混合動力汽車廢氣能量回收系統(tǒng)控制器設計*

謝金利，李學鋆，李 軍

(1.重慶大學城市科技學院，重慶 402167；2.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074)

1001-2265(2017)10-0096-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.023

2016-10-25；

2017-02-13

重慶市重點實驗室項目(cstc2015yfpt_zdsys30001)；重慶市自然科學基金重點項目(CSTC2013yykfB0184)

謝金利(1991—)，女，重慶人，重慶大學城市科技學院助教，工程碩士，研究方向為汽車安全、汽車發(fā)動機排放與控制，(E-mail)xiejinli2477@126.com。

混合動力汽車廢氣能量回收系統(tǒng)控制器設計*

謝金利1，李學鋆2，李 軍2

(1.重慶大學城市科技學院，重慶 402167；2.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074)

為了提高混合動力汽車廢氣能量回收系統(tǒng)的回收效率，設計了一套完整的系統(tǒng)控制器，控制器可以根據(jù)發(fā)動機的不同工況準確及時做出調(diào)整?？刂破靼：刂破鞯脑O計、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計、模糊控制器硬件電路設計，并完成了程序調(diào)試與電路板制作。控制器以渦輪機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機電流、排氣背壓和蓄電池SOC值為輸入?yún)?shù)，經(jīng)過控制器處理后以渦輪機導流葉片傾角和旁通閥開度為輸出，調(diào)整系統(tǒng)達到最佳工作點，提高系統(tǒng)工作效率。試驗證明，該控制器與理論設計相比誤差很小，能保證系統(tǒng)達到高效平穩(wěn)的運行狀態(tài)。

廢氣能量回收系統(tǒng)；模糊控制器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

0 引言

混合動力汽車廢氣能量回收系統(tǒng)主要由可變截面渦輪機、高速傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、電能存儲設備、控制系統(tǒng)等部分組成?？勺兘孛鏈u輪機用于將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機械能，高速傳動機構將機械運動傳遞給發(fā)電機，進而轉(zhuǎn)換為電能儲存在蓄電池中，用來給輔助動力源提供能量[1]。因此，廢氣能量回收可提高混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性、降低排放以及降低能量耗散。

廢氣渦輪發(fā)電技術是汽車發(fā)動機廢氣能量各種回收利用方法中相對最有效的方式，可作為對汽車電能補充的有效途徑之一，具有較好的發(fā)展前景。

為了解決汽車廢氣能量回收技術在能量回收轉(zhuǎn)換率低的問題，最大限度提高廢氣能量回收效率，從而提高混合動力車燃油經(jīng)濟性，減少尾氣排放以及降低能量損失，文獻[1]提出了采用旁通閥和可變截面渦輪技術來控制發(fā)動機排氣背壓和渦輪機轉(zhuǎn)速，可以將發(fā)動機的廢氣能量轉(zhuǎn)換成電能儲存在電池中。

CPT公司研發(fā)了一種TIGERS(Turbogenerator Integrated Gas Energy Recovery System)，該系統(tǒng)通過廢氣直接驅(qū)動電渦輪回收能量，在4缸2 L的自然吸氣式發(fā)動機上得到了應用。文獻[2]提出利用渦輪發(fā)電通流模型，建立了內(nèi)燃機余熱渦輪發(fā)電總能系統(tǒng)仿真平臺，并利用設計搭建的渦輪發(fā)電系統(tǒng)試驗臺架對仿真平臺進行驗證，設計了增壓器渦輪與渦輪發(fā)電系統(tǒng)動力渦輪并聯(lián)的系統(tǒng)方案[2]。

文獻[3-4]提出了一種基于高速運行策略的開關磁阻(SR)的廢氣能量回收系統(tǒng)，在“單脈沖”模式下系統(tǒng)由參數(shù)化的角度控制，研究表明，在給定的速度和功率下，最佳的控制角可以實現(xiàn)最大機械效率和最小熱應力[3-4]。

文獻[5]建立了發(fā)動機廢氣渦輪發(fā)電能量回收系統(tǒng)模型，將回收系統(tǒng)產(chǎn)生的能量儲存在蓄電池中，采用模糊控制理論建立了回收系統(tǒng)控制策略并進行模擬仿真計算，結果表明廢氣能量回收系統(tǒng)能進一步提高汽車的燃油利用率，提高了整車的燃油經(jīng)濟性，并使排放性能得到提高[5]。

為了提高裝置回收效率，本文設計了可根據(jù)發(fā)動機不同工況準確及時做出調(diào)整的模糊控制器，保證廢氣能量回收系統(tǒng)高效可靠并且穩(wěn)定運行?？刂葡到y(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制器兩部分并且完成了控制器程序的編寫和調(diào)試工作。

