雷小軍

(上海大郡動(dòng)力控制技術(shù)有限公司1,上海 20111)

基于定點(diǎn)工作的增程器用電機(jī)系統(tǒng)性能優(yōu)化分析

雷小軍

(上海大郡動(dòng)力控制技術(shù)有限公司1,上海 20111)

為了改善增程式電動(dòng)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)需求功率及發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)特性合理配置增程器工作點(diǎn)。對(duì)ISG電機(jī)的采用無位置傳感器控制，適用性強(qiáng)且節(jié)省成本。通過實(shí)驗(yàn)分析比較增程器定點(diǎn)工作和連續(xù)工作下的油耗，兼顧動(dòng)力電池的使用壽命。本文采用三工作點(diǎn)的控制策略，三工作點(diǎn)可使發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)滿足不同功率需求條件下工作在高效區(qū)。

增程器 控制策略 工作點(diǎn) 無位置傳感器 滑模控制

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)城市發(fā)展過程中面臨著交通擁擠、能源危機(jī)、環(huán)境惡化等一系列問題。因此從城市發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度出發(fā)，新能源城市客車的發(fā)展意義重大[1-2]。純電動(dòng)城市客車是發(fā)展新能源城市客車最理想的選擇。該類型客車具有零排放、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是由于當(dāng)前電動(dòng)車用電池技術(shù)還不夠成熟，導(dǎo)致目前純電動(dòng)城市客車出現(xiàn)成本高、行駛里程短、路線適應(yīng)性差等一系列問題。為了解決純電動(dòng)城市客車所面臨的這些問題，近年來發(fā)展起來的增程式城市電動(dòng)客車被認(rèn)為是理想的解決方案。增程式客車是在純電動(dòng)客車總體結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)增程器而發(fā)展起來的。

增程式城市電動(dòng)客車由于具備增程器，續(xù)駛里程不受電池的限制，可以配置較小容量的電池，而且讓電池工作在淺充淺放的狀態(tài)，大大延長(zhǎng)電池的壽命。這樣就可以有效地解決因電池技術(shù)問題導(dǎo)致的純電動(dòng)客車?yán)m(xù)駛里程短、整車成本高、電池壽命短等問題[3-6]。在增程式電動(dòng)客車中，由于其增程器中的發(fā)動(dòng)機(jī)只發(fā)電，其工作點(diǎn)與車輛行駛工況關(guān)系不大，可以穩(wěn)定工作在燃油經(jīng)濟(jì)性最好、排放最低的狀態(tài)，從而在節(jié)油的同時(shí)，獲得最好的減排效果。

1 增程器系統(tǒng)

1.1 增程式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

增程式電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，動(dòng)力系統(tǒng)由增程器(APU：由發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG構(gòu)成)總成、牽引電機(jī)(TM)總成、儲(chǔ)能單元(動(dòng)力電池)及整車控制器(VCU)構(gòu)成[7-8]。

圖1 增程式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 APU Architecture

1.2 增程器匹配

增程器的匹配主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率選擇。在增程器啟動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不僅需要能夠滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率需求，也要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作區(qū)域與發(fā)電機(jī)的高效區(qū)相匹配，以保證高的能量轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)GBT19754的城市公交工況分析，城市公交車行駛的平均車速約為17 km/h，按照12米公交車整車質(zhì)量17噸計(jì)算汽車牽引力

牽引力計(jì)算公式：

(1)

F：汽車牽引力，F(xiàn)f：滾動(dòng)阻力，F(xiàn)w：空氣阻力，F(xiàn)i：坡度阻力，F(xiàn)j：加速阻力。

平均功率計(jì)算公式:

(2)

P:汽車平均需求功率，V:汽車行駛速度，t:汽車行駛時(shí)間

根據(jù)以上公式和城市公交工況數(shù)據(jù)計(jì)算求得平均需求功率為19.86 kW,在考慮到空調(diào)及其他高壓用電設(shè)備，APU最佳工作功率的20-32 kW范圍較好。因此選用的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)特性及基本參數(shù)，如表1:

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)表

表2 ISG電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)表

圖2 ISG電機(jī)效率MAP圖(發(fā)電)Fig.2 ISG electric motor efficiency map

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗MAP圖Fig.3 Engine fuel consumption map

