為吸熱側(cè)換熱面積，m2;A2為放熱側(cè)換熱面積，m2；cp為廢氣比熱，kJ/(kg·K)；mg和ma分別為回?zé)崞髦袕U氣流量和空氣流量，kg/s。

1.3 燃燒室模型

燃料在燃燒室中燃燒，由能量守恒原則得

cpama(T3-T5)+Hvηb(mg-ma)=cpgmg(T3-T5)

(4)

式中：cpg為燃?xì)獗葻幔琸J/(kg·K);Hv為燃油放熱率,J/kg;ηb為燃油燃燒效率;T3為燃燒室出口溫度，K。

油氣比是影響微型燃機(jī)燃燒性能的重要參數(shù)，其計(jì)算公式為

(5)

式中：f為油氣比,通常f=0.012～0.024；h3,g和h5,a分別為燃?xì)獗褥屎涂諝獗褥?kJ/kg；hf為油氣混合氣比焓,kJ/kg。

1.4 渦輪模型

渦輪與壓氣機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，物理轉(zhuǎn)速相等。渦輪流量、功率和熱力參數(shù)的關(guān)系為

(6)

式中：qT為渦輪換算流量，kg/s;nT為渦輪換算轉(zhuǎn)速，r/min;πT為渦輪膨脹比;ηT為渦輪效率;T4為渦輪出口廢氣溫度，K;WT為渦輪功率，kW;k2為渦輪膨脹指數(shù)。

渦輪流量特性由通用特性曲線計(jì)算[12]。為減小渦輪葉片受熱變形并提高其壽命，應(yīng)控制渦輪進(jìn)口溫度，即渦輪前溫度。但渦輪前溫度很不均勻，難以直接測(cè)量，且容易造成測(cè)量元件的燒毀，因此實(shí)際應(yīng)用中常通過(guò)測(cè)量渦輪排出的廢氣溫度T4以間接反映渦輪前溫度T3。

1.5 增程器聯(lián)合運(yùn)行條件

增程器穩(wěn)定工作時(shí)，渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，系統(tǒng)中各組件協(xié)同工作，滿足共同工作條件。共同工作條件主要有質(zhì)量守恒、能量守恒和共同工作方程。

(1) 質(zhì)量守恒

壓氣機(jī)進(jìn)口空氣質(zhì)量、噴入燃燒室的燃油質(zhì)量和渦輪出口廢氣質(zhì)量遵守質(zhì)量守恒原則，即

ma+mf=mT

(7)

式中：ma，mf和mT分別為空氣質(zhì)量、燃油質(zhì)量和廢氣質(zhì)量，kg。廢氣質(zhì)量等于燃燒室出口燃?xì)赓|(zhì)量mg，相對(duì)于空氣質(zhì)量和廢氣質(zhì)量，燃油質(zhì)量很小，可忽略認(rèn)為ma≈mT。

以氣動(dòng)函數(shù)q(λ)表示氣體流量，于是有

式中：Ac和AT分別為壓氣機(jī)和渦輪進(jìn)口截面面積；Ka和Kg分別為壓氣機(jī)端和渦輪端常數(shù)；pt1和pt3分別為壓氣機(jī)和渦輪進(jìn)口總壓，Pa；Tt1和Tt3分別為壓氣機(jī)和渦輪進(jìn)口總溫，K；q(λ1)和q(λ3)分別為壓氣機(jī)和渦輪的氣體流量。

整理后可得

(8)

(2) 能量守恒

忽略空氣與燃?xì)獾馁|(zhì)量流量差異，則渦輪功率等于壓氣機(jī)功率與發(fā)電機(jī)功率之和，即

WT=Wc+We

以熱力學(xué)參數(shù)表示為

(9)

(3) 共同工作方程

增程器中，壓氣機(jī)、渦輪和發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，其物理轉(zhuǎn)速相等，以n表示。滿足共同工作條件的方程稱為共同工作方程。為保證微型燃機(jī)穩(wěn)定工作，必須使壓氣機(jī)與渦輪工作特性相匹配。本文中研究的微型燃機(jī)設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速為1105r/min，此時(shí)渦輪出口氣流處于臨界狀態(tài)，膨脹比為常數(shù)。把質(zhì)量守恒與能量守恒方程合并，整理后得到如下共同工作方程：

(10)

