張?zhí)m紅，呂中正，2，黃陳桃，陳永樓

（1.鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051；2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇友和動力機械有限公司，江蘇鹽城 224031）

目前純電動汽車存在一次充電續(xù)行里程短、充電樁少、充電時間長等問題，這些問題容易導(dǎo)致電動汽車駕乘人員產(chǎn)生里程焦慮[1-2]，為了解決電動汽車的里程焦慮問題，加裝了增程器的電動汽車成為了電池技術(shù)突破之前由傳統(tǒng)燃油汽車向純電動汽車過渡的理想車型[3-6]。

增程器工作時首先需要完成啟動，然后才能對外發(fā)電。增程器由發(fā)動機、起動/發(fā)電電機(Integrated Starter and Generator，ISG)和控制器組成，其啟動是指發(fā)動機在ISG 電機電動狀態(tài)驅(qū)動下，由靜止到達(dá)點火速、再反過來拖動電機發(fā)電的過程[7]。增程器啟動過程中涉及到ISG 電機和發(fā)動機兩個部件的起動及相互之間的配合，增程器的順利啟動對于增程式電動汽車的安全運行至關(guān)重要，因此增程器啟動技術(shù)一直是研究人員的關(guān)注重點[5-8]。

1 帶有增程器的電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的帶有增程器的電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[7]。在車載蓄電池電量充足時，由蓄電池給主驅(qū)動電機供電；在蓄電池電量不足時，增程器充當(dāng)輔助發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)直流母線給主驅(qū)動電機供電，使汽車?yán)^續(xù)保持強勁的行駛動力，同時給蓄電池充電，有效延長電動汽車行駛里程和蓄電池壽命。

圖1 帶有增程器的電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1 可知，增程器由發(fā)動機、ISG 電機和控制器組成。發(fā)動機是動力源，但發(fā)動機起動時，首先必須由外力將它拖動到點火速度，然后才可以自主旋轉(zhuǎn)，向外輸出轉(zhuǎn)矩，帶動電機發(fā)電。增程器發(fā)動機通常選擇單活塞轉(zhuǎn)子或兩缸汽油機[9]。

ISG 電機在增程器啟動時處于電動狀態(tài)，將蓄電池電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，拖動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)到點火速度；在發(fā)動機到達(dá)點火速度后，ISG 電機轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，由發(fā)動機帶動它旋轉(zhuǎn)發(fā)電，經(jīng)控制器向直流母線供電。由于增程器安裝在汽車內(nèi)部，因此對電機的體積、重量與可靠性要求較高。無刷直流電機具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、慣量小、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定等優(yōu)點，成為增程器ISG 電機的較優(yōu)選擇[9]。

2 無刷直流電機的準(zhǔn)閉環(huán)起動

為了簡化工藝，增加抗干擾能力，無刷直流電機采用無位置傳感器技術(shù)。電機在正常運轉(zhuǎn)時通過反電勢過零信號獲取轉(zhuǎn)子換相位置[10]。但在啟動時，電機靜止或低速運行，反電勢信號為零或很小，無法根據(jù)反電勢過零信號來判斷轉(zhuǎn)子換相位置。增程器中的無刷直流電機起動時，需要克服發(fā)動機不斷變化的起動阻轉(zhuǎn)矩，若采用傳統(tǒng)三段式啟動方法[11-13]將難以可靠地保證完成起動發(fā)動機的任務(wù)。

針對增程器中無刷直流電機的啟動，該文提出一種準(zhǔn)閉環(huán)起動方法：先利用定子繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律，通過施加定子脈沖電壓矢量、比較母線電流的方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子定位和準(zhǔn)閉環(huán)加速，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速加速到一定值時，再切換到根據(jù)反電勢過零點判斷轉(zhuǎn)子位置的狀態(tài)。

