車用電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)匹配與設(shè)計

段雪瑩， 張 虹， 陳 意， 吳新濤

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300400)

電驅(qū)動壓氣機(jī)被廣泛應(yīng)用于混合動力汽車，燃料電池車等新型能源車上.在混合動力車輛上，尤其在48 V輕混等車型上，電驅(qū)動壓氣機(jī)被用于替代傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓或與傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓組成多級增壓系統(tǒng).它可以在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時，提供發(fā)動機(jī)所需的空氣量，以解決傳統(tǒng)增壓器的渦輪遲滯問題，并輔助傳統(tǒng)渦輪增壓在高速工況實(shí)現(xiàn)更高的壓比輸入，進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)動力與燃油效率[1].同時，它還可以在高速工況時，將多余的廢氣能量回收，通過發(fā)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能儲存起來.在燃料電池車輛上，它可被應(yīng)用于空氣進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī).因?yàn)殡姍C(jī)具有很強(qiáng)的加減速能力，它可以隨時根據(jù)控制策略改變其瞬態(tài)轉(zhuǎn)速以達(dá)到燃料電池陰極化學(xué)反應(yīng)所需的一定壓比和流量的空氣，這對于燃料電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)功率最大利用起到至關(guān)重要的作用.目前,許多研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)都致力于研發(fā)高性能的電驅(qū)動壓氣機(jī).

霍尼韋爾(Honeywell)公司是最早開展電驅(qū)動壓氣機(jī)技術(shù)研究的公司之一，其對電驅(qū)動壓氣機(jī)進(jìn)行了模擬仿真并先后開發(fā)出了3代電驅(qū)動壓氣機(jī)，研究結(jié)果表明了電驅(qū)動壓氣機(jī)不僅改善了發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，而且提高了發(fā)動機(jī)低速時的響應(yīng)特性[2-3].博格華納一直致力于研究二級增壓系統(tǒng)的電驅(qū)動壓氣機(jī).目前已開發(fā)出了多代實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品.日本長岡科技大學(xué)和三菱重工已分別研制出了最高轉(zhuǎn)速為220 000 r/min的電機(jī)與廢氣渦輪增壓器一體化布置的增壓器[4].采用永磁同步電機(jī)中置方式，在電機(jī)轉(zhuǎn)子上設(shè)計碳纖維材料的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，用來保證轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度.通過配機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有不用程度的提高.采用功率為2 kW的永磁同步電機(jī)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min和1200 r/min時，與采用可變截面渦輪增壓器相比發(fā)動機(jī)扭矩增加了17%[5].

文中針對某型車用增壓系統(tǒng)的要求，進(jìn)行車用電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的匹配設(shè)計，搭建試驗(yàn)測試臺架，建立能夠正確表示實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的仿真模型，為實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的控制和實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ).

首先根據(jù)一款電驅(qū)動離心壓氣機(jī)進(jìn)行電驅(qū)動壓氣機(jī)匹配設(shè)計，對高速電機(jī)等部件進(jìn)行選型.根據(jù)選型結(jié)果對于輔助系統(tǒng)即冷卻系統(tǒng)和電氣連接布局進(jìn)行設(shè)計，建立各部件之間的通訊，完成了試驗(yàn)臺架的搭建.接著完成針對于試驗(yàn)臺架仿真模型搭建，分別對于空壓機(jī)、高速電機(jī)、電機(jī)控制器和管道閥門進(jìn)行建模仿真.利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)去檢驗(yàn)校正模型，得到準(zhǔn)確的系統(tǒng)仿真模型和各部件之間的參數(shù)匹配情況.

1 電驅(qū)動壓氣機(jī)的匹配設(shè)計

1.1 電驅(qū)動壓氣機(jī)匹配計算

首先選定了一款電驅(qū)動離心壓氣機(jī)，壓氣機(jī)組成如圖1，參數(shù)如表1所示.

圖中A部分表示高速電機(jī)；B部分表示高速聯(lián)軸器布置；C部分表示皮帶輪傳動；D部分表示牽引傳動連接；E部分表示壓氣機(jī).