1 模糊控制器設計

混合動力汽車廢氣能量回收系統(tǒng)模糊控制器是以渦輪機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機電流、排氣背壓和蓄電池SOC值為輸入?yún)?shù)，經(jīng)過控制器處理后輸出渦輪機導流葉片傾角和旁通閥開度，以調(diào)整系統(tǒng)達到最佳工作點，提高系統(tǒng)工作效率。其控制流程圖如圖1所示，模糊控制系統(tǒng)設計流程圖如圖2所示。

圖1 廢氣能量回收控制系統(tǒng)流程圖

圖2 模糊控制系統(tǒng)設計流程圖

1.1 模糊化處理

模糊控制器的輸入?yún)?shù)渦輪機轉(zhuǎn)速n的模糊論域確定為[35000，45000]，發(fā)電機電流I的模糊論域確定為[4，5.5]，蓄電池SOC的模糊論域確定為[0.2，1]，排氣背壓P的模糊論域確定為[-0.5，0.5]，把轉(zhuǎn)速n的模糊論域劃分為7個模糊子集{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，電流I、蓄電池SOC和排氣背壓P的模糊論域均劃分為5個模糊子集{NB，NS，Z0，PS，PB}；輸出變量α的論域為[14，40]，輸出變量β的模糊論域為[0，1]，α和β的模糊論域劃分為7個模糊子集{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。

1.2 模糊控制規(guī)則

按照系統(tǒng)模糊規(guī)則制定要求，發(fā)電機電流I和渦輪機轉(zhuǎn)速n分別定義了5個和7個模糊子集，蓄電池SOC和排氣背壓P都定義了5個模糊子集，制定了導流葉片傾角α的模糊控制規(guī)則35條，廢氣旁通閥開度β的模糊控制規(guī)則25條，模糊控制規(guī)則庫中共60條模糊控制規(guī)則，具體模糊規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

利用MATLAB中的Fuzzy工具，利用MATLAB的fuzzy工具箱建立隸屬函數(shù)和推理規(guī)則?？刂破鞲鬏斎胱兞康碾`屬度函數(shù)如圖3～圖8。模糊控制器采用Mamdani推理法，并采用重心法來進行解模糊化。

圖3 輸入變量轉(zhuǎn)速n隸屬函數(shù)

圖4 輸入變量電流I隸屬函數(shù)

圖5 輸出變量傾角α隸屬函數(shù)

圖6 輸入變量SOC隸屬函數(shù)

圖7 輸入變量壓力P隸屬函數(shù)

圖8 輸出函數(shù)旁通閥開度β隸屬函數(shù)

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將排氣背壓、渦輪機轉(zhuǎn)速、蓄電池SOC值以及發(fā)電機電流經(jīng)傳感器采集處理成電信號并傳遞到控制芯片，通過控制芯片處理后輸出控制參數(shù)以達到控制導流葉片傾角和旁通閥開度的目的[6]。各信號的采集將根據(jù)需求選擇合適的傳感器來將傳感器信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入到控制芯片進行控制。

2.1 排氣背壓信號采集

為了控制廢氣旁通閥的開閉狀態(tài)，需要借助傳感器對排氣背壓進行實時監(jiān)測，排氣背壓高于某一設定值時，廢氣旁通閥打開，而排氣背壓低于某一設定值時，廢氣旁通閥關閉。排氣背壓的大小直接影響到發(fā)動機的性能，根據(jù)實際經(jīng)驗，通常發(fā)動機在對排氣背壓進行設計時，會把排氣背壓控制在60kPa以內(nèi)。壓力傳感器安裝在發(fā)動機排氣口附近，由于排氣溫度較高，所以要求其具有較高的耐高溫性能，另外，由于排氣壓力波動較大，這要求壓力傳感器具有良好的過載能力，以抵抗排氣給傳感器彈性膜造成的不規(guī)則沖擊。綜合考慮，選擇QY545B-002型壓力傳感器，基本參數(shù)如表2所示。

表2 壓力傳感器參數(shù)

壓力傳感器測量排氣背壓的大小后，經(jīng)電荷放大器將壓力傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可被單片機識別的數(shù)字信號[7]。

2.2 蓄電池SOC值采集

蓄電池SOC不能通過直接測量獲得，只能通過對電池電壓、電流、溫度、內(nèi)阻、老化程度等外特征參數(shù)間接測量來獲取[8]。為了提高估計精度，減少測量參數(shù)，提高可靠度，選用由Allegro公司生產(chǎn)的ACS712線性電流傳感器對蓄電池電流信號進行采集，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入單片機；蓄電池電壓信號則直接通過A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機[9]。

