邊浩然，徐正飛，曾繁琦，資新運(yùn)，張英鋒

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

● 車輛工程VehicleEngineering

基于ISG的軍用混合動(dòng)力車輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能仿真

邊浩然1，徐正飛2，曾繁琦1，資新運(yùn)2，張英鋒2

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

為研究軍用混合動(dòng)力車輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能，針對(duì)基于啟動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)(ISG)的混合動(dòng)力車輛，建立氣壓差阻力矩和活塞慣性阻力矩?cái)?shù)學(xué)模型；通過(guò)分析三相永磁同步電機(jī)矢量控制原理，建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型；以Simulink為仿真平臺(tái)，搭建基于ISG的混合動(dòng)力車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模型，得出了啟動(dòng)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩的變化情況和轉(zhuǎn)速變化曲線。仿真結(jié)果表明，所采用的ISG電機(jī)及控制策略滿足發(fā)動(dòng)機(jī)快速穩(wěn)定啟動(dòng)的要求。

Simulink；啟動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)；混合動(dòng)力；啟動(dòng)性能

Abstract: To study the start-up performance of military hybrid vehicle engine, the paper firstly establishes mathematical models of pressure difference resistance moment and piston inertia resistance moment according to hybrid vehicle based on ISG. Then, it establishes a motor mathematical model by analyzing vector control principle of three-phase permanent magnet synchronous motor (PMSM). Finally, it sets up an engine start-up model of hybrid vehicle based on ISG with Simulink as simulation platform, and obtains the changing situation of resistance moment and rotation change curve. The simulation result shows that the ISG and its control strategy can meet the requirements of engine starting quickly.

Keywords: Simulink; integrated starter/generator (ISG); hybrid; start-up performance

基于啟動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)(integrated starter/generator，ISG)的混合動(dòng)力車輛通過(guò)怠速啟停、電動(dòng)助力、制動(dòng)能量回收等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化排放、降低燃油消耗率的目的[1-2]。軍用車輛是軍隊(duì)重要機(jī)動(dòng)平臺(tái)，戰(zhàn)時(shí)油料需求巨大。開發(fā)基于ISG的軍用混合動(dòng)力車輛有利于降低單車燃油消耗，減輕油料保障壓力，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

怠速啟停技術(shù)是指停車時(shí)，控制器分析車輛狀態(tài)、駕駛員動(dòng)作意圖，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，自動(dòng)關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)，取消其怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)油的目的。傳統(tǒng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)噴油轉(zhuǎn)速較低，達(dá)到噴油轉(zhuǎn)速后，通過(guò)加濃噴油的方式使發(fā)動(dòng)機(jī)快速達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速；而混合動(dòng)力車輛通過(guò)ISG提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，取消加濃噴油過(guò)程，從而優(yōu)化了啟動(dòng)過(guò)程排放[3-4]。發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)不能影響駕駛員正常駕駛，因此要求發(fā)動(dòng)機(jī)能夠快速啟動(dòng)，一般為0.5 s。李紅朋等[5]分析了基于ISG的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程阻力，討論了電機(jī)控制策略，并進(jìn)行了仿真，但仿真過(guò)程將發(fā)動(dòng)機(jī)阻力設(shè)為定值，未體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程阻力矩的動(dòng)態(tài)變化。田碩[6]分析了ISG柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力矩，并進(jìn)行了理論與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，但未對(duì)活塞的慣性阻力矩進(jìn)行分析，且推導(dǎo)過(guò)程較為簡(jiǎn)略。

本文分析了基于ISG的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力矩，并在仿真中建立了啟動(dòng)阻力矩動(dòng)態(tài)模型，力求仿真結(jié)果更接近真實(shí)情況。

1 動(dòng)力系統(tǒng)方案

基于ISG的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)，整體方案如圖1所示，主要包括ISG電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器等，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與ISG轉(zhuǎn)子剛性連接，同速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)整體方案

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程為啟動(dòng)電機(jī)克服發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩做功，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速帶至啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。因此啟動(dòng)過(guò)程主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)阻力分析和ISG電磁轉(zhuǎn)矩控制。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程阻力分析

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的阻力組成復(fù)雜，文獻(xiàn)[5]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，研究了汽缸壓縮阻力、活塞環(huán)摩擦阻力、活塞裙部摩擦阻力、氣門機(jī)構(gòu)摩擦阻力、活塞往復(fù)慣性力以及附屬部件運(yùn)行阻力，得出了啟動(dòng)過(guò)程各部分阻力作用在曲軸上的總阻力矩為T=f(α，ω),其中，α為曲軸轉(zhuǎn)角，ω為曲軸轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力矩包括摩擦力矩Τf、氣壓差力矩Tgas、慣性力阻力矩Ts。簡(jiǎn)化后發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力分析