圖1 電驅(qū)動壓氣機(jī)組成

表1 空壓機(jī)參數(shù)表

為了確保電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)都符合預(yù)期的要求，首先要做的是計算匹配正確的高速電機(jī)參數(shù).根據(jù)電力拖動原理，電動機(jī)運(yùn)行時的軸受力必須遵守以下的動力學(xué)方程式.

(1)

式中：T為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為電動機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量；Ω為電動機(jī)角速度.

當(dāng)T=TL時，電力拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)均速；T>TL時，電力拖動系統(tǒng)處于暫態(tài)加速；T

(2)

式中：γ為絕熱指數(shù).

空壓機(jī)轉(zhuǎn)矩，功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系可寫成：

(3)

根據(jù)此，在壓氣機(jī)一定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩最大點(diǎn)即為此刻的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn).在空壓機(jī)特性曲線的等速度線上取得此速度下的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，求出不同轉(zhuǎn)速下的所有最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，繪制轉(zhuǎn)速-最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)曲線.

根據(jù)計算可知，在設(shè)計點(diǎn)(110 000 r/min)工作時，壓氣機(jī)的最大功率為7.9 kW，最大轉(zhuǎn)矩為0.68 N·m.文中采用的傳動系統(tǒng)為Rotrex系列，傳動比為12.67，計算得電機(jī)所需提供的轉(zhuǎn)速大概為9 000 r/min，轉(zhuǎn)矩需提供8.54 N·m.根據(jù)這些設(shè)計參數(shù)，選擇適合的電機(jī)并匹配電機(jī)控制器.電機(jī)和電機(jī)控制器參數(shù)如表2、3所示.

表2 電機(jī)參數(shù)表

表3 電機(jī)控制器參數(shù)表

1.2 電驅(qū)動壓氣機(jī)測試系統(tǒng)

為衡量電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的性能和匹配結(jié)果，搭建電驅(qū)動壓氣機(jī)測試系統(tǒng).測試系統(tǒng)主要分為冷卻系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)、進(jìn)出口管道系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及上位機(jī)控制系統(tǒng).其中，電機(jī)控制系統(tǒng)通過CAN協(xié)議建立通訊連接，PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過ModBus協(xié)議建立連接.上位機(jī)通過Labview軟件，發(fā)送指令控制電機(jī)工作，帶動壓氣機(jī)運(yùn)行并實(shí)時顯示采集到的數(shù)據(jù)信息并存儲.測試臺架能夠正?？刂评鋮s系統(tǒng)啟停、閥門開度大小調(diào)節(jié)以及傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時采集，并有故障診斷與報警功能，可分別對電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的電動性能和氣動性能參數(shù)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，得到完整的電動壓氣機(jī)測試參數(shù)和電機(jī)測試參數(shù)，以此來評價電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的性能.

2 電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)建模仿真

2.1 壓氣機(jī)建模

通過分析比較建模方法，選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建模.其優(yōu)點(diǎn)在于能較好應(yīng)對各種干擾因素(噪聲、形變和非線性等)；且能夠高效啟發(fā)式搜索和并行計算，所以適用范圍很廣，普遍應(yīng)用于各種函數(shù)優(yōu)化和組合生產(chǎn)優(yōu)化中.

如圖2所示為基本神經(jīng)元模型.

圖2 基本神經(jīng)元模型

圖中：x1,x2,…,xp為輸入信號，搭載輸入信息；wk1,wk2,...,wkp為神經(jīng)元k的權(quán)值；uk為輸入信號加權(quán)和線性組合結(jié)果；θk為閾值；φ(·)為激活函數(shù)，線性組合結(jié)果與閾值的非線性對應(yīng)，將輸出規(guī)定在一個區(qū)間；yk是神經(jīng)元k的輸出[6].

