一種混合動力汽車ISG系統(tǒng)用低壓復(fù)合電源

馬國清，叢 寧，任桂周

(煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院山東省高校先進(jìn)制造與控制技術(shù)重點實驗室，山東煙臺264005)

一種混合動力汽車ISG系統(tǒng)用低壓復(fù)合電源

馬國清，叢 寧，任桂周

(煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院山東省高校先進(jìn)制造與控制技術(shù)重點實驗室，山東煙臺264005)

為提高混合動力汽車(hybrid electric vehicle，HEV)起動發(fā)電一體化(integrated starter and generator，ISG)系統(tǒng)用電源的工作性能，提出了一種由超級電容器與蓄電池直接并聯(lián)，并通過雙向DC-DC功率變換器向ISG升壓供電的低壓復(fù)合電源方案，充分利用蓄電池比能量大和超級電容器比功率大的性能，蓄電池作為能量存儲模塊主要為車載低壓用電設(shè)備提供電能，超級電容器作為功率緩沖單元瞬時釋放功率和回饋能量，兩種電源優(yōu)勢互補，使得ISG系統(tǒng)的起/停控制快、能量再生利用好、動力輔助性強等優(yōu)越性能可較大程度地得以實現(xiàn)，并增加車載低壓蓄電池的使用壽命。仿真結(jié)果驗證了所提出復(fù)合電源的有效性。

混合動力汽車；ISG系統(tǒng)；超級電容器；復(fù)合電源

隨著能源短缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，與節(jié)能和環(huán)保息息相關(guān)的汽車工業(yè)的發(fā)展受到越來越多的關(guān)注。作為節(jié)能減排的有效途徑之一，新能源汽車包括混合動力汽車(hybrid electric vehicle,HEV)、純電動汽車(pure electric vehicle,PEV)和燃料電池電動汽車(fuel electric vehicle,FEV)的研究在迅速的發(fā)展中。由于目前存在一些相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)瓶頸，PEV和FEV還沒有在實際中普及，而HEV作為傳統(tǒng)燃油汽車到PEV和FEV的過渡，成為目前車企及研發(fā)機構(gòu)的研發(fā)重點之一。HEV具有復(fù)合能源車載動力系統(tǒng)，如傳統(tǒng)燃油燃料、替代燃料內(nèi)燃機、電源系統(tǒng)，針對不同的應(yīng)用需求，可選用多種能源系統(tǒng)組成復(fù)合車載動力裝置，多種能源間的能量匹配及高效工作是復(fù)合車載動力裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一。起動發(fā)電一體化(integrated starter and generator，ISG)系統(tǒng)融合了電機學(xué)、電力電子和功率電子學(xué)、數(shù)字信號處理、現(xiàn)代控制理論等技術(shù)，集傳統(tǒng)汽車的起動機與發(fā)電機功能于一體，具有突出的起/?？刂瓶?、能量再生利用好、動力輔助性強等優(yōu)點，尤其在節(jié)能和減排方面效果明顯，是國際公認(rèn)的HEV的必然發(fā)展方向[1]。目前國內(nèi)外對ISG系統(tǒng)的研究多集中在其結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略上[2-3]，且所研究ISG系統(tǒng)的供電電源多數(shù)情況下為車載低壓蓄電池，而蓄電池不能夠快速充放電的特性大大影響了ISG的瞬時響應(yīng)性能，且在一定程度上縮短了蓄電池的使用壽命[4-5]。文獻(xiàn)[7]中采用了27 V超級電容器通過DC-DC功率變換器與12 V蓄電池聯(lián)接的復(fù)合電源，但沒有具體闡述兩種電源之間能量流動的過程，且27 V電源不是車載低壓電源的發(fā)展方向。

本文提出一種應(yīng)用于HEV的ISG系統(tǒng)用復(fù)合電源，由超級電容器和蓄電池組成，蓄電池作為能量存儲模塊主要為車載低壓用電設(shè)備提供電能，超級電容器作為功率緩沖單元瞬時釋放功率和回饋能量，復(fù)合電源通過雙向DC-DC功率變換器可升壓至42 V為ISG提供能量，該復(fù)合電源的設(shè)計充分利用超級電容器高效快速的充放電特性，既可以增加蓄電池的使用壽命，還使得ISG系統(tǒng)的優(yōu)越性能可最大程度地實現(xiàn)，且符合車載42 V電源系統(tǒng)的發(fā)展要求。