共同工作方程表示渦輪與壓氣機(jī)相互制約，當(dāng)微型燃機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，所有工作點(diǎn)均滿足式(10)。為方便表示微型燃機(jī)工作曲線，在壓氣機(jī)特性圖上繪制共同工作線，如圖3中的曲線L。圖中L1，L2，…，L10表示不同的等換算轉(zhuǎn)速線。

圖3 微型燃機(jī)共同工作線

1.6 微型燃機(jī)動(dòng)態(tài)模型

微型燃機(jī)由起動(dòng)進(jìn)入恒速工作狀態(tài)，或者由恒速工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入停車狀態(tài)，都是不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過(guò)程，由轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)力矩方程表示，即

(11)

式中：J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;ω為轉(zhuǎn)子角速度,rad/s;ΔM為渦輪的附加轉(zhuǎn)矩,N·m。渦輪附加轉(zhuǎn)矩與燃機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速n和供油量mf存在非線性關(guān)系，其計(jì)算公式為

(12)

將式(12)用泰勒公式在燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)線性展開，并代入式(11)，整理后可得微型燃機(jī)的一階響應(yīng)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程為

(13)

在零初始條件下對(duì)式(13)進(jìn)行拉氏變換，得到轉(zhuǎn)速與供油量之間的傳遞函數(shù)為

(14)

式中：Tt為時(shí)間常數(shù)，表示轉(zhuǎn)速對(duì)供油量變化的響應(yīng)快慢程度；Kt為供油量對(duì)轉(zhuǎn)速的增益系數(shù)。

2 微型燃機(jī)增程器控制系統(tǒng)

為保護(hù)負(fù)載電路并提高發(fā)電機(jī)壽命，通常使微型燃機(jī)以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，即相對(duì)轉(zhuǎn)速為100%穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)環(huán)境參數(shù)或負(fù)載變化時(shí)，對(duì)燃機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以維持其轉(zhuǎn)速不變，因此調(diào)節(jié)參數(shù)和控制參數(shù)至關(guān)重要。本文中把燃機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度作為監(jiān)測(cè)與控制參數(shù)，以供油量為調(diào)節(jié)參數(shù)，采用PID方法對(duì)燃機(jī)的起動(dòng)、停車和恒速工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

2.1 增程器控制規(guī)律

對(duì)于增程式電動(dòng)汽車，使用條件下的大氣溫度和壓力變化很小，可認(rèn)為壓氣機(jī)進(jìn)口總溫和總壓不變，由式(1)和式(6)可知換算轉(zhuǎn)速基本不變；渦輪前溫度影響葉片工作性能和使用壽命，應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。因此，設(shè)置渦輪前燃?xì)庾罡邷囟葹? 350K，則增程器控制規(guī)律為

(15)

給定某一供油量mf可對(duì)應(yīng)確定一個(gè)物理轉(zhuǎn)速n，進(jìn)而由式(1)得到壓氣機(jī)換算轉(zhuǎn)速nc，然后在壓氣機(jī)通用特性圖上獲得工作點(diǎn)和工作參數(shù)。

由起動(dòng)到工作狀態(tài)，或者由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入停車，都屬于非穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程，即過(guò)渡過(guò)程。過(guò)渡過(guò)程的控制規(guī)律為

(16)

調(diào)節(jié)mf，使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，當(dāng)接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自反饋調(diào)節(jié)，在Δt=t2-t1時(shí)間內(nèi)使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。進(jìn)一步推導(dǎo)可得轉(zhuǎn)子加速度與供油變化量Δmf的關(guān)系[13]為

(17)

若Δmf>0，轉(zhuǎn)子加速度為正；若Δmf<0，轉(zhuǎn)子加速度為負(fù)。合理控制供油量變化，即可得到期望的轉(zhuǎn)子加速度。

2.2 PID控制參數(shù)

PID控制系統(tǒng)的通用表達(dá)式[14]為

(18)

式中：u(t)為控制器輸出信號(hào)；e(t)為輸入偏差；KD，KI和KP分別為微分參數(shù)、積分參數(shù)和比例參數(shù)。

控制對(duì)象主要是增程器轉(zhuǎn)速和燃油閥，轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)G(s)由式(14)確定；燃油閥具有慣性，傳遞函數(shù)Gv(s)由2階函數(shù)和延時(shí)模塊組成：

(19)

對(duì)PID控制系統(tǒng)向前通路進(jìn)行零、極點(diǎn)對(duì)消處理，使KP=2ξω，KI=ω2，可得渦輪傳遞函數(shù)為

(20)