在擬合過程中容易出現(xiàn)“過擬合”情況，為了防止出現(xiàn)這樣的情況，文中在數(shù)據(jù)輸入前根據(jù)一定的規(guī)則先將其分成3類，分別為變量、訓(xùn)練值和測試值.這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了壓氣機(jī)特性曲線，因?yàn)槊織l曲線之間的相似性表明變量數(shù)據(jù)之間存在的某種函數(shù)規(guī)律.在防止過擬合的操作中，為了讓優(yōu)化求解的結(jié)果更加精確，也考慮到這種函數(shù)規(guī)律并使得其盡可能地體現(xiàn).使用前先對空壓機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考廠商給出的空壓機(jī)特性曲線圖進(jìn)行重新分類處理，通常使用divideint分類函數(shù)來分類，且3種數(shù)據(jù)所占比例分別為0.2∶0.6∶0.2[7].誤差在迭代15次之后達(dá)到了最小值，可以較好地表示期望.最終將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的特性曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)做出對比如圖3.

圖3 擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖

由圖可見：在空壓機(jī)工作覆蓋的范圍內(nèi)遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以起到較好的模擬作用.

2.2 電機(jī)及控制器建模

為了將高速電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的速度調(diào)控范圍擴(kuò)大，這里將根據(jù)電機(jī)基速將其控制分為兩個部分，分別為MTPA(最大轉(zhuǎn)矩電流比)控制(基速以下)和弱磁控制(基速以上)，來滿足對于不同工況、采用不同轉(zhuǎn)速驅(qū)動空壓機(jī)的響應(yīng)需求[8].

MTPA模塊的輸入為參考轉(zhuǎn)矩，圖4為MTPA模塊的Simulink框圖.

圖4 MTPA模塊Simulink模型

梯度下降弱磁控制仿真模塊如圖5所示.

圖5 梯度下降法弱磁控制Simulink模型

對模型經(jīng)過修正調(diào)整，可以得出以下的仿真結(jié)果圖.圖6(a)展示的是對應(yīng)于空壓機(jī)設(shè)計點(diǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化圖像；圖6(b)展示了電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤圖像.

圖6 電機(jī)在空壓機(jī)設(shè)計點(diǎn)運(yùn)行時仿真結(jié)果

2.3 閥門管道建模

電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)部件的連接很大程度依靠管道連接，在管道中流量和壓比的變化波動影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，最終影響燃料電池的內(nèi)部運(yùn)行.進(jìn)氣歧管的體積可表示為空壓機(jī)和燃料電池堆棧之間的總體積.歧管內(nèi)壓力變化與空壓機(jī)特性直接相關(guān).根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在歧管中積累的空氣流量的動態(tài)變化和歧管空氣壓力可以用以下公式表示.

(3)

(4)

式中:qout為歧管出口的空氣流量；Tin和Tout為壓氣機(jī)出口氣體的溫度和歧管空氣溫度；γ為空氣的熱比例系數(shù)；Ra為空氣氣體常數(shù)；V為流體的體積.在空氣中γ=1.4,Ra=8.3.

假定壓氣機(jī)的出口溫度和歧管內(nèi)氣體的溫度相同，則上式可以表示為

(5)

臨界壓比ξ為

(6)

使用噴嘴方程來計算qout，可根據(jù)臨界壓比，即馬赫數(shù)ξ將其劃分為兩個區(qū)域.

對于Patm/P>ξ，有：

(7)

對于Patm/P<ξ，有：

(8)

式中:θ為閥門的開啟角度；Cd為噴管的流量系數(shù)；S(θ)為對應(yīng)角度區(qū)域面積；臨界壓力比為ξ=0.528.

參考試驗(yàn)值將管道閥門對于流量和壓比的影響方程擬合,可寫成如下的結(jié)果.

qout=φ(θ,p).

(9)

2.4 電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)仿真模型建立與驗(yàn)證

前幾節(jié)中已經(jīng)對于電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了建模，下一步就是將主要部件按照它們之間的關(guān)系連接，首先建立壓氣機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：

(10)

式中：輸入量為u=[w*,θ]T；狀態(tài)量為x=[p,w]T；輸出量為y=[q,p]T.

對于主要部件對應(yīng)的方程分別建立系統(tǒng)方框圖如圖7所示.

圖7 主要部件系統(tǒng)方框圖

根據(jù)上述框圖進(jìn)行子模塊的連接最終得到整個系統(tǒng)的Simulink模型如圖8所示.