圖中，v和ω分別為該時(shí)刻活塞運(yùn)動(dòng)速度和曲軸角速度，Τf為摩擦力矩，P1為汽缸內(nèi)空氣壓力，P0為大氣壓力，G為活塞自身重力，F(xiàn)1為連桿作用于活塞銷的力，α、β分別為連桿與曲柄轉(zhuǎn)角。

2.1摩擦力矩

摩擦力矩包括活塞與汽缸壁之間的摩擦力、連桿與活塞銷間的摩擦力、曲軸與連桿間摩擦力、氣門凸輪機(jī)構(gòu)摩擦力，以及附屬部件如空調(diào)壓縮機(jī)、水泵等產(chǎn)生的摩擦力矩等。對(duì)于啟動(dòng)電機(jī)，上述摩擦阻力矩可轉(zhuǎn)化到曲軸上，合成與曲軸轉(zhuǎn)速方向相反的阻力矩Tf。根據(jù)已有研究，摩擦阻力矩為轉(zhuǎn)速的二次多項(xiàng)式[6-7]，且隨溫度下降，摩擦阻力矩增大。

考慮到摩擦部件數(shù)量大、種類多，且模型中存在大量不易測(cè)得的系數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型復(fù)雜且不準(zhǔn)確，該摩擦力矩可通過(guò)特定條件下的倒拖試驗(yàn)獲得。

2.2氣壓差力矩

如圖3所示，對(duì)于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，曲柄轉(zhuǎn)角互差180°，任意時(shí)刻均存在進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣4個(gè)進(jìn)程，需要說(shuō)明的是，此時(shí)的做功行程為被壓縮的空氣做功，而非燃?xì)狻?/p>

圖3 氣壓差阻力矩分析

對(duì)于啟動(dòng)壓差阻力矩，由于進(jìn)氣與排氣兩個(gè)沖程汽缸內(nèi)空氣壓力變化較小，因此只對(duì)壓縮和做功兩個(gè)沖程的汽缸壓力進(jìn)行分析。

汽缸內(nèi)空氣滿足氣體狀態(tài)方程：

(1)

式中：Va為汽缸總?cè)莘e；V(α)為汽缸瞬時(shí)容積；k為絕熱系數(shù)。

由圖3所示發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程幾何關(guān)系可知，汽缸瞬時(shí)容積滿足下式：

V(α)=Vc+S·x(α)

(2)

(3)

式中：Vc為燃燒室容積；S為汽缸橫截面積；x(α)為活塞由上止點(diǎn)向下走過(guò)的距離；R為汽缸半徑；L為活塞行程。

因此，氣壓差阻力矩為

Τgas(α)=Tgas壓(α)+Tgas功(α)=

Tgas壓(α)+Tgas壓(α+π)=

(P1(α)-P0)S·R·K(α)+

(P1(α+π)-P0)S·R·K(α+π)

(4)

式中：K(α)為轉(zhuǎn)換系數(shù)：

(5)

考慮發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)汽缸漏氣情況，仿真時(shí)可令壓縮比小于理論值。實(shí)際上漏氣與散熱過(guò)程是持續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程，單汽缸的一個(gè)工作循環(huán)中，做功沖程空氣膨脹對(duì)曲軸的助力矩應(yīng)小于活塞位于相同位置氣體被壓縮時(shí)對(duì)曲軸的阻力矩，考慮啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間短、轉(zhuǎn)速快，故對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。

2.3慣性力矩

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)慣性力矩包括活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)慣性力作用于曲軸上的力矩Ts1、曲軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩Ts2，以及凸輪、水泵等部件的運(yùn)動(dòng)慣性力。對(duì)于凸輪、水泵等部件，其慣性力較小，此處只對(duì)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力和曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力進(jìn)行分析。

2.3.1 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力矩

(a)活塞下行 (b)活塞上行圖4 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力分析

對(duì)于圖4(a)活塞運(yùn)動(dòng)方向情況，有

(6)

圖4(b)則有

(7)

考慮曲軸轉(zhuǎn)角α，注意到，圖4(a)中sinα>0，圖4(b)中sinα<0，則式(6)和式(7)可歸納為

(8)

在Simulink模型中，可利用Switch模塊實(shí)現(xiàn)比較輸出。

則活塞i的運(yùn)動(dòng)慣性力作用于曲軸的慣性阻力矩為

(9)

因此，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性阻力矩為

(10)

2.3.2 曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩

曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩可根據(jù)式(10)求得

(11)

由于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為常量，且曲軸轉(zhuǎn)速與ISG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致，故仿真時(shí)可將曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)化到ISG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上，簡(jiǎn)化仿真模型。

2.4合阻力矩

根據(jù)以上分析，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的阻力矩為

T=Tf+Tgas+Ts

(12)