2 啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)ISG控制

ISG電機(jī)采用永磁磁阻同步電機(jī)，因其主要用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電兩種模式，對(duì)其控制的安全性要求相對(duì)較低，又因位置傳感器的使用條件要求較高且增加成本。在此對(duì)其使用無位置傳感器控制，其控制方法多樣，在永磁同步電機(jī)低速時(shí)，控制是一種比較簡(jiǎn)單且有效的控制方式。在高速時(shí)，其控制方法多樣，如反電勢(shì)觀測(cè)法、反電勢(shì)積分法、基于永磁同步電機(jī)凸極效應(yīng)的高頻注入法、基于狀態(tài)觀測(cè)器的自適應(yīng)觀測(cè)器、卡爾曼濾波器、變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器等。

永磁同步電機(jī)的控制框圖如圖4所示。電機(jī)低速啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)均處在1位置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電流閉環(huán)，速度外環(huán)由位置角發(fā)生器替代。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，將開關(guān)均切換到2階段，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。但在從速度開環(huán)電流閉環(huán)的加速運(yùn)行狀態(tài)切換到速度電流雙閉環(huán)的矢量控制運(yùn)行狀態(tài)，需要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程，稱為狀態(tài)切換過程，切換過程若控制不好，會(huì)導(dǎo)致電流和轉(zhuǎn)矩的瞬間波動(dòng)，不利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。狀態(tài)切換過程控制采用相關(guān)論文中的方法，如文獻(xiàn)[9]中采用iq器，文獻(xiàn)[10]中采用加權(quán)系數(shù)修正轉(zhuǎn)子位置角等過程切換方法。

圖4 矢量控制結(jié)構(gòu)框圖

3 增程器定點(diǎn)工作和連續(xù)工作比較

關(guān)于增程器的控制策略，國(guó)內(nèi)外較早的研究包括啟停式和功率跟隨式控制策略[11-12]。啟停式增程器控制策略是根據(jù)動(dòng)力電池SOC的狀態(tài)決定增程器的啟停，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在恒定轉(zhuǎn)速點(diǎn)，這種控制策略較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是效率較低；功率跟隨式增程器控制策略是根據(jù)車輛的功率需求實(shí)時(shí)調(diào)整增程器的輸出功率，減少動(dòng)力電池的充放電，這種控制策略對(duì)提高動(dòng)力電池的壽命非常有利，但是沒有實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)盡量工作在高效區(qū)。

圖5為功率跟隨式控制策略下最佳燃油消耗點(diǎn)圖，臺(tái)架匹配標(biāo)定測(cè)試的APU系統(tǒng)油耗MAP圖：

圖5 APU系統(tǒng)油耗MAP圖Fig.5 APU system fuel consumption map

為了比較定點(diǎn)工作和連續(xù)工作的油耗，在此求出不同工作形式的平均油耗進(jìn)行比較，平均油耗計(jì)算公式：

(3)

N(i):工作在第i個(gè)工作點(diǎn)處的個(gè)數(shù)，Woil(i):第i個(gè)工作點(diǎn)出的油耗。如圖中數(shù)字210表示每產(chǎn)生1 kWh電耗油210 g，圖中標(biāo)有11個(gè)工作點(diǎn)，根據(jù)GBT19754的城市公交工況數(shù)據(jù)可以求得每個(gè)時(shí)刻的功率，將此功率歸類到各工作點(diǎn)上。通過上式求得連續(xù)工作的平均油耗為229 g/kWh。當(dāng)采用啟停式控制策略時(shí)，平均油耗為203 g/kWh左右。

因此，啟停式控制要比功率跟隨式控制策略油耗較低。但由于啟停式控制策略使電池經(jīng)常大電流充放電，對(duì)電池壽命不利。

4 增程器三工作點(diǎn)控制策略

增程式電動(dòng)汽車采用定點(diǎn)控制策略，該控制策略是使增程器在高效率區(qū)內(nèi)工作并輸出恒定功率以滿足車輛行駛需求，若輸出功率大于需求功率則為動(dòng)力電池充電。這種控制策略控制過程簡(jiǎn)單且易于工程實(shí)現(xiàn)，避免跟隨車輛功率需求變化而導(dǎo)致效率低下，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。