1 ISG系統(tǒng)運行原理

根據(jù)體積和功率的不同，ISG系統(tǒng)在汽車中的布置有多種形式，目前用于實際的ISG系統(tǒng)主要有兩大類：一類是ISG通過皮帶與發(fā)動機曲軸相連[3,6-7]，如圖1所示，ISG與發(fā)動機通過皮帶聯(lián)接，相互之間通過皮帶傳遞動力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且工作效率低；另一類是ISG直接與發(fā)動機曲軸相連[8]，如圖2所示，ISG為緊湊的扁平結(jié)構(gòu)，易于布置在發(fā)動機與離合器之間的空間，動力可直接通過轉(zhuǎn)動軸傳遞給汽車，為一種弱混合動力汽車。

圖1 通過傳送帶與發(fā)動機曲軸相連的ISG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 直接與發(fā)動機曲軸相連的ISG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

ISG系統(tǒng)主要有以下幾種工作模式：

(1)發(fā)動機起停模式

在不需要發(fā)動機對外輸出功率或扭矩的工況如停車等待交通燈時，可關(guān)閉發(fā)動機，且ISG系統(tǒng)可瞬間起動發(fā)動機，可有效減少發(fā)動機怠速時的油耗和排放。在該工作模式下，ISG工作在電動狀態(tài)，由電源向ISG系統(tǒng)提供電能，使得ISG驅(qū)動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)直至其最大起動轉(zhuǎn)速，當(dāng)ISG系統(tǒng)控制單元監(jiān)測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最大起動轉(zhuǎn)速，控制ISG停止運行。

(2)輔助驅(qū)動模式

當(dāng)發(fā)動機不足以提供汽車需求的動力時，ISG可輔助發(fā)動機提供額外的動力。在該工作模式下，ISG工作在電動狀態(tài)，由電源向ISG提供能量，并與發(fā)動機同時向汽車輸出動力。

(3)發(fā)電模式

當(dāng)電源能量不足時，ISG可作為發(fā)電機向電源充電。在該工作模式下，由發(fā)動機帶動ISG旋轉(zhuǎn)，ISG工作在發(fā)電狀態(tài)，并由ISG系統(tǒng)控制單元控制電源的充電電流，當(dāng)電源能量充至設(shè)定的上限時，控制ISG停止運行。

(4)再生制動模式

當(dāng)松開加速踏板或踩下制動踏板時，ISG產(chǎn)生整車的部分制動力，ISG工作在發(fā)電狀態(tài)，把制動時的動能轉(zhuǎn)化為電能存儲在電源中，實現(xiàn)制動能量回饋。

永磁直流電機體積小，工作效率高，可提供較高的轉(zhuǎn)速和較大的電磁扭矩，且其輸出電磁扭矩與電樞電流成正比，感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，在工作過程中便于控制，在ISG系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較好的前景。

由以上ISG的幾種工作模式看出，ISG有電動和發(fā)電兩種運行狀態(tài)。

當(dāng)ISG工作在電動狀態(tài)時，有電壓平衡方程式：

式中：UISG為ISG供電端電壓；ε為ISG的感應(yīng)電動勢；LISG為ISG電樞繞組的電感；rISG為ISG電樞繞組的內(nèi)阻；iISG為ISG電樞的瞬時電流。