2.1 基于定子繞組電感變化的轉(zhuǎn)子定位原理

無刷直流電機主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，圖中六個功率開關(guān)T1-T6 有三三導(dǎo)通和兩兩導(dǎo)通兩種方式，兩種方式下主電路等效電路如圖2(b)所示[14]。

圖2 無刷直流電機主電路及等效電路

圖2(b)中等效電路的電壓方程為：

式（1）中，Ud、id為直流母線電壓與電流，Rs、Ls與es為定子繞組的等效電阻、電感與反電勢。在電機靜止和低轉(zhuǎn)速情況下，es可忽略，式(1)可簡化為：

直流母線電流id為：

式（3）中，τ=Ls/Rs，對式（3）進(jìn)行泰勒級數(shù)分解，得到id的一次項為：

設(shè)定子繞組匝數(shù)為N，電機磁導(dǎo)為Λm，電感Ls與定子磁導(dǎo)Λm的關(guān)系為：

式（5）中，Λm=μFeA/l，μFe為定子鐵芯磁導(dǎo)率，A為磁路截面積，l為磁路長度。由式（4）和（5）可知，母線電流id與電機等效電感Ls成反比，即和磁導(dǎo)率μFe成反比。若在同樣時間內(nèi)在定子繞組上施加一系列幅值相等而方向不同的脈沖電壓矢量，母線電流id幅值就不一樣，當(dāng)所施加的電壓矢量方向和轉(zhuǎn)子N極方向相同時，磁路最飽和，磁導(dǎo)率最小，對應(yīng)的電感值最小，母線電流峰值將達(dá)到最大值[14]。通過在定子繞組施加短時脈沖電壓矢量，在轉(zhuǎn)子沒有旋轉(zhuǎn)的情況下，檢測母線電流峰值，可以判斷出轉(zhuǎn)子的初始位置。

2.2 轉(zhuǎn)子初始位置的確定

圖2(a)所示電路中，T1-T6 兩兩導(dǎo)通時有六種有效開關(guān)狀態(tài)，用電壓矢量V1-V6表示；T1-T6 三三導(dǎo)通時也有六種有效開關(guān)狀態(tài)，用電壓矢量V1s-V6s表示。將功率開關(guān)T1-T6 的導(dǎo)通和關(guān)斷分別用1 和0 表示。T1-T6 兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通時共有12 個電壓矢量，在αβ平面內(nèi)如圖3 所 示，其 中，12 個電壓矢量可將αβ平面等分為Ⅰ-Ⅻ共12 個區(qū)間，每個區(qū)間為30°。

圖3 電壓矢量在αβ平面內(nèi)的分布圖

電機正常旋轉(zhuǎn)時若施加Vn后轉(zhuǎn)子可以剛好轉(zhuǎn)到下一次導(dǎo)通的換相位置，便于加速控制，若施加Vns后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到離換相點30°的位置[14]，因此選擇施加三三導(dǎo)通電壓矢量Vns來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的定位，選擇兩兩導(dǎo)通電壓矢量Vn來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的加速與旋轉(zhuǎn)。為了減小轉(zhuǎn)子在大起動負(fù)載下的轉(zhuǎn)動角度，采用三步定位法：

步驟1：60°范圍預(yù)定位。為在轉(zhuǎn)子定位時僅檢測母線電流脈沖大小，而不使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，施加三三導(dǎo)通短時 電壓矢 量脈沖：V1s→V4s→V2s→V5s→V3s→V6s，脈沖時長小于電路時間常數(shù)，上述電壓矢量作用后對應(yīng)的母線電流分別為I1、I4、I2、I5、I3、I6。定子磁勢Fs離轉(zhuǎn)子N 極越近，母線電流峰值越大。找出I1-I6中峰值的最大值，就可以確定轉(zhuǎn)子N 極。

