汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)增壓技術(shù)研究

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

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)增壓技術(shù)研究

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

首先基于文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)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(jìn)行了綜述和分析。然后，主要針對(duì)電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增壓應(yīng)用技術(shù)，分析了電動(dòng)增壓器的安裝位置及其影響，并對(duì)其電源和電機(jī)的選型及影響進(jìn)行了分析。最后，為了提高增壓壓力的響應(yīng)速度并同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出了一個(gè)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(tái)，驗(yàn)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(gè)合理范圍內(nèi)。

電動(dòng)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(dòng)機(jī)小型化已經(jīng)成為降低CO2排放的主要手段之一。運(yùn)用渦輪增壓技術(shù)，可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí))，會(huì)存在增壓滯后問(wèn)題[1]。電動(dòng)增壓技術(shù)利用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，由于電機(jī)的快速響應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)能夠無(wú)滯后增壓，與電動(dòng)增壓器并聯(lián)一個(gè)旁通閥，可以避免非增壓工況時(shí)的節(jié)氣損失。由于跟發(fā)動(dòng)機(jī)之間無(wú)需機(jī)械連接，因此電動(dòng)增壓器安裝自由度更高。此外，電動(dòng)增壓器無(wú)需改變發(fā)動(dòng)機(jī)排氣端，不會(huì)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(dòng)機(jī)排放。

由于電動(dòng)增壓器良好的應(yīng)用前景，近年來(lái)學(xué)術(shù)界對(duì)此研究從來(lái)沒(méi)有間斷過(guò)。S. George等人分別在2003年、2004年對(duì)電動(dòng)增壓器的在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況做了研究，前者研究電動(dòng)增壓器獨(dú)立工作，驗(yàn)證了獨(dú)立工作電動(dòng)增壓器的穩(wěn)態(tài)性能[2]，而后者將電動(dòng)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(duì)電動(dòng)增壓器轉(zhuǎn)速限值的概念[3]。同期，Alain Lefebvre等人對(duì)電動(dòng)增壓技術(shù)做了一系列性能測(cè)試，包括對(duì)不同參數(shù)的電動(dòng)增壓器，還有在變速變載荷工況下電動(dòng)增壓器表現(xiàn)出的瞬態(tài)效果[4]。目前國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)電動(dòng)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(dòng)增壓器設(shè)計(jì)和改善柴油機(jī)動(dòng)態(tài)工況等[5]。

在電動(dòng)增壓器商用方面，很多供應(yīng)商也從預(yù)研邁向了設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)發(fā)的電動(dòng)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(dòng)增壓功能更強(qiáng)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(dāng)高，甚至可以通過(guò)單一的電動(dòng)增壓滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性需求[6]，但尚仍處于小批量試用階段。一些整車(chē)廠也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)表示感興趣，奧迪首款運(yùn)用電動(dòng)增壓器技術(shù)的SQ5也已經(jīng)正式批產(chǎn)了[7]。

基于當(dāng)前電動(dòng)增壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀，論文針對(duì)汽油機(jī)介紹了電動(dòng)增壓技術(shù)的分類(包括電動(dòng)渦輪增壓和電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增壓，重點(diǎn)針對(duì)電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增壓技術(shù)，分別對(duì)電動(dòng)增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣路中安裝位置及其影響分析以及電動(dòng)增壓器的電源和電機(jī)選擇及其影響進(jìn)行了分析；提出電動(dòng)增壓器的控制策略，最后通過(guò)聯(lián)合仿真驗(yàn)證了電動(dòng)增壓器對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能的有效性。

1 電動(dòng)增壓技術(shù)分類和比較

1.1 兩種電輔助增壓概念

電動(dòng)增壓結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，根據(jù)電機(jī)的位置和作用將電動(dòng)增壓器分為如下兩種:電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增壓器和電動(dòng)渦輪增壓器[8]。電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電動(dòng)增壓器與渦輪增壓器串聯(lián)，并與一個(gè)旁通閥并聯(lián)，電動(dòng)增壓器工作時(shí)，旁通閥關(guān)閉，空氣經(jīng)過(guò)電動(dòng)增壓器增壓進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)；電動(dòng)增壓器不工作時(shí)，旁通閥打開(kāi)。而電動(dòng)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是：在發(fā)動(dòng)機(jī)低速大負(fù)荷工況下，廢氣的能量不能產(chǎn)生足夠的增壓壓力，此時(shí)，電機(jī)充當(dāng)電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力；在渦輪增壓過(guò)度時(shí)，電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，將多余的能量轉(zhuǎn)化成電能。