本文采用增程器多工作點(diǎn)控制策略，主要目的是使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在效率較高的幾個(gè)不同功率輸出點(diǎn)，根據(jù)車輛不同的功率需求調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。這樣既能避免在定點(diǎn)控制策略下輸出功率大大超過需求功率，并無法調(diào)整輸出功率而導(dǎo)致不必要的燃料消耗的缺點(diǎn)，又能防止增程器輸出功率設(shè)定較高導(dǎo)致的整車噪音較大等方面的不足。

對(duì)于多工作點(diǎn)控制策略，較多的工作點(diǎn)可以減少增程器的多余輸出功率，但過多的工作點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致控制過程復(fù)雜，并且過于頻繁地切換工作點(diǎn)也不利于降低油耗。考慮到在通常情況下汽車爬陡坡或急加速的時(shí)間并不長(zhǎng)。因此，在汽車爬陡坡和急加速需要的高功率完全可以暫時(shí)由動(dòng)力電池提供。綜合考慮，采用三工作點(diǎn)，根據(jù)輸出功率的不同，按從小到大順序分別記為Plow、Pmid、Phigh。發(fā)動(dòng)機(jī)Phigh點(diǎn)選取主要考慮汽車高速行駛時(shí)的功率需求，不考慮短時(shí)急加速和爬陸坡等因素的影響；而Plow和Pmid點(diǎn)的選取主要考慮汽車在市區(qū)和市郊較低速及高車速行駛的功率需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)切換的條件是汽車行駛的車速，通過對(duì)比汽車當(dāng)前的車速與切換限值，在發(fā)動(dòng)機(jī)的三個(gè)工作點(diǎn)間進(jìn)行切換?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的改變具有一定的慣性，為了避免因需求功率的劇烈變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)頻繁切換工作點(diǎn)，本文在相鄰兩個(gè)工作點(diǎn)的切換限值之間設(shè)定了一個(gè)差值。

增程器三工作點(diǎn)控制策略的控制規(guī)則如下：

1)根據(jù)動(dòng)力電池荷電狀態(tài)SOC確定增程器的幵關(guān)狀態(tài)，設(shè)定增程器開啟點(diǎn)參數(shù)SOClow=0.23，關(guān)閉點(diǎn)參數(shù)SOChigh=0.55；

2)當(dāng)車速提高時(shí)，由Plow向Pmid切換的車速限值up_1=45 km/h，由Pmid向Phigh切換的車速限值為up_2=85 km/h；

3)當(dāng)車速降低時(shí)，由Phigh向Pmid切換的車速限制為down_2=85 km/h，由Pmid向Plow切換的車速限值為down_1=45 km/h。

本課題選取的三個(gè)工作點(diǎn)如圖5上的三個(gè)星號(hào)位置處，根據(jù)公交工況求得平均油耗為209 g/kWh，比單工作點(diǎn)油耗稍多，但其對(duì)動(dòng)力電池的壽命有很大好處且也可選取稍小容量動(dòng)力電池，節(jié)省成本。

5 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，根據(jù)功率需求合理選用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)配置增程器。對(duì)電機(jī)實(shí)行無位置傳感器控制，控制精確且適用性良好，節(jié)省成本。對(duì)增程器進(jìn)行定點(diǎn)工作和連續(xù)工作油耗仿真實(shí)驗(yàn)，定點(diǎn)工作時(shí)可使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，兼顧對(duì)動(dòng)力電池壽命的影響，采用三工作點(diǎn)控制策略，在滿足功率需求的條件下使得燃油消耗更小，并且對(duì)電池壽命損害更小。

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Performance Analysis and Optimization of APU Used Electric Motor System Based on Fixed Point Operation

DanielLei

(ShanghaiDajunTechCo.,Ltd,Shanghai201112)

In order to improve the fuel economy of the extended range electric vehicle, the operating point is reasonably configured according to the demand power and the engine and motor characteristics. The use of ISG motor without position sensor control is beneficial for applicability and cost saving. Through the experimental analysis of variable range of fixed-point work and continuous work, taking into account the battery life, the fuel consumptions are compared. In this paper, three operating point of the control strategy is used, the three working points can make the engine work in the efficient area to meet the different power requirements.

range extender control strategy working point position sensorless sliding mode control

1006-8244(2017)02-013-05

1項(xiàng)目資助:本論文受上海張江國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項(xiàng)發(fā)展資金項(xiàng)目201505-MH-CHJ-C104-007支持

U463.23+4.7

B