步驟2：30°范圍預(yù)定位。若階段1 定位只有一個電流為最大值，此時需要繼續(xù)定位。以I1最大為例，比較V1s相鄰的V2s和V6s所對應(yīng)的母線電流I2和I6：若I2=I6，轉(zhuǎn)子N 極在V1s矢量方向上；若I2＜I6，則轉(zhuǎn)子N極 處于區(qū)間XII 內(nèi)；若I2＞I6，則轉(zhuǎn) 子N 極 處于區(qū)間I內(nèi)。以此類推可得轉(zhuǎn)子所在區(qū)間與母線峰值電流的對應(yīng)關(guān)系。

步驟3：精確定位。預(yù)定位完成后，根據(jù)轉(zhuǎn)子所在區(qū)間施加表1 所示兩兩導(dǎo)通的電壓矢量對轉(zhuǎn)子進(jìn)行精確定位。如轉(zhuǎn)子在扇區(qū)Ⅰ或Ⅱ，施加足夠大的電壓矢量V1(100001)，將轉(zhuǎn)子強拉至V1方向，為轉(zhuǎn)子的加速提供準(zhǔn)確的初始位置。

表1 轉(zhuǎn)子所在區(qū)間與所施加的電壓矢量對應(yīng)表

采用短時脈沖電壓矢量實現(xiàn)轉(zhuǎn)子定位，保證了定位階段轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的最大角度不超過30°，保證在帶載情況下定位成功。

2.3 轉(zhuǎn)子準(zhǔn)閉環(huán)加速

在轉(zhuǎn)子位置確定后，需要按照一定規(guī)律給定子繞組通電，驅(qū)動電機加速旋轉(zhuǎn)，保證起動成功，該文在加速過程中采用交替施加兩兩導(dǎo)通與三三導(dǎo)通脈沖電壓矢量，其中兩兩導(dǎo)通電壓矢量設(shè)為長時脈沖，用于換相與加速，三三導(dǎo)通脈沖電壓矢量設(shè)為短時脈沖，用于定位，便于實時根據(jù)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行加速過程中的換相。短時脈沖時間寬度小于等效電路的時間常數(shù)，長時脈沖時間寬度為等效電路的時間常數(shù)的2～3 倍[14]。

用圖4 來說明長時與短時脈沖電壓矢量作用下的轉(zhuǎn)子準(zhǔn)閉環(huán)加速過程。圖4(a)中轉(zhuǎn)子初始位置位于XII 區(qū)間，設(shè)電機逆時針旋轉(zhuǎn)，給電機施加長時脈沖電壓矢量V2，隨后加短時脈沖電壓矢量V1s和V2s，比較母線電流I1和I2，即可檢測出轉(zhuǎn)子位置。設(shè)ΔI為換相電流閾值，若|I1-I2|＞|ΔI|說明還未到換相位置，繼續(xù)施加該區(qū)間的加速脈沖。當(dāng)電流差值滿足|I1-I2|≤|ΔI|時，說明轉(zhuǎn)子已到達(dá)圖4(b)所示的V1矢量方向，改為施加長時脈沖電壓矢量V3，繼續(xù)加速。通過判斷與一對短時脈沖電壓矢量相對應(yīng)的電流峰值之差是否小于電流閾值，從而判斷電機是否達(dá)到換相條件，實現(xiàn)電機加速過程中實時進(jìn)行準(zhǔn)閉環(huán)換相，提高帶載加速過程中換相的成功率。

圖4 轉(zhuǎn)子準(zhǔn)閉環(huán)加速過程中的定位示意圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子加速到一定速度后，將切換到自同步運行狀態(tài)，電機運行于兩兩導(dǎo)通方式，根據(jù)反電勢過零點來獲取電機換相點，實現(xiàn)電機的無位置傳感器運行。

3 環(huán)境溫度對增程器發(fā)動機起動的影響及優(yōu)化

增程器啟動時，若外界環(huán)境溫度過低，會導(dǎo)致發(fā)動機無法點火，導(dǎo)致增程器啟動失敗。外界環(huán)境溫度對增程器發(fā)動機起動的影響為[15-16]：