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

圖2 電動(dòng)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(gè)方面對(duì)兩種電輔助增壓概念做了比較：1) 能否提高發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能、拓寬壓氣機(jī)MAP的潛力，2) 轉(zhuǎn)子的慣性大小,3) 機(jī)械和熱負(fù)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(dòng)渦輪增壓機(jī)，電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增壓器可以拓寬增壓特性圖，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，而且機(jī)械和熱負(fù)荷也相對(duì)較低。兩者都需要更大的安裝空間或者其他零件。電驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪增壓器在可能量回收這一方面較有優(yōu)勢(shì)，但此功能比較復(fù)雜，其有效性仍需要驗(yàn)證。因此博格華納更傾向于電驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增壓概念。目前，一些公司已經(jīng)對(duì)于這種電動(dòng)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(dòng)增壓器安裝位置影響分析

電動(dòng)增壓器位于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣端，與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)，所以電動(dòng)增壓器安裝位置至少可以分為兩種，一種是將電動(dòng)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(duì)電動(dòng)增壓器安裝位置分析時(shí)考慮了以下幾種影響因素，并得到了相似的結(jié)論：1) 對(duì)于瞬態(tài)工況扭矩提升而言，電動(dòng)增壓器安裝位置越靠近進(jìn)氣歧管，其響應(yīng)性則越好。2) 對(duì)于安裝便利性，因?yàn)闇u輪增壓器上游的管路比下游的管路長(zhǎng)，所以渦輪增壓器上游安裝電動(dòng)增壓器的自由度更高。3) 對(duì)于電動(dòng)增壓器熱負(fù)荷而言，電動(dòng)增壓器直接放置于渦輪增壓器之后的這種情況的熱負(fù)荷是最大的，直接放置于中冷器之后熱負(fù)荷最小。4) 對(duì)于渦輪增壓器的熱負(fù)荷而言，當(dāng)新鮮空氣直接進(jìn)入渦輪增壓器時(shí)，熱負(fù)荷是最小的，若是經(jīng)過(guò)電動(dòng)增壓器增壓過(guò)的空氣再經(jīng)過(guò)渦輪增壓器，則渦輪增壓器的熱負(fù)荷會(huì)比較高。5) 對(duì)于對(duì)電動(dòng)增壓器可能會(huì)產(chǎn)生的腐蝕而言，在電動(dòng)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(yuǎn)，腐蝕性就越小。圖3是皮爾博格對(duì)電動(dòng)增壓器各種布置位置的分析。

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

圖3 電動(dòng)增壓器安裝位置效果對(duì)比
Fig.3 Comparison of locations of the electric supercharger

皮爾博格優(yōu)先選擇電動(dòng)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(dòng)增壓器放在下游且位于中冷器上游的布置方式。

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

3 電動(dòng)增壓器電源和電機(jī)

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(dòng)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(duì)較低。由于電動(dòng)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(shì)：1) 電能回復(fù)快；2) 電機(jī)功率增加。Kazuhiro Nishiwaki等人對(duì)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(dá)到更高的壓比，而且連續(xù)工作的時(shí)間更長(zhǎng)。此外，48V電動(dòng)增壓器可以達(dá)到更高的功率，因此可以覆蓋更廣闊的壓氣機(jī)特性區(qū)域[10]。奧迪在其電動(dòng)增壓器試驗(yàn)車(chē)上配置48V電壓系統(tǒng)。如圖4所示，12V電池通過(guò)DC/DC給48V電池充電，由48V電池直接給電機(jī)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(dòng)增壓器需要在短時(shí)間內(nèi)迅速將發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一個(gè)較高的增壓比，電機(jī)轉(zhuǎn)速相當(dāng)高，所以必須選用高速電機(jī)。由于機(jī)械換向器高速時(shí)存在不穩(wěn)定性，使得這種電機(jī)不能作為電動(dòng)壓氣機(jī)的驅(qū)動(dòng)。因此，只有電控?fù)Q向的電機(jī)適用于這種場(chǎng)合，比如永磁同步電機(jī)(PMSM),磁阻電機(jī)(SRM)或者異步電機(jī)(ASM)，如圖5所示。

