許為亮 李 樂 喻 凡 劉 寧(. 上海交通大學(xué) 汽車工程研究院底盤所, 0040;. 聯(lián)合汽車電子有限公司, 上海 006)

汽車發(fā)動機電動增壓技術(shù)研究

許為亮1李 樂1喻 凡1劉 寧2
(1. 上海交通大學(xué) 汽車工程研究院底盤所, 200240;2. 聯(lián)合汽車電子有限公司, 上海 201206)

首先基于文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，對電動增壓技術(shù)的研究目的、分類、結(jié)構(gòu)布置、和發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述和分析。然后，主要針對電驅(qū)動壓氣機增壓應(yīng)用技術(shù)，分析了電動增壓器的安裝位置及其影響，并對其電源和電機的選型及影響進行了分析。最后，為了提高增壓壓力的響應(yīng)速度并同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出了一個前饋和反饋相結(jié)合的閉環(huán)控制策略，并基于所建立的GT-POWER和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真平臺，驗證了該控制策略的有效性，仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)性能顯著提高，穩(wěn)態(tài)誤差也保持在一個合理范圍內(nèi)。

電動增壓 控制策略 聯(lián)合仿真 瞬態(tài)響應(yīng)性能

0 引言

目前發(fā)動機小型化已經(jīng)成為降低CO2排放的主要手段之一。運用渦輪增壓技術(shù)，可顯著提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和動力性。然而，傳統(tǒng)的增壓技術(shù)還具有如下的不足：渦輪增壓器在瞬態(tài)工況下(特別是在較低發(fā)動機轉(zhuǎn)速時)，會存在增壓滯后問題[1]。電動增壓技術(shù)利用高速電機驅(qū)動壓氣機，由于電機的快速響應(yīng)，發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時能夠無滯后增壓，與電動增壓器并聯(lián)一個旁通閥，可以避免非增壓工況時的節(jié)氣損失。由于跟發(fā)動機之間無需機械連接，因此電動增壓器安裝自由度更高。此外，電動增壓器無需改變發(fā)動機排氣端，不會因渦輪的存在而影響催化劑的預(yù)熱，從而可以改善發(fā)動機排放。

由于電動增壓器良好的應(yīng)用前景，近年來學(xué)術(shù)界對此研究從來沒有間斷過。S. George等人分別在2003年、2004年對電動增壓器的在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況做了研究，前者研究電動增壓器獨立工作，驗證了獨立工作電動增壓器的穩(wěn)態(tài)性能[2]，而后者將電動增壓器和渦輪增壓器串聯(lián)，研究瞬態(tài)工況增壓效果，并提出了根據(jù)電路電壓、電流以及溫度等條件對電動增壓器轉(zhuǎn)速限值的概念[3]。同期，Alain Lefebvre等人對電動增壓技術(shù)做了一系列性能測試，包括對不同參數(shù)的電動增壓器，還有在變速變載荷工況下電動增壓器表現(xiàn)出的瞬態(tài)效果[4]。目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界對電動增壓器也做出了一定的研究，如天津大學(xué)的姚春德教授，其研究方向主要包括電動增壓器設(shè)計和改善柴油機動態(tài)工況等[5]。

在電動增壓器商用方面，很多供應(yīng)商也從預(yù)研邁向了設(shè)計開發(fā)這一步了，其中具有代表性的公司有法雷奧，博格華納和皮爾博格等，其開發(fā)的電動增壓器通常配合傳統(tǒng)渦輪增壓器，用于克服瞬態(tài)工況下的增壓遲滯。而Aeristech公司做的電動增壓功能更強大，可以在穩(wěn)態(tài)工作，能持續(xù)工作的電流和轉(zhuǎn)速也相當高，甚至可以通過單一的電動增壓滿足發(fā)動機動力性需求[6]，但尚仍處于小批量試用階段。一些整車廠也對這項技術(shù)表示感興趣，奧迪首款運用電動增壓器技術(shù)的SQ5也已經(jīng)正式批產(chǎn)了[7]。