由控制理論可知，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，KD的取值應(yīng)使Tts2+s+KDKtω2e-τs=0的解為負(fù)，由此可得KD取值范圍為

(21)

可見，PID控制系統(tǒng)參數(shù)的確定與時(shí)間常數(shù)Tt、增益系數(shù)Kt和執(zhí)行器油閥的參數(shù)密切相關(guān)。通常，Tt和Kt的求解過(guò)程十分復(fù)雜，但本文中所建立的動(dòng)態(tài)線性方程為1階微分方程，因此可借助圖形參數(shù)識(shí)別方法確定渦輪的時(shí)間常數(shù)和增益系數(shù)[15]。

2.3 微型燃機(jī)控制系統(tǒng)

圖4 微型燃機(jī)控制系統(tǒng)框圖

微型燃機(jī)控制系統(tǒng)主要包括手動(dòng)控制器、電子控制單元(ECU)、廢氣溫度采集模塊、燃機(jī)轉(zhuǎn)速采集模塊、燃油泵、燃油閥、點(diǎn)火器、起動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路等，系統(tǒng)框圖見圖4。

通過(guò)手動(dòng)控制器完成擋位選擇以確定供油量，供油量與相對(duì)轉(zhuǎn)速一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)微型燃機(jī)在設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，由傳感器監(jiān)測(cè)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和廢氣溫度并輸入ECU，計(jì)算并輸出相應(yīng)的控制量(PWM)，經(jīng)放大電路放大后控制油泵油閥的開度，以調(diào)節(jié)供油量并使燃機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

3 微型燃機(jī)增程器性能仿真

3.1 穩(wěn)態(tài)性能仿真

基于上面建立的穩(wěn)態(tài)模型，計(jì)算可得微型燃機(jī)性能參數(shù)。圖5給出了相對(duì)轉(zhuǎn)速隨供油量變化曲線?？梢钥闯?，相對(duì)轉(zhuǎn)速隨供油量增加而增大，供油量越大，相對(duì)轉(zhuǎn)速增加越緩慢。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，即相對(duì)轉(zhuǎn)速為100%時(shí)，所需供油量為0.75g/s。

圖5 相對(duì)轉(zhuǎn)速隨供油量變化曲線

熱效率和燃油消耗率反映微型燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，其與相對(duì)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線見圖6。隨著相對(duì)轉(zhuǎn)速的升高，微型燃機(jī)熱效率先增大后減小，燃油消耗率先減小后增大。當(dāng)回?zé)崞骰責(zé)岫葹?.6時(shí)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速點(diǎn)熱效率為32%，燃油消耗率為275g/(kW·h)。

圖6 燃油消耗率和熱效率變化曲線

回?zé)崞骰責(zé)岫葘?duì)微型燃機(jī)熱效率和燃油消耗率有重要影響。圖7為不同回?zé)岫鹊臒嵝首兓€。隨著回?zé)岫鹊脑龃?，熱效率明顯升高。但回?zé)岫仁芑責(zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)、散熱面積等因素限制，不能任意增大。本文中設(shè)計(jì)的回?zé)崞骰責(zé)岫葹?.6，由圖可見相對(duì)轉(zhuǎn)速為100%時(shí)的熱效率為32%。當(dāng)回?zé)岫仍龃蟮?.7時(shí)，熱效率為35%，與傳統(tǒng)汽油機(jī)相當(dāng)。

圖7 不同回?zé)岫鹊臒嵝首兓€

渦輪前溫度越高，燃?xì)忪手翟酱?，渦輪作功能力越強(qiáng)。圖8為渦輪前溫度和壓力隨相對(duì)轉(zhuǎn)速變化曲線?？梢钥闯觯瑴u輪前溫度和壓力隨相對(duì)轉(zhuǎn)速的提升而增高。本文中設(shè)置的最高溫度為1 350K。當(dāng)相對(duì)轉(zhuǎn)速為100%時(shí)，渦輪前溫度為1 100K；考慮超速運(yùn)行至相對(duì)轉(zhuǎn)速106%時(shí)，最高溫度為1 332K，不超過(guò)1 350K，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 渦輪前溫度和壓力變化曲線