機體溫度過低。發(fā)動機在運行前機體溫度與外界環(huán)境溫度一致，如果外界溫度過低，混合氣體在接觸缸壁后將變冷，使得燃油混合氣體質(zhì)量降低，導(dǎo)致增程器啟動失敗。

進(jìn)氣溫度過低。進(jìn)氣氣體包括氧氣和可燃?xì)怏w，環(huán)境溫度過低導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動機氣缸的氣體溫度降低，無法達(dá)到燃燒溫度，導(dǎo)致增程器啟動失敗。

(1)算法針對的是多站多外輻射源場景，對于單站多外輻射源場景和多站單外輻射源場景同樣適用，具有較高的通用性.

燃油溫度過低。增程器使用的燃油為汽油，汽油粘稠度隨著溫度降低而變大，粘稠度越大，產(chǎn)生可燃?xì)怏w的速度越慢，不充分的可燃?xì)怏w將無法使發(fā)動機成功起動。發(fā)動機多次啟動失敗將導(dǎo)致缸內(nèi)壁產(chǎn)生大量的汽油成滴物，進(jìn)一步影響氣體的有效排出，更加惡化了發(fā)動機的啟動過程。

為了改善由于環(huán)境溫度過低導(dǎo)致的機體溫度、進(jìn)氣溫度與燃油溫度對增程器發(fā)動機起動的影響，可分別對增程器機體進(jìn)行預(yù)熱、進(jìn)氣預(yù)熱與燃油預(yù)熱。增程器機體可以采用熱水進(jìn)行預(yù)熱，將增程器機體放入熱水中，用電能對水進(jìn)行加熱，增程器機體加熱后，燃油和潤滑劑升溫，啟動性能將得到改善；進(jìn)氣預(yù)熱可以通過電熱塞加熱進(jìn)氣溫度；燃油預(yù)熱通過加熱燃油，直接提高燃油混合氣體霧化效果，改善增程器發(fā)動機啟動性能。

4 實驗研究

江蘇友和動力機械有限公司生產(chǎn)了系列化增程器，以其中的YH3000 增程器作為實驗對象，其參數(shù)如表2 所示。

表2 YH3000增程器參數(shù)表

4.1 無刷直流電機準(zhǔn)閉環(huán)起動實驗

增程器無刷直流電機轉(zhuǎn)子在定位步驟1是注入順序為V1s→V4s→V2s→V5s→V3s→V6s的短脈沖電壓矢量，圖5(a)和圖5(b)為轉(zhuǎn)子處于不同位置時的母線峰值電流。圖5(a)中V2s矢量對應(yīng)的母線電流I2峰值最大，可以確定轉(zhuǎn)子初始位置在V2s附近±30°范圍內(nèi)，繼續(xù)比較與V2s相鄰的兩個電壓矢量V1s、V3s對應(yīng)的母線峰值電流I1、I3，由圖可見I3＞I1，通過定位步驟2可以將轉(zhuǎn)子定位在Ⅲ區(qū)間。圖5(b)中同時出現(xiàn)兩個母線電流峰值最大值，這種情況直接將轉(zhuǎn)子初始位置定位在V2矢量方向上。

圖5 定位階段不同電壓矢量對應(yīng)的母線峰值電流

轉(zhuǎn)子定位結(jié)束進(jìn)入加速階段，施加一組交替的長時與短時脈沖電壓矢量實現(xiàn)加速與換相定位，此時母線電流波形如圖6 所示，當(dāng)兩個短時脈沖矢量施加后母線電流差值達(dá)到換相電流閾值后，可以施加下一區(qū)間的長時加速脈沖，使轉(zhuǎn)子加速成功。

