基于定點工作的增程器用電機系統(tǒng)性能優(yōu)化分析

雷小軍

(上海大郡動力控制技術有限公司1,上海 20111)

基于定點工作的增程器用電機系統(tǒng)性能優(yōu)化分析

雷小軍

(上海大郡動力控制技術有限公司1,上海 20111)

為了改善增程式電動汽車的燃油經(jīng)濟性，根據(jù)需求功率及發(fā)動機和電機特性合理配置增程器工作點。對ISG電機的采用無位置傳感器控制，適用性強且節(jié)省成本。通過實驗分析比較增程器定點工作和連續(xù)工作下的油耗，兼顧動力電池的使用壽命。本文采用三工作點的控制策略，三工作點可使發(fā)動機和電機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 無位置傳感器 滑?？刂?/p>

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國城市發(fā)展過程中面臨著交通擁擠、能源危機、環(huán)境惡化等一系列問題。因此從城市發(fā)展的長遠角度出發(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。但是由于當前電動車用電池技術還不夠成熟，導致目前純電動城市客車出現(xiàn)成本高、行駛里程短、路線適應性差等一系列問題。為了解決純電動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客車被認為是理想的解決方案。增程式客車是在純電動客車總體結構上增加一個增程器而發(fā)展起來的。

增程式城市電動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)，大大延長電池的壽命。這樣就可以有效地解決因電池技術問題導致的純電動客車續(xù)駛里程短、整車成本高、電池壽命短等問題[3-6]。在增程式電動客車中，由于其增程器中的發(fā)動機只發(fā)電，其工作點與車輛行駛工況關系不大，可以穩(wěn)定工作在燃油經(jīng)濟性最好、排放最低的狀態(tài)，從而在節(jié)油的同時，獲得最好的減排效果。

1 增程器系統(tǒng)

1.1 增程式系統(tǒng)結構簡介

增程式電動客車動力系統(tǒng)構成如下圖所示，動力系統(tǒng)由增程器(APU：由發(fā)動機和ISG構成)總成、牽引電機(TM)總成、儲能單元(動力電池)及整車控制器(VCU)構成[7-8]。

圖1 增程式系統(tǒng)結構Fig.1 APU Architecture

1.2 增程器匹配

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

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噸計算汽車牽引力

牽引力計算公式：

(1)

F：汽車牽引力，F(xiàn)f：滾動阻力，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:汽車行駛時間

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

表1 發(fā)動機系統(tǒng)參數(shù)表

表2 ISG電機系統(tǒng)參數(shù)表

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

圖3 發(fā)動機油耗MAP圖Fig.3 Engine fuel consumption map

2 啟動發(fā)電一體機ISG控制

ISG電機采用永磁磁阻同步電機，因其主要用于啟動發(fā)動機和發(fā)電兩種模式，對其控制的安全性要求相對較低，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，在永磁同步電機低速時，控制是一種比較簡單且有效的控制方式。在高速時，其控制方法多樣，如反電勢觀測法、反電勢積分法、基于永磁同步電機凸極效應的高頻注入法、基于狀態(tài)觀測器的自適應觀測器、卡爾曼濾波器、變結構觀測器等。

永磁同步電機的控制框圖如圖4所示。電機低速啟動時，開關均處在1位置，對系統(tǒng)進行電流閉環(huán)，速度外環(huán)由位置角發(fā)生器替代。當轉速較高時，將開關均切換到2階段，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制。但在從速度開環(huán)電流閉環(huán)的加速運行狀態(tài)切換到速度電流雙閉環(huán)的矢量控制運行狀態(tài)，需要經(jīng)歷一個過渡過程，稱為狀態(tài)切換過程，切換過程若控制不好，會導致電流和轉矩的瞬間波動，不利于電機的穩(wěn)定運行。狀態(tài)切換過程控制采用相關論文中的方法，如文獻[9]中采用iq器，文獻[10]中采用加權系數(shù)修正轉子位置角等過程切換方法。

圖4 矢量控制結構框圖

3 增程器定點工作和連續(xù)工作比較

關于增程器的控制策略，國內(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)動力電池SOC的狀態(tài)決定增程器的啟停，發(fā)動機工作在恒定轉速點，這種控制策略較為簡單，易于實現(xiàn)，但是效率較低；功率跟隨式增程器控制策略是根據(jù)車輛的功率需求實時調(diào)整增程器的輸出功率，減少動力電池的充放電，這種控制策略對提高動力電池的壽命非常有利，但是沒有實現(xiàn)發(fā)動機盡量工作在高效區(qū)。

圖5為功率跟隨式控制策略下最佳燃油消耗點圖，臺架匹配標定測試的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行比較，平均油耗計算公式：

(3)

N(i):工作在第i個工作點處的個數(shù)，Woil(i):第i個工作點出的油耗。如圖中數(shù)字210表示每產(chǎn)生1 kWh電耗油210 g，圖中標有11個工作點，根據(jù)GBT19754的城市公交工況數(shù)據(jù)可以求得每個時刻的功率，將此功率歸類到各工作點上。通過上式求得連續(xù)工作的平均油耗為229 g/kWh。當采用啟停式控制策略時，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，對電池壽命不利。

4 增程器三工作點控制策略

增程式電動汽車采用定點控制策略，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力電池充電。這種控制策略控制過程簡單且易于工程實現(xiàn)，避免跟隨車輛功率需求變化而導致效率低下，改善了燃油經(jīng)濟性。

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

對于多工作點控制策略，較多的工作點可以減少增程器的多余輸出功率，但過多的工作點會導致控制過程復雜，并且過于頻繁地切換工作點也不利于降低油耗。考慮到在通常情況下汽車爬陡坡或急加速的時間并不長。因此，在汽車爬陡坡和急加速需要的高功率完全可以暫時由動力電池提供。綜合考慮，采用三工作點，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)動機Phigh點選取主要考慮汽車高速行駛時的功率需求，不考慮短時急加速和爬陸坡等因素的影響；而Plow和Pmid點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)動機工作點切換的條件是汽車行駛的車速，通過對比汽車當前的車速與切換限值，在發(fā)動機的三個工作點間進行切換?？紤]到發(fā)動機工作狀態(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致發(fā)動機在短時間內(nèi)頻繁切換工作點，本文在相鄰兩個工作點的切換限值之間設定了一個差值。

增程器三工作點控制策略的控制規(guī)則如下：

1)根據(jù)動力電池荷電狀態(tài)SOC確定增程器的幵關狀態(tài)，設定增程器開啟點參數(shù)SOClow=0.23，關閉點參數(shù)SOChigh=0.55；

2)當車速提高時，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)當車速降低時，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。

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

5 結論

本文結合實際項目，根據(jù)功率需求合理選用發(fā)動機和電機配置增程器。對電機實行無位置傳感器控制，控制精確且適用性良好，節(jié)省成本。對增程器進行定點工作和連續(xù)工作油耗仿真實驗，定點工作時可使發(fā)動機工作在高效區(qū)，兼顧對動力電池壽命的影響，采用三工作點控制策略，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項目資助:本論文受上海張江國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項發(fā)展資金項目201505-MH-CHJ-C104-007支持

U463.23+4.7

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