ISG產(chǎn)生的瞬時電磁驅(qū)動力為：

式中：Ki為ISG的電磁力常數(shù)。

則ISG電動運行需要的功率為：

ISG電動運行需要的能量：

式中：tM為ISG電動運行的時間。

當(dāng)ISG作為發(fā)電機工作在發(fā)電狀態(tài)時，有動態(tài)電壓平衡方程式：

式中：R為ISG的等效負(fù)載。

ISG發(fā)電運行產(chǎn)生的功率為：

則ISG發(fā)電運行產(chǎn)生的能量為：

式中：tG為ISG發(fā)電運行的時間。

ISG產(chǎn)生的瞬時電磁制動力：

在ISG的兩種運行狀態(tài)中，通過控制供電電壓可以調(diào)節(jié)ISG的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)ISG的功率輸出，通過控制ISG電樞的瞬時電流可以調(diào)節(jié)ISG產(chǎn)生的瞬時電磁力，從而控制ISG對外輸出的動力及回饋能量時的制動力。

2 一種ISG系統(tǒng)用復(fù)合電源的設(shè)計及控制

2.1 復(fù)合電源的工作原理

作為ISG系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，供電電源參與ISG系統(tǒng)的所有運行模式，供電電源的性能很大程度上決定ISG系統(tǒng)的性能，ISG系統(tǒng)要求電源既具有大的比能量，又具有大的比功率，目前的單一電源技術(shù)水平幾乎無法同時滿足ISG系統(tǒng)的需求。本文提出了一種復(fù)合電源在直接與發(fā)動機曲軸相連的ISG系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，復(fù)合電源由超級電容器和蓄電池直接并聯(lián)組成14 V電源系統(tǒng)。如圖4所示，汽車14 V電源系統(tǒng)通過非隔離型雙向DC-DC功率變換器升壓至42 V向ISG供電，該聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。兩種電源相互協(xié)同工作，滿足ISG系統(tǒng)的各種運行工況。當(dāng)ISG工作在電動狀態(tài)時，通過控制雙向DC-DC功率變換器實現(xiàn)升壓提供能量，復(fù)合電源可以瞬時提供電能輸出，提高ISG系統(tǒng)的響應(yīng)特性；當(dāng)ISG工作在發(fā)電狀態(tài)時，通過控制雙向DC-DC功率變換器實現(xiàn)降壓回饋能量，增大可回饋能量的ISG轉(zhuǎn)速范圍區(qū)間。

圖3 采用復(fù)合電源的直接與發(fā)動機曲軸相連的ISG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 提出的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)

2.2 微分先行PID控制器設(shè)計

由于ISG電樞電流頻繁升、降變化，選用微分先行PID數(shù)字控制算法調(diào)節(jié)ISG電機電樞電流，只對輸出電流實際值進(jìn)行微分，對給定電流參考值不作微分，在改變給定參考值瞬間，輸出不會立即改變，可大大減小被控輸出電流的超調(diào)量，避免給定電流參考值升、降變化引起的系統(tǒng)振蕩，可明顯改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。雙向DC-DC功率變換器也選用微分先行PID數(shù)字控制器。微分先行PID數(shù)字控制算法為：

式中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)；u(k)為第k次采樣時刻的控制器輸出量；y(k)為第k次采樣時刻的實際輸出量，且有：

式中：Tc為采樣周期；γ為常數(shù)，且γ＜1。

3 仿真研究

選取鋰離子蓄電池初始電壓為14 V，容量為6.5 Ah，初始荷電狀態(tài)為0.8，內(nèi)阻為0.046 Ω；超級電容器初始電壓為14 V，電容量為200 F，內(nèi)阻為0.003 Ω；ISG為永磁直流電機，其電磁力常數(shù)為5.0，額定電壓為42 V，額定扭矩為200 N·m，額定功率為1.68 kW。

當(dāng)ISG工作在電動狀態(tài)向汽車提供動力時，由14 V電源通過雙向DC-DC功率變換器升壓至42 V向ISG提供能量，電壓變換如圖5所示，ISG電樞電流(扭矩)階躍響應(yīng)如圖6所示，由永磁直流電機的特性知，ISG電樞電流與其產(chǎn)生的扭矩成正比，當(dāng)ISG輸出扭矩或輸出扭矩需要變化時，可瞬時響應(yīng)扭矩輸出需求，且沒有超調(diào)。復(fù)合電源的電流輸出如圖7所示，超級電容器分擔(dān)總輸出電流的大部分，蓄電池只有較小的電流輸出，且超級電容器與蓄電池之間有相對柔性平緩的電流交換。