基于當前電動增壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀，論文針對汽油機介紹了電動增壓技術(shù)的分類(包括電動渦輪增壓和電驅(qū)動壓氣機增壓，重點針對電驅(qū)動壓氣機增壓技術(shù)，分別對電動增壓器在發(fā)動機進氣路中安裝位置及其影響分析以及電動增壓器的電源和電機選擇及其影響進行了分析；提出電動增壓器的控制策略，最后通過聯(lián)合仿真驗證了電動增壓器對提升發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)性能的有效性。

1 電動增壓技術(shù)分類和比較

1.1 兩種電輔助增壓概念

電動增壓結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，根據(jù)電機的位置和作用將電動增壓器分為如下兩種:電驅(qū)動壓氣機增壓器和電動渦輪增壓器[8]。電驅(qū)動壓氣機結(jié)構(gòu)如圖1所示，電動增壓器與渦輪增壓器串聯(lián)，并與一個旁通閥并聯(lián)，電動增壓器工作時，旁通閥關(guān)閉，空氣經(jīng)過電動增壓器增壓進入發(fā)動機；電動增壓器不工作時，旁通閥打開。而電動渦輪增壓器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是：在發(fā)動機低速大負荷工況下，廢氣的能量不能產(chǎn)生足夠的增壓壓力，此時，電機充當電動機提供驅(qū)動力；在渦輪增壓過度時，電機充當發(fā)電機，將多余的能量轉(zhuǎn)化成電能。

圖1 電驅(qū)動壓氣機增壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the electrically driven compressor

圖2 電動渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the electrically turbocharger

1.2 兩種電輔助增壓比較

從如下幾個方面對兩種電輔助增壓概念做了比較：1) 能否提高發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能、拓寬壓氣機MAP的潛力，2) 轉(zhuǎn)子的慣性大小,3) 機械和熱負荷大小，4) 冷卻性能，5) 能量能否回收，6) 安裝的便利性。

相比于電動渦輪增壓機，電驅(qū)動壓氣機增壓器可以拓寬增壓特性圖，葉片轉(zhuǎn)動慣量小，而且機械和熱負荷也相對較低。兩者都需要更大的安裝空間或者其他零件。電驅(qū)動廢氣渦輪增壓器在可能量回收這一方面較有優(yōu)勢，但此功能比較復(fù)雜，其有效性仍需要驗證。因此博格華納更傾向于電驅(qū)動壓氣機增壓概念。目前，一些公司已經(jīng)對于這種電動增壓器的結(jié)構(gòu)形式做了很多研究了，比如法雷奧(electric supercharger)、博格華納(eBooster)、皮爾博格(electric air charger)等。

2 電動增壓器安裝位置影響分析

電動增壓器位于發(fā)動機的進氣端，與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)，所以電動增壓器安裝位置至少可以分為兩種，一種是將電動增壓器放置于渦輪增壓器前段，另一種是放置其后段。

法雷奧和皮爾博格針對電動增壓器安裝位置分析時考慮了以下幾種影響因素，并得到了相似的結(jié)論：1) 對于瞬態(tài)工況扭矩提升而言，電動增壓器安裝位置越靠近進氣歧管，其響應(yīng)性則越好。2) 對于安裝便利性，因為渦輪增壓器上游的管路比下游的管路長，所以渦輪增壓器上游安裝電動增壓器的自由度更高。3) 對于電動增壓器熱負荷而言，電動增壓器直接放置于渦輪增壓器之后的這種情況的熱負荷是最大的，直接放置于中冷器之后熱負荷最小。4) 對于渦輪增壓器的熱負荷而言，當新鮮空氣直接進入渦輪增壓器時，熱負荷是最小的，若是經(jīng)過電動增壓器增壓過的空氣再經(jīng)過渦輪增壓器，則渦輪增壓器的熱負荷會比較高。5) 對于對電動增壓器可能會產(chǎn)生的腐蝕而言，在電動增壓器直接放置于渦輪增壓器之后的這種情況下，其腐蝕性最高，放置于前腐蝕性最低，其次，放置后面，離得越遠，腐蝕性就越小。圖3是皮爾博格對電動增壓器各種布置位置的分析。

CharacteristicPosition4321Transientbehaviourofcombustionengine+++00Averagecompressorefficiency+++-0Enablerforemissionreduction+++0-Riskoffouting/corrosion/formationoftacquer0-+++Thermomechanicalstress0-+++