3.2 動(dòng)態(tài)性能仿真

圖9 相對(duì)轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度隨供油量變化曲線

起動(dòng)時(shí)，應(yīng)迅速增大供油量使轉(zhuǎn)速快速升高并達(dá)到恒速工作點(diǎn)，但供油量太大會(huì)使渦輪前溫度太高。圖9為起動(dòng)過(guò)程中相對(duì)轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度隨供油量變化曲線?？梢钥闯?，當(dāng)起動(dòng)加速到相對(duì)轉(zhuǎn)速100%，即設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速1×105r/min時(shí)，所需供油量為0.85g/s，大于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的供油量0.75g/s，這是由于起動(dòng)過(guò)程要求轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有一定加速度，需求供油量較大，從而導(dǎo)致渦輪前溫度高于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)渦輪前溫度，為1 180K。

為分析系統(tǒng)的響應(yīng)特性，設(shè)供油量在0.41g/s時(shí)穩(wěn)定工作，當(dāng)渦輪前溫度和相對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定1s后，以恒定速率使供油量在1.5s時(shí)間內(nèi)達(dá)到0.75g/s，即t=2.5s時(shí)供油量最大，此時(shí)渦輪前溫度也達(dá)到最大值，之后逐漸減小并穩(wěn)定，見圖10?？梢钥闯觯瑃=3.5s時(shí)相對(duì)轉(zhuǎn)速達(dá)到100%并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)的渦輪前溫度也趨于穩(wěn)定值1 100K，即燃機(jī)達(dá)到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)良好。

圖10 渦輪前溫度和相對(duì)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 起動(dòng)時(shí)序圖

微型燃機(jī)起動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，需要控制的參數(shù)較多，因此起動(dòng)過(guò)程采用開環(huán)控制，起動(dòng)時(shí)序圖見圖11。

圖11 微型燃機(jī)起動(dòng)時(shí)序圖

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)

由上述仿真結(jié)果確定供油規(guī)律，依據(jù)起動(dòng)時(shí)序圖確定控制方案，編寫控制程序，搭建試驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行試車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖12。

圖12 試車試驗(yàn)中參數(shù)變化曲線

t=0時(shí)刻，利用試驗(yàn)臺(tái)架的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)微型燃機(jī)，相對(duì)轉(zhuǎn)速、尾氣溫度迅速上升；t=40s時(shí)，尾氣溫度達(dá)到最高值1 200K左右；t=60s時(shí)，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，微型燃機(jī)進(jìn)入慢車怠速狀態(tài)，相對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在40%左右，溫度降低到850K左右；t=100s時(shí)，通過(guò)手動(dòng)控制器選擋使供油量加大，相對(duì)轉(zhuǎn)速和燃機(jī)功率快速升高，但溫度變化不大；200s以后，相對(duì)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，并保持在94%附近不變，輸出功率穩(wěn)定在9.7kW左右，尾氣溫度接近1 000K左右，微型燃機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)；t=320s時(shí)，通過(guò)手動(dòng)控制器選擋，使燃機(jī)進(jìn)入停車程序，油泵關(guān)閉，之后進(jìn)入停車過(guò)程，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)冷卻系統(tǒng)工作，但由于熱慣性作用，尾氣溫度依然較高；t=410s時(shí)，電機(jī)停止工作，燃機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出功率和尾氣溫度逐漸下降并安全停車，完成一次試驗(yàn)?？梢?，本文中確定的供油規(guī)律、起動(dòng)時(shí)序和控制系統(tǒng)能夠保證微型燃機(jī)成功起動(dòng)，并在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行和安全停車。

5 增程式電動(dòng)汽車性能仿真

5.1 電動(dòng)汽車主要技術(shù)參數(shù)

在增程式電動(dòng)汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)直接連接，僅驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)相連。圖13為某增程式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)框圖，整車主要技術(shù)參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果見表2。

電動(dòng)汽車以巡航車速滿載運(yùn)行時(shí)增程器驅(qū)動(dòng)功率為

(22)

圖13 增程式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)框圖

參數(shù)整車總質(zhì)量最高車速巡航車速電機(jī)額定功率(轉(zhuǎn)速)數(shù)值1300kg100km/h80km/h10kW(3600r/min)參數(shù)額定電壓電池容量變速器型式傳動(dòng)比數(shù)值180V60A·h2擋手動(dòng)6 9～10

式中：P為增程器功率，kW;ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；m為整車質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；ua為車速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為正投影面積，m2。