永磁同步電機(jī)可以無(wú)損提供激勵(lì)磁場(chǎng)，所以效率比較高，而且對(duì)于空氣隙設(shè)計(jì)不敏感。它的缺點(diǎn)是即使沒(méi)有負(fù)荷，不斷的激勵(lì)也會(huì)產(chǎn)生干擾，而且會(huì)有渦流損耗。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)慣量非常低，所以可以在很短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速。

鋁做的鼠籠型異步電機(jī)是相當(dāng)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(huì)產(chǎn)生熱量，所以這部分熱量需要有效控制。

法雷奧的電動(dòng)增壓器采用的電機(jī)是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)慣性較小，有助于提高響應(yīng)速度。皮爾博格的電動(dòng)增壓器采用永磁同步電機(jī)，而博格華納的1代和2代電動(dòng)怎gay器使用的電機(jī)都是交流異步電機(jī)。這幾種電機(jī)各有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，具體選用哪個(gè)電機(jī)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(hù)控制策略

電動(dòng)增壓器在啟動(dòng)階段，由于電機(jī)需要在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到一個(gè)很高的轉(zhuǎn)速，從而需要較大功率。電動(dòng)增壓器在啟動(dòng)階段，峰值電流可達(dá)到350 A，對(duì)應(yīng)的功率是4.2 kW(12 V)，這對(duì)電路安全造成很大威脅，因此需要考慮到電路的溫度過(guò)熱、電池壓降過(guò)高等問(wèn)題。

基于電動(dòng)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(jì)了電路隔離系統(tǒng)，在電動(dòng)增壓器工作時(shí)，將電動(dòng)增壓器和車(chē)上其他用電設(shè)備相互隔離，電動(dòng)增壓器由車(chē)載電池供電，其他用電設(shè)備則由車(chē)上交流發(fā)電機(jī)供電。相反，當(dāng)電動(dòng)增壓器不工作時(shí)，車(chē)上其他用電設(shè)備完全由電池供電。

4.2 電動(dòng)增壓器控制策略

電動(dòng)增壓器工作原理決定它至少需要這兩個(gè)方面的控制：1.電機(jī)的轉(zhuǎn)速，2.旁通閥的開(kāi)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(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、電池SOC和系統(tǒng)壓降等。在電動(dòng)增壓器系統(tǒng)中，當(dāng)駕駛員通過(guò)踩踏板表示需要更多扭矩時(shí)，為了給電機(jī)提供即時(shí)的壓氣機(jī)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(dòng)增壓控制策略Fig.6 Control strategy of the electric supercharger

當(dāng)需求壓比高于實(shí)際壓比一定值時(shí)，電動(dòng)增壓器旁通閥打開(kāi)，根據(jù)折合流量和目標(biāo)增壓壓比查MAP得到電動(dòng)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(jī)；否則，旁通閥打開(kāi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速維持怠速5000RPM。

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

4.3 電動(dòng)增壓器仿真結(jié)果分析

根據(jù)前文提及的控制策略，通過(guò)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(dāng)目標(biāo)增壓壓力從1.2bar變成1.4bar時(shí)，在沒(méi)有電動(dòng)增壓器的情況下，需要1.5s的時(shí)間才能達(dá)到目標(biāo)增壓壓力，而在裝有電動(dòng)增壓器的情況下，只需要0.1s即可達(dá)到目標(biāo)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(dòng)增壓器分類有兩種，即電輔助壓氣機(jī)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(fù)荷、能量能否回收等方面相比較，特別是針對(duì)汽油機(jī)而言前者優(yōu)點(diǎn)更明顯，其應(yīng)用也更為廣泛。

(2) 電動(dòng)增壓器在進(jìn)氣管路中安裝位置有很多選擇，本文從提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能、安裝復(fù)雜性和增壓器熱負(fù)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(dòng)增壓器工作轉(zhuǎn)速需求非常高，因此需要采用電控?fù)Q向高速電機(jī)，如開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)。采用48V電池可以更好地發(fā)揮電動(dòng)增壓器的效果。

(4) 對(duì)電動(dòng)增壓器的控制包括其電機(jī)轉(zhuǎn)速和旁通閥的開(kāi)閉控制，前者需要通過(guò)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(shí)候降級(jí)甚至完全停止電動(dòng)增壓器的工作。通過(guò)這種控制方法進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明電動(dòng)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

B