圖3 電動增壓器安裝位置效果對比
Fig.3 Comparison of locations of the electric supercharger

皮爾博格優(yōu)先選擇電動增壓器位于下游的布置方式。博格華納也做了大量類似的研究，選擇了將電動增壓器放在下游且位于中冷器上游的布置方式。

在整車應(yīng)用方面，使用法雷奧電動增壓的奧迪已經(jīng)將電動增壓技術(shù)應(yīng)用到其TDI型RS5試驗車上，其結(jié)構(gòu)位于二級渦輪增壓的下游，且也在中冷器的下游[9]。

3 電動增壓器電源和電機

博格華納、法雷奧和皮爾博格目前都提供有48V和12V兩種電壓配置的電動增壓器，相應(yīng)的，電池電壓越高，同等功率的情況下電路電流也就相對較低。由于電動增壓器的高功率，48V系統(tǒng)是首選。48V系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢：1) 電能回復(fù)快；2) 電機功率增加。Kazuhiro Nishiwaki等人對48V電壓做了有關(guān)研究得到：48V電壓不僅可以更快速的響應(yīng)，達到更高的壓比，而且連續(xù)工作的時間更長。此外，48V電動增壓器可以達到更高的功率，因此可以覆蓋更廣闊的壓氣機特性區(qū)域[10]。奧迪在其電動增壓器試驗車上配置48V電壓系統(tǒng)。如圖4所示，12V電池通過DC/DC給48V電池充電，由48V電池直接給電機供電。

圖4 12 V轉(zhuǎn)48 V系統(tǒng)電路Fig.4 Circuit of the 12 V/48 V system

電動增壓器需要在短時間內(nèi)迅速將發(fā)動機達到一個較高的增壓比，電機轉(zhuǎn)速相當高，所以必須選用高速電機。由于機械換向器高速時存在不穩(wěn)定性，使得這種電機不能作為電動壓氣機的驅(qū)動。因此，只有電控換向的電機適用于這種場合，比如永磁同步電機(PMSM),磁阻電機(SRM)或者異步電機(ASM)，如圖5所示。

永磁同步電機可以無損提供激勵磁場，所以效率比較高，而且對于空氣隙設(shè)計不敏感。它的缺點是即使沒有負荷，不斷的激勵也會產(chǎn)生干擾，而且會有渦流損耗。

開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。它的靜子線圈容易制造，能夠放置溝槽而跟靜子連接一起。它的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量非常低，所以可以在很短的時間內(nèi)到達一個較高的轉(zhuǎn)速。

鋁做的鼠籠型異步電機是相當穩(wěn)定的，制造方便，并且不需要特定的位置傳感器。但由于鼠籠上的電流而會產(chǎn)生熱量，所以這部分熱量需要有效控制。

法雷奧的電動增壓器采用的電機是開關(guān)磁阻電機，開關(guān)磁阻電機慣性較小，有助于提高響應(yīng)速度。皮爾博格的電動增壓器采用永磁同步電機，而博格華納的1代和2代電動怎gay器使用的電機都是交流異步電機。這幾種電機各有優(yōu)勢和缺點，具體選用哪個電機需要根據(jù)需求做出決定。

4 控制策略和仿真結(jié)果分析

4.1 電路保護控制策略

電動增壓器在啟動階段，由于電機需要在短時間內(nèi)快速達到一個很高的轉(zhuǎn)速，從而需要較大功率。電動增壓器在啟動階段，峰值電流可達到350 A，對應(yīng)的功率是4.2 kW(12 V)，這對電路安全造成很大威脅，因此需要考慮到電路的溫度過熱、電池壓降過高等問題。

基于電動增壓器的介入造成電路電壓大幅下降，S.George等人為此設(shè)計了電路隔離系統(tǒng)，在電動增壓器工作時，將電動增壓器和車上其他用電設(shè)備相互隔離，電動增壓器由車載電池供電，其他用電設(shè)備則由車上交流發(fā)電機供電。相反，當電動增壓器不工作時，車上其他用電設(shè)備完全由電池供電。