經(jīng)計(jì)算得P=8kW。若發(fā)電機(jī)效率為0.9，則微型燃機(jī)功率為8.9kW。因此，本文中設(shè)計(jì)的微型燃機(jī)能夠使車輛達(dá)到80km/h的巡航速度。

5.2 增程式電動(dòng)汽車性能仿真

為盡可能使電動(dòng)汽車以純電動(dòng)模式行駛，不起動(dòng)或少起動(dòng)增程器以減少有害氣體排放，本文中采用恒溫器控制模式，即當(dāng)電池SOC達(dá)到下限值時(shí)，起動(dòng)增程器，使微型燃機(jī)在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)恒功率輸出；當(dāng)SOC達(dá)到上限值時(shí)，關(guān)閉增程器并恢復(fù)純電動(dòng)模式行駛。

圖14 NEDC工況仿真結(jié)果

為維護(hù)電池性能并延長(zhǎng)使用壽命，設(shè)定增程模式下電池的充放電區(qū)間為30%～70%，利用ADVISOR軟件進(jìn)行仿真，圖14為NEDC循環(huán)下的仿真結(jié)果?？梢钥闯觯旭偫锍虨?5km左右時(shí)，SOC下降到下限值30%，此時(shí)起動(dòng)增程器，微型燃機(jī)在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)恒功率輸出，一部分功率驅(qū)動(dòng)車輛行駛，剩余功率為電池充電，當(dāng)SOC升高到上限值70%時(shí)，關(guān)閉增程器并轉(zhuǎn)入純電動(dòng)模式。如此反復(fù)，直至耗盡油箱中的燃油。本文中的增程器油箱容積可滿足續(xù)駛里程300km需要。

6 結(jié)論

(1) 以模塊化建模與動(dòng)態(tài)控制相結(jié)合方法研究微型燃機(jī)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)過(guò)程，能夠?qū)ξ⑿腿紮C(jī)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，其仿真數(shù)據(jù)可以作為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，為電動(dòng)汽車增程器設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

(2) 以供油量為調(diào)節(jié)量，以渦輪轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度為控制參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微型燃機(jī)的性能控制。但由于渦輪前溫度較高，容易造成測(cè)量元件的燒毀，因此可直接測(cè)量渦輪后廢氣溫度并利用熱力學(xué)關(guān)系獲得渦輪前燃?xì)鉁囟取?/p>

(3) 回?zé)崞骰責(zé)岫葘?duì)微型燃機(jī)熱效率有較大影響，通過(guò)增大回?zé)崞骰責(zé)岫瓤梢蕴岣呶⑿腿紮C(jī)熱效率，使其接近現(xiàn)有汽油機(jī)水平。

(4) 本文中確定的供油規(guī)律、起動(dòng)時(shí)序和控制系統(tǒng)能夠保證微型燃機(jī)成功起動(dòng)、在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行并安全停車。

(5) 以恒溫器模式控制微型燃機(jī)增程器的起停，能夠?qū)崿F(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)與增程式驅(qū)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

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A Research on the Performances Simulation and Start Control ofMicro Gas Turbine Range Extender for Electric Vehicles

Ji Fenzhu1, Gu Keshuai1, Ding Yuanzhang2& Zhou Hongfeng2

1.SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191； 2.AoxinNewEnergyVehicleCo.,Ltd.,Yancheng224007

Micro gas turbine is adopted as the range extender of an electric vehicle, with its performance simulated and its start control studied in this paper. Firstly steady state mathematical models for its components are set up with modular method, the co-operation conditions for range extender are established based on the principles of mass conservation and energy conservation, and a common working line of micro gas turbine is determined. Then a dynamic model for the start and stop process is built and the control rule for micro gas turbine, i.e. the changing rule of fuel supply with relative rotation speed, is formulated. The results of simulation show that when micro gas turbine stably operates at designed speed, its thermal efficiency, fuel consumption and pre-turbine temperature all meet the design requirements, and it is essential to increase the effectiveness of heat regenerator for enhancing the efficiency of micro gas turbine. The results of bench test indicate that the fuel supply rule, start timing and control scheme determined by simulation can ensure the successful start up, stable operation at designed working points and safe stop of micro gas turbine.

electric vehicle; micro gas turbine; range extender; fuel supply; control

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA11A239)和北京市自然科學(xué)基金(3122024)資助。

原稿收到日期為2015年4月22日，修改稿收到日期為2015年7月16日。