2.3 渦輪機轉(zhuǎn)速信號采集

由于系統(tǒng)所選可變截面渦輪機是國產(chǎn)某HIA型渦輪機產(chǎn)品，其最高轉(zhuǎn)速達57000 r/min。渦輪機轉(zhuǎn)速很高，工作溫度高，因此選取PICOTURN渦輪增壓器轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)對渦輪機轉(zhuǎn)速進行測量，該傳感器可測量的轉(zhuǎn)速范圍為200 r/min～4×105r/min，渦輪相關參數(shù)如表3所示。

表3 渦輪相關參數(shù)表

3 硬件電路設計與程序設計

模糊控制器硬件電路的設計主要包括：控制芯片選型、電源轉(zhuǎn)換電路設計、步進電機驅(qū)動電路設計等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各傳感器在采集到各輸入信號后，經(jīng)調(diào)理電路將標準信號傳入到控制芯片，根據(jù)控制程序的指示，通過步進電機驅(qū)動電路控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度，達到控制導流葉片傾角和旁通閥開度的目的。控制器硬件電路的總體框圖如圖9所示。

圖9 硬件電路總體框圖

3.1 單片機選型

由于模糊控制規(guī)則較多，所需運行內(nèi)存空間較大，在綜合考慮各因素的前提下，選用ATmega2560單片機，它具有8 KB的RAM，48個片內(nèi)外中斷觸發(fā)，4個串行URAT口以及其采用的RISC構架設計使該款單片機可滿足程序運行的需求。

3.2 電源轉(zhuǎn)換電路

混合動力汽車蓄電池的組合電壓為36V，而部分傳感器、元器件及單片機等正常工作所需電壓為+5V或其它電壓，變送器所需電壓為13.5V，因此需要對電壓進行調(diào)整以達到元器件對工作電壓的要求。選著7805和LM317T模塊得到13.5V和5V的工作電壓。

3.3 步進電機選型及其驅(qū)動電路

步距角β和渦輪機導流葉片傾角α的關系可以通過換算得出，假設可變截面渦輪執(zhí)行機構臂長半徑為R，步進電機輸出齒輪半徑為r，步進電機初始轉(zhuǎn)角為0，相應的渦輪導流葉片角度為最小(此時角度為14°)，可以得到步進電步距角和渦輪導流葉片傾角關系如下式所示：

(1)

式中：

α—導流葉片傾角(°)；

β—步進電機步距角(°)；

R—變截面渦輪執(zhí)行機構臂長半徑(mm)；

r—步進電機輸出齒輪半徑(mm)；

θ0—步進電機初始轉(zhuǎn)角(°)。

由式(1)可以看出，步進電機步距角β與渦輪導流葉片傾角α成正比，渦輪導流葉片傾角可以用步進電機步距角來衡量；根據(jù)要求，本文選取一款BYG系列的混合式步進電機來對導流葉片傾角進行控制，步進電機主要參數(shù)如表4所示。

表4 BYG系列步進電機主要參數(shù)

系統(tǒng)執(zhí)行機構選用的L297和L298步進電機，因此選取其對應的專用控制器，用多種方式控制步進電機。

步進電機驅(qū)動器L297和L298的最大控制精度為半步模式，初選步進電機的步距角為1.8°，所以步進電機驅(qū)動器每接收到一個脈沖信號，就使步進電機轉(zhuǎn)動0.9°。采用半步模式，步進電機運動精度較低，使仿真結果與步進電機實際的運動角度存在較大誤差；因此在Proteus中，通過手動調(diào)節(jié)，采用16細分的步進電機模式，當采用16細分模式時，步進電機每接收一個脈沖信號，就運動1.8°/16=0.1125°，大大提高了控制精度。

3.4 回收系統(tǒng)控制器總體電路

通過Proteus建立的控制器總體電路圖如圖10所示，主要由控制芯片及其外圍電路、四個輸入信號的調(diào)理電路、步進電機驅(qū)動電路及虛擬串行接口電路組成。

3.5 程序設計與調(diào)試

為了保證模糊控制器準確運行，必須對控制器的控制程序進行編寫、調(diào)試?？刂瞥绦蛑饕煽刂浦鞒绦颉⒛：刂瞥绦蚝筒竭M電機控制程序三部分組成[10]。將程序編譯后生成的HEX文件導入Atmega2560控制芯片，結合制作的控制電路板完成測試驗證，對硬件電路和軟件程序的各個部分進行相應調(diào)試，通過觀測步進電機轉(zhuǎn)動角度值來記錄實驗數(shù)據(jù)。

本文采用模擬采集信號電路對四個輸入變量經(jīng)處理后的信號進行采集，通過四個滑動變阻器對渦輪機轉(zhuǎn)速n、發(fā)電機電流I、排氣背壓P和蓄電池SOC值四個輸入變量進行調(diào)節(jié)，改變輸入?yún)?shù)值，觀測步進電機轉(zhuǎn)動角度。