圖5 雙向DC-DC功率變換器兩端電壓

圖6 ISG電樞電流(電磁扭矩)階躍響應(yīng)

圖7 復(fù)合電源電流

當(dāng)ISG工作在發(fā)電狀態(tài)時，ISG產(chǎn)生的電能通過雙向DC-DC功率變換器向14 V電源回饋，ISG產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與電源電壓如圖8所示，只有當(dāng)感應(yīng)電動勢大于電源電壓時，才可以通過控制雙向DC-DC功率變換器降壓向電源回饋能量。ISG電樞電流(扭矩)階躍響應(yīng)如圖9所示，ISG產(chǎn)生的制動扭矩可瞬時響應(yīng)扭矩需求，且沒有超調(diào)。當(dāng)ISG產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不大于電源電壓時，回饋過程結(jié)束，回饋能量過程受感應(yīng)電動勢大小和電源最大容量的約束。復(fù)合電源的回饋電流輸出如圖10所示，超級電容器分擔(dān)大部分的回饋電流，蓄電池只有較小的回饋電流，且超級電容器與蓄電池之間有相對柔性平緩的電流交換。

圖8 ISG感應(yīng)電動勢與電源電壓

圖9 ISG電樞電流(扭矩)

圖10 復(fù)合電源回饋電流

4 結(jié)論

本文提出一種由超級電容器與蓄電池直接并聯(lián)組成14 V電源，并通過雙向DC-DC功率變換器升壓至42 V向永磁直流電機式ISG供電的復(fù)合電源方案，具有以下優(yōu)點：

(1)超級電容器和蓄電池直接并聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。

(2)電流在兩種電源之間自由流動時，超級電容器作為能量緩沖器承擔(dān)大部分的電流，對蓄電池起到功率削峰填谷的作用，可大大延長蓄電池的使用壽命；且經(jīng)過兩種電源的總電流由雙向DC-DC功率變換器控制，不會產(chǎn)生過充和過放。

(3)通過控制雙向DC-DC功率變換器升壓至42 V向ISG供電，通過控制ISG電流調(diào)節(jié)ISG的扭矩，當(dāng)扭矩有較大變化時，不會影響42 V電壓輸出，系統(tǒng)瞬時響應(yīng)性和魯棒性強。

(4)當(dāng)ISG工作在發(fā)電狀態(tài)，通過控制雙向DC-DC功率變換器降壓回饋能量，使得電源的能量回饋相比傳統(tǒng)方法中的升壓回饋效率更高。

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A low voltage hybrid power source for integrated starter and generator system of hybrid electric vehicle

MA Guo-qing,CONG Ning,REN Gui-zhou
(Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Control Technology in Universities of Shandong,School of Electromechanical and Automobile Engineering,Yantai University,Yantai Shandong 264005,China)

In order to improve the performance of power source for integrated starter and generator(ISG)system of hybrid electric vehicle(HEV),a low voltage hybrid power source that based on ultra-capacitor(UC)and battery in parallel directly through a bi-directional DC-DC converter which implements the conversion and transfer of power was proposed.In this hybrid power source,UC mainly as a power buffer to supply power when ISG was in driving operation and absorb power in generating operation, and battery mainly provided energy to other electrical equipments of HEV. The advantages of high power density of UC and high energy density of battery were fully utilized,so the superiority such as quick start/stop control,good use of renewable energy and strong auxiliary power can be achieved to a large extent,and battery life is also increased.Simulation results justify the effectiveness of the design.

hybrid electric vehicle(HEV);integrated starter and generator(ISG);ultra-capacitor(UC);hybrid power source

TM 91

A

1002-087 X(2015)08-1719-03

2015-01-22

國家自然科學(xué)基金(51407152)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2013EEL022)；山東省科技發(fā)展計劃項目(2012YD04039)；汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室開放基金項目(KF11222)

馬國清(1970—)，河北省人，博士，副教授，主要研究方向為內(nèi)燃機控制技術(shù)、新能源汽車電子控制技術(shù)。