慣性阻力矩Ts分為活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)阻力矩Ts1和曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性阻力矩Ts2，在Simulink仿真時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性阻力矩體現(xiàn)在將曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加到啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上，故作為負(fù)載輸入電機(jī)模型的阻力矩為

T'=Tf+Tgas+Ts1

(13)

3 ISG矢量控制數(shù)學(xué)模型

ISG選取面裝式三相交流永磁同步電機(jī)。永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，省去了勵(lì)磁繞組，因而在電動(dòng)和發(fā)電兩種狀態(tài)下效率更高，且避免了勵(lì)磁繞組發(fā)熱，使電機(jī)的工作條件更廣。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制方法一般為矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，本文選取基于轉(zhuǎn)子定向的矢量控制方法。

3.1矢量控制原理

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，其轉(zhuǎn)矩控制是轉(zhuǎn)速、位置等控制的核心內(nèi)容，定、轉(zhuǎn)子通過(guò)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算式[8]為

Te=p0×ψf×is=p0·|ψf|·|is|·sinγ

(14)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p0為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；ψf為永磁體磁鏈?zhǔn)噶?；is為定子繞組磁鏈?zhǔn)噶?；γ為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶繆A角。

由式(14)可知，只需控制定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)及磁場(chǎng)夾角即可控制電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁體建立，在電機(jī)制成后基本不變，因此需控制定子繞組磁場(chǎng)及其與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)夾角。

3.2坐標(biāo)變換

面裝式永磁同步電機(jī)氣隙均勻可忽略磁阻轉(zhuǎn)矩， 軸電壓方程為

(15)

式中：ud、uq、id、iq分別為d、q軸電壓、電流；ωe為轉(zhuǎn)子電角速度,ωe=p0ωm，ωm為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸電壓通過(guò)坐標(biāo)變換即可求出定子三相電壓，即

(16)

3.3電機(jī)控制策略

對(duì)于面裝式永磁同步電機(jī)，因忽略磁阻轉(zhuǎn)矩，故id=0，控制策略與最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略相同，此時(shí)γ=π/2，定子電流全部用來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。則d,q軸電壓為

(17)

式中：R為定子相繞組電阻；Lq為q軸電感。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)Simulink模型

Simulink是一個(gè)基于Matlab的進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真分析的集成軟件包，通過(guò)鼠標(biāo)交互式建模，系統(tǒng)各部分模塊化集成，模塊功能及信號(hào)連接關(guān)系可視化，使得控制系統(tǒng)邏輯清晰，方便檢查。

4.1模型搭建

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模型主要包括電源模塊、三相永磁同步電機(jī)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩模塊、轉(zhuǎn)速PI控制模塊以及電流PI控制模塊。發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)部分參數(shù)見表1、表2

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)部分參數(shù)

表2 ISG部分參數(shù)

搭建仿真模型如圖6所示，電機(jī)控制采用空間矢量脈寬調(diào)制的控制方式，具有抑制諧波、減小電機(jī)脈動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。忽略阻尼，電機(jī)初始速度為零。

4.2仿真結(jié)果

根據(jù)搭建的Simulink仿真模型，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速為Nr=600 r/min。圖7所示為啟動(dòng)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩、曲軸轉(zhuǎn)速變化圖。系統(tǒng)用時(shí)0.52 s發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，滿足ISG混合動(dòng)力車輛啟動(dòng)的要求。啟動(dòng)過(guò)程中氣壓差阻力矩和慣性阻力矩呈周期波動(dòng)，引起啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)Simulink仿真模型

(a)阻力矩

(b)曲軸轉(zhuǎn)速圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程仿真結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力，建立了氣壓差阻力矩、活塞慣性阻力矩?cái)?shù)學(xué)模型；而后介紹了三相永磁同步電機(jī)矢量控制原理，建立了電機(jī)數(shù)學(xué)模型；最后結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG部分參數(shù)，以Simulink為仿真平臺(tái)，搭建了基于ISG的混合動(dòng)力車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模型，得出了啟動(dòng)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩的變化情況和轉(zhuǎn)速變化曲線。分析結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的基于ISG電機(jī)的啟動(dòng)系統(tǒng)可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)過(guò)程中氣壓差阻力矩以及活塞慣性阻力矩可引起轉(zhuǎn)速明顯波動(dòng)。

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(編輯：張峰)

Start-upPerformanceSimulationofMilitaryHybridVehicleEngineBasedonISG

BIAN Haoran1, XU Zhengfei2, ZENG Fanqi1, ZI Xinyun2, ZHANG Yingfeng2
(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.09.008

U464．142

A

1674-2192(2017)09- 0030- 05

2017-03-16；

2017-04-17．

邊浩然(1979—)，男，碩士研究生；資新運(yùn)(1971—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師．