圖8 燃料電池空氣供給系統(tǒng)Simulink模型

選取幾個典型的工作點(diǎn)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)臺架的試驗(yàn)數(shù)據(jù).選取的工作點(diǎn)：空壓機(jī)轉(zhuǎn)速分別為70 000 r/min、90 000 r/min、110 000 r/min，對應(yīng)的閥門開度為60°、65°、65°.除了對于定工況點(diǎn)的對比仿真之外，將轉(zhuǎn)速和閥門開度設(shè)置為階躍信號變化來模擬工作過程中的動態(tài)變化，將動態(tài)變化制定為:先穩(wěn)定工作在70 000 r/min(60°)，一段時間后階躍提高到90 000 r/min(65°),再提高到110 000 r/min(65°)，最后恢復(fù)到初始值.觀察仿真模型的動態(tài)響應(yīng)是否能夠與實(shí)際臺架試驗(yàn)結(jié)果匹配.將仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)做對比分別得到不同轉(zhuǎn)速時，流量和壓比對比圖，如圖9-11所示.圖12為動態(tài)變化時流量壓比對比圖.

由圖可以看出，在穩(wěn)態(tài)工況中，從70 000 r/min-110 000 r/min的壓氣機(jī)主要工作區(qū)間仿真數(shù)據(jù)可以較好地表示試驗(yàn)數(shù)據(jù).最大差異:對于流量而言兩者誤差為7%，壓比最大誤差為2%；高轉(zhuǎn)速下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)略微比低轉(zhuǎn)速下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間長一點(diǎn).雖然在起步上升階段有一些誤差，但是基本與試驗(yàn)曲線相吻合，故此仿真模型可近似表示實(shí)際模型.在實(shí)際情況中，有很多引起誤差的因素存在，比如傳感器在工作中產(chǎn)生的細(xì)小誤差將會帶來計算結(jié)果的很大的偏差.在試驗(yàn)中，長時間讓系統(tǒng)運(yùn)行在高速工況之后停止運(yùn)行，或者回到低速運(yùn)行工況，排氣管道沒有能夠很好地短時間內(nèi)將高壓氣體完全排出，造成壓力值遲遲降低不下來.然而，在仿真中，這些實(shí)驗(yàn)器材，甚至是實(shí)驗(yàn)環(huán)境所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差是完全可以規(guī)避的，這就導(dǎo)致在系統(tǒng)開始運(yùn)行時，仿真的響應(yīng)總是稍微比實(shí)際的快一些.

圖11 110 000 r/min時流量壓比對比圖

圖12 動態(tài)變化時流量壓比對比圖

如圖12動態(tài)工況所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速迅速下降，仿真模型的流量和壓比能夠迅速地下降，而實(shí)際情況中則要慢一些.經(jīng)過對比仿真和試驗(yàn)，這些細(xì)小的誤差所帶來的影響較小，仿真模型也可以很好地做出跟隨反應(yīng).所以，經(jīng)過本章的驗(yàn)證，可以采用本章搭建的仿真模型進(jìn)行后續(xù)實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的控制和實(shí)際應(yīng)用.

3 結(jié) 論

通過電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)匹配設(shè)計和搭建測試平臺，對系統(tǒng)主要部件(空壓機(jī)、電機(jī)和電機(jī)控制器)工作過程進(jìn)行了分析，完成對應(yīng)實(shí)際測試臺架的部件仿真模型的搭建，并根據(jù)整個系統(tǒng)的運(yùn)行過程將各個部件仿真模型進(jìn)行連接.為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，在實(shí)際臺架上進(jìn)行了壓氣機(jī)工作范圍上3個工作點(diǎn)(即70 000 r/min、90 000 r/min、110 000 r/min)最高效率點(diǎn)的試驗(yàn).對比仿真分析結(jié)果，流量最大誤差為7%，壓比最大誤差為2%.通過轉(zhuǎn)速和閥門開度調(diào)節(jié)，在測試臺架上實(shí)時記錄電驅(qū)動壓氣機(jī)壓比和流量的動態(tài)變化情況，驗(yàn)證電驅(qū)動壓氣機(jī)系統(tǒng)的仿真模型，以及系統(tǒng)各個部件之間的參數(shù)匹配關(guān)系，為后續(xù)的控制算法提供了指導(dǎo).