4.2 電動增壓器控制策略

電動增壓器工作原理決定它至少需要這兩個方面的控制：1.電機的轉(zhuǎn)速，2.旁通閥的開閉。在為了獲得最優(yōu)的性能，控制系統(tǒng)中必須要考慮必要的限制條件，包括電機轉(zhuǎn)速、電機溫度、電池SOC和系統(tǒng)壓降等。在電動增壓器系統(tǒng)中，當駕駛員通過踩踏板表示需要更多扭矩時，為了給電機提供即時的壓氣機速度需求，前饋控制可以克服系統(tǒng)內(nèi)部的滯后，提高響應(yīng)速度。但是前饋控制容易受到外界干擾的影響而導(dǎo)致控制不穩(wěn)定，因此前饋控制需要和反饋控制相結(jié)合，如圖6所示。

圖6 電動增壓控制策略Fig.6 Control strategy of the electric supercharger

當需求壓比高于實際壓比一定值時，電動增壓器旁通閥打開，根據(jù)折合流量和目標增壓壓比查MAP得到電動增壓器需求轉(zhuǎn)速，再加上壓比之差PID反饋控制轉(zhuǎn)速輸出給電機；否則，旁通閥打開，電機轉(zhuǎn)速維持怠速5000RPM。

另外，為了保證電機能夠安全工作且有較長的壽命，需要在某些情況使電動增壓器適當降低輸出，比如當電池的SOC低于某個閾值或者電動增壓器溫度高于某個閾值時，系統(tǒng)將逐步減少最終停止其工作。

4.3 電動增壓器仿真結(jié)果分析

根據(jù)前文提及的控制策略，通過基于GT-power和Matlab/simulink聯(lián)合仿真得到如圖7所示的結(jié)果。

(a)

(b)

當目標增壓壓力從1.2bar變成1.4bar時，在沒有電動增壓器的情況下，需要1.5s的時間才能達到目標增壓壓力，而在裝有電動增壓器的情況下，只需要0.1s即可達到目標增壓壓力，響應(yīng)性得到了很大提升，穩(wěn)態(tài)誤差也在合理范圍內(nèi)。

6 總結(jié)

(1) 電動增壓器分類有兩種，即電輔助壓氣機增壓器和電輔助渦輪增壓器。調(diào)研結(jié)果表明：從增壓效果、熱負荷、能量能否回收等方面相比較，特別是針對汽油機而言前者優(yōu)點更明顯，其應(yīng)用也更為廣泛。

(2) 電動增壓器在進氣管路中安裝位置有很多選擇，本文從提升發(fā)動機動態(tài)性能、安裝復(fù)雜性和增壓器熱負荷等方面做出了分析，具體采用哪種安裝位置需視具體需求而定；

(3) 由于電動增壓器工作轉(zhuǎn)速需求非常高，因此需要采用電控換向高速電機，如開關(guān)磁阻電機、永磁同步電機和交流異步電機。采用48V電池可以更好地發(fā)揮電動增壓器的效果。

(4) 對電動增壓器的控制包括其電機轉(zhuǎn)速和旁通閥的開閉控制，前者需要通過前饋預(yù)控和反饋聯(lián)合控制。此外，為了保證系統(tǒng)的安全，需要考慮電路溫度和電池SOC等因素，在必要的時候降級甚至完全停止電動增壓器的工作。通過這種控制方法進行仿真，仿真結(jié)果表明電動增壓器可以明顯提高增壓壓力的響應(yīng)速度。

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Research of the Electric Supercharger Technology of Vehicle Engine

XuWeiliang1LiLe1YuFan1LiuNing2
(1.SchoolofMechanicalEngineeringofShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240; 2.UnitedAutomotiveElectronicSystemsCo.,Ltd.Shanghai201206)

First, this article reviews the background, function, classification, package, and the current development situation of the electric supercharger. Focus on and analyse the package location and its effect based on the electrically driven compressor, and the influence of the battery and motor is also analysed. The response time is decreased and the system stability is enhanced due to the control strategy including the feed-forward and back-forward control of the speed of the electric supercharger; At last, the coupled simulation platform is built based on the software GT-POWER and Matlab/Simulink to realize control strategy，and the simulation results verify that the transient response is much improved and the steady error is acceptable.

Electric supercharger Control strategy Coupled simulation Transient response

1006-8244(2017)01-014-04

U464.135+.4

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