通過改變渦輪機轉(zhuǎn)速n和發(fā)電機電流I的值觀測渦輪機導流葉片傾角α值的變化過程，結果如圖11所示。對于某一轉(zhuǎn)速，導流葉片傾角α隨電流的增大而增大。對于所取轉(zhuǎn)速小于4×104r/min時，導流葉片傾角α在電流小于4×103mA時的變化不大，電流I達到5000 mA后，渦輪機導流葉片傾角α值也明顯增大。通過分析其變化趨勢可以得到，結果與模糊控制規(guī)則變化趨勢基本一致。

通過改變蓄電池SOC值和排氣背壓P的值觀測旁通閥開度β的變化過程，結果如圖12所示。

圖11 導流葉片傾角α變化規(guī)律

圖12 旁通閥開度β變化規(guī)律

看出，當蓄電池SOC值達到0.6后，旁通閥開度β的值明顯增大，在排氣背壓達到0.05 bar后，旁通閥開度β的值明顯增大，通過分析其變化趨勢可以得到，結果與模糊控制器規(guī)則的變化趨勢基本一致。

圖13 不同轉(zhuǎn)速下理論傾角與實際傾角的對比

圖14 不同排氣背壓下理論開度與實際開度的對比

如圖13和圖14所示，選取三個典型特征點的渦輪機轉(zhuǎn)速的理論傾角和實際傾角做對比，分別是渦輪機轉(zhuǎn)速為41660 r/min、43330 r/min和45000 r/min的三組數(shù)據(jù)；選取三個典型特征點的旁通閥理論開度和實際開度作對比，分別是排氣背壓為-0.05 bar、0.15 bar和0.5 bar的三組數(shù)據(jù)。從圖13和圖14可以看出，理論傾角與實際傾角變化趨勢基本一致，理論開度與實際開度的變化趨勢也基本一致；同時，三組數(shù)據(jù)分別存在細微誤差，實際傾角與理論傾角的誤差在0.3°以內(nèi)；實際開度與理論開度的誤差在0.2°以內(nèi)。

圖13和圖14產(chǎn)生誤差的原因是由于細分技術引起的誤差。本文選用的步進電機步距角為1.8°，而步進電機驅(qū)動器L297和L298選取的控制精度為半步模式，因此步進電機驅(qū)動器每接收到一個脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)動0.9°，為了達到更高的控制精度，手動采用16細分步進電機模式，步進電機每接收到一個脈沖信號，轉(zhuǎn)動1.8°/16=0.1125°。但是細分后的步進電機精度能否達到0.1125°還取決于細分驅(qū)動器的細分電流，細分數(shù)越大，精度就越難控制，這也是導致兩個步進電機的實際運行值與理論運行值存在誤差的原因。

4 總結

為了提高混合動力汽車廢氣能量回收系統(tǒng)工作效率和控制精度,設計了混合動力汽車廢氣能量回收系統(tǒng)模糊控制器，針對控制器的輸入輸出參數(shù)特性完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。利用Proteus完成了模糊控制器硬件電路的設計，包括控制芯片選型、電源轉(zhuǎn)換電路設計、步進電機驅(qū)動電路的設計，并完成了程序調(diào)試與電路板制作。試驗證明，理論導流葉片傾角與實際傾角變化趨勢基本一致，旁通閥理論開度與實際開度的變化趨勢也基本一致，誤差很小，可以滿足工作需求。

[1] 徐楊蛟．混合動力汽車廢氣能量回收系統(tǒng)控制策略研究[D]．重慶：重慶交通大學，2014．

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DesignofExhaustEnergyRecoverySystemControllerofHybridElectricVehicle

XIE Jin-li1, LI Xue-yun2, LI Jun2

(1. City College of Science and Technology, Chongqing University, Chongqing 402167,China;2. School of Mechanical & Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to improve the recovery efficiency of the exhaust gas energy recovery system of Hybrid Electric Vehicle, a controller which can be adjusted in time according to the different working conditions of the engine is designed, including the design of fuzzy controller, the data acquisition system, the hardware circuit of the fuzzy controller, the program debugging and circuit board production. Turbine speed, generator current, exhaust back pressure and value of battery SOC are used as the input of the controller, turbine guide vane angle and bypass valve opening are used as the output of the controller, to adjust the system to achieve the best working point and to improve the system efficiency. Experiments showed that compared with the theoretical design, the errors of the controller is very small, which can ensure the system to achieve high efficiency and stable running state.

exhaust gas energy recovery system; fuzzy control strategy; signal acquisition system

TH16；TG502

A

(編輯李秀敏)