4.2 不同環(huán)境溫度下增程器整機啟動實驗

對增程器在不同溫度下的啟動進(jìn)行了對比實驗，選擇-20 ℃和20 ℃兩種環(huán)境溫度，進(jìn)行增程器啟動實驗。將增程器放入冰柜中，模擬-20 ℃低溫環(huán)境，用室內(nèi)空調(diào)模擬20 ℃溫度環(huán)境。以無刷直流電機a 相相電流為檢測量，對不同溫度下的啟動性能進(jìn)行了測試。

1）-20 ℃增程器啟動實驗

圖7 環(huán)境溫度為-20 ℃啟動時電機a相電流波形

對增程器使用預(yù)熱裝置進(jìn)行預(yù)熱，啟動成功，圖7(b)所示是電機a 相電流波形，啟動瞬間產(chǎn)生40 A電流，發(fā)動機被電機拖動旋轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)動機被拖動到點火速度后，可以自主旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機反過來帶動電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，經(jīng)過0.6 s怠速運行階段，此時電機電流為5 A，然后發(fā)動機加速到額定轉(zhuǎn)速附近，電機發(fā)電電流增大到15 A，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電機a相電流降為4 A。

2）20 ℃增程器正常啟動

20 ℃正常溫度下，增程器可以穩(wěn)定啟動，無需進(jìn)行預(yù)熱，相電流波形如圖8 所示，與采取預(yù)熱措施后-20 ℃冷啟動下狀態(tài)基本相同，此時發(fā)動機的阻轉(zhuǎn)矩小于-20℃環(huán)境溫度時的阻轉(zhuǎn)矩，電機相電流最大值變小，為30 A。

圖8 環(huán)境溫度為20 ℃啟動時電機a相電流波形

4.3 增程器從啟動到發(fā)電全過程實驗

增程器從啟動到發(fā)電全過程中直流母線電壓與無刷直流電機a 相電流的對應(yīng)波形如圖9 所示，增程器啟動時，由于要拖動發(fā)動機這個大負(fù)載，直流母線電壓將下降，下降幅值為4～5 V，持續(xù)時間為0.3 s 左右。發(fā)動機被拖動到點火速之后，電機將轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，怠速運行0.6 s 之后發(fā)動機加速，此時電機所發(fā)電壓高于72 V 直流母線電壓5～6 V，將對蓄電池進(jìn)行充電，持續(xù)時間為0.4 s 左右，之后電機進(jìn)入發(fā)電階段，電機采用轉(zhuǎn)速和電壓雙閉環(huán)控制策略，所發(fā)電壓略高于蓄電池電壓，直流母線以較小的電流對蓄電池充電，增程器完成從啟動到發(fā)電的全部過程。

圖9 啟動/發(fā)電全過程中直流母線電壓Ud與電機相電流ia

5 結(jié)論

增程器的啟動涉及到無刷直流電機和發(fā)動機兩個部件的啟動及相互之間的配合。針對無刷直流電機啟動過程中需克服發(fā)動機變化阻轉(zhuǎn)矩的特點，在傳統(tǒng)三段式啟動方法基礎(chǔ)上，提出一種準(zhǔn)閉環(huán)起動方法：利用定子繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律，通過施加定子脈沖電壓矢量、比較母線電流幅值大小的方法，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子30°小范圍轉(zhuǎn)動初始位置定位和帶載準(zhǔn)閉環(huán)加速起動；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速增加到一定值時，再切換到以反電勢過零點判斷轉(zhuǎn)子位置的狀態(tài)。針對發(fā)動機起動易受低溫環(huán)境影響的特點，對增程器機體、進(jìn)氣和燃油提出了有效的預(yù)熱措施。對增程器中無刷直流電機起動和增程器整機啟動進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果表明，無刷直流電機準(zhǔn)閉環(huán)起動方案方便有效，增程器整機啟動可靠，增程器可以從啟動順利進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。該文的研究可為研發(fā)高性能電動汽車增程器提供借鑒，促進(jìn)我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。