混合勵磁電機(jī)的電動汽車增程器控制策略

侯 玨， 姚棟偉， 吳 鋒， 呂成磊， 王 涵， 沈俊昊

(浙江大學(xué) 動力機(jī)械及車輛工程研究所， 杭州 310027)

以插電串聯(lián)為特征的增程式電動汽車是目前電池技術(shù)突破之前由傳統(tǒng)燃油車向純電動汽車過渡的最理想車型[1].在眾多車載增程器構(gòu)型[2-5]中，內(nèi)燃發(fā)電型增程器因技術(shù)相對成熟、結(jié)構(gòu)緊湊和成本較低而被廣泛應(yīng)用.發(fā)電機(jī)大多采用永磁同步電機(jī)[6-8]，也有少數(shù)采用三相無刷交流同步電機(jī)[9]及其他電機(jī)[10].電勵磁電機(jī)因磁動勢感應(yīng)系數(shù)較低而效率不高，難以應(yīng)用于功率需求較大的場合[11]；永磁同步電機(jī)發(fā)電需借助脈沖寬度調(diào)制(PWM)全橋/半橋整流等技術(shù)，控制難度和成本較高.混合勵磁電機(jī)最早由McCarty[12]提出，它綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，高效緊湊，特別適合對輸出電壓/功率的穩(wěn)定性要求較高的場合；通過引入勵磁電流對輸出電壓進(jìn)行控制，控制邏輯更簡單，控制成本更低，并且利于驅(qū)動系統(tǒng)的解耦控制和效率優(yōu)化[13]，在增程式電動汽車領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景.

一方面，增程器控制的最終目標(biāo)是快速響應(yīng)目標(biāo)發(fā)電功率，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放；另一方面，沿著最優(yōu)曲線進(jìn)行功率跟隨的增程器有利于小型化[14]，因此增程器控制策略需要解決增程器發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的強(qiáng)耦合問題，降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整頻率，將增程器的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況點(diǎn)限制在設(shè)定的高效低排工作區(qū)域內(nèi).申永鵬等[6]提出了一種基于發(fā)動機(jī)制動比油耗(BSFC)曲線的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速切換-整流器功率跟隨的增程器協(xié)調(diào)控制策略.胡明寅等[15]設(shè)計了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)電流的雙閉環(huán)控制策略.Zhang等[16]利用比例-積分-微分(PID)算法和模糊控制器來保證發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化時保持穩(wěn)定.后續(xù)該團(tuán)隊(duì)對發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[17].現(xiàn)有研究在一定程度上完成了增程器的解耦協(xié)調(diào)控制[18]，但較少考慮到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制慢于電機(jī)功率/轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，這會導(dǎo)致工況點(diǎn)實(shí)際遷移路徑偏離設(shè)定的最優(yōu)曲線.并且多數(shù)基于永磁同步電機(jī)的實(shí)現(xiàn)較大程度上依賴于其控制精度、控制系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，針對混合勵磁增程器動態(tài)控制的相關(guān)研究目前還未見報導(dǎo).

本文利用混合勵磁電機(jī)氣隙磁場的平滑調(diào)整特性，提出一種基于混合勵磁電機(jī)的新型電動汽車增程器.針對混合勵磁增程器動態(tài)協(xié)調(diào)控制問題，制定了基于增程器整體效率特性的多轉(zhuǎn)速點(diǎn)工作區(qū)域，設(shè)計了圍繞工作區(qū)域的增程器轉(zhuǎn)速-功率解耦的雙閉環(huán)控制算法，并利用MATLAB/Simulink開發(fā)平臺進(jìn)行了算法實(shí)現(xiàn)，最后基于自行開發(fā)的混合勵磁增程器原理樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

混合勵磁增程器的控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，增程器主體由混合勵磁發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)通過錐軸剛性連接形成，發(fā)動機(jī)選用一款V型雙缸全電控發(fā)動機(jī)，發(fā)電機(jī)選用一款混合勵磁電機(jī)，詳細(xì)參數(shù)見表1和表2.采用基于控制器局域網(wǎng)(CAN)總線的分層式網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，增程器控制器(RCU)與整車控制器(VCU)通過整車層CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，與發(fā)動機(jī)控制器(ECU)通過內(nèi)部CAN與進(jìn)行通訊.增程器不直接參與驅(qū)動，而是在整車動力電池電量不足時發(fā)電以提供額外電量，延長續(xù)駛里程，避免電池過放電.

圖1 混合勵磁增程器控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of hybrid excitation range-extender control system

RCU接收VCU的控制指令，經(jīng)內(nèi)部控制算法對發(fā)動機(jī)和混合勵磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，完成增程器的按需啟停和發(fā)電功率調(diào)整，并將當(dāng)前工作狀態(tài)信息反饋給VCU.RCU集成混合勵磁發(fā)電機(jī)控制器功能，通過采集母線電壓與電流、電機(jī)勵磁電流等信號，對混合勵磁電機(jī)進(jìn)行勵磁電流調(diào)整，實(shí)現(xiàn)增程器發(fā)電功率閉環(huán)控制.ECU接收RCU的發(fā)動機(jī)啟停命令和目標(biāo)轉(zhuǎn)速命令，進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，并反饋實(shí)際轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)工作狀態(tài).發(fā)電狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)帶動混合勵磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)不控整流橋與整車直流母線相連，所發(fā)的電能可為驅(qū)動電機(jī)供電或給動力電池充電.

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)Tab. 1 Parameters of engine

表2 混合勵磁電機(jī)參數(shù)Tab. 2 Parameters of hybrid excitation generator

2 控制策略設(shè)計

2.1 多轉(zhuǎn)速點(diǎn)功率跟隨策略

基于混合勵磁增程器整體燃油消耗率萬有特性曲線，設(shè)計增程器多轉(zhuǎn)速點(diǎn)工作區(qū)間，如圖2所示.為保證增程器在發(fā)電過程中的燃油經(jīng)濟(jì)性，兼顧動力電池壽命和運(yùn)行振動噪聲問題，實(shí)際發(fā)電工況區(qū)域限定增程器發(fā)電功率區(qū)間為4～16 kW，發(fā)電轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 800～3 600 r/min，增程器在整個限定發(fā)電功率區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)發(fā)電功率的跟隨.

圖2 增程器多轉(zhuǎn)速點(diǎn)工作區(qū)間Fig.2 Multi-speed point operating regions of range-extender

為減少增程器轉(zhuǎn)速頻繁調(diào)整對油耗和排放產(chǎn)生的不利影響[6]，設(shè)計了多轉(zhuǎn)速點(diǎn)功率跟隨策略，將限定發(fā)電功率區(qū)間分為若干個發(fā)電功率子區(qū)間.發(fā)電功率子區(qū)間的確定一方面要保證較低的增程器整體燃油消耗率，另一方面，需要遠(yuǎn)離增程器外特性曲線以免運(yùn)行不穩(wěn)定.最終根據(jù)混合勵磁增程器整體效率特性確定了功率子區(qū)間-轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，如表3和圖2中紅色線段所示.

表3 功率子區(qū)間-轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系

圖3 混合勵磁增程器轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法Fig.3 Speed-power decoupling control algorithm for hybrid excitation range-extender

2.2 轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法

在多轉(zhuǎn)速點(diǎn)功率跟隨策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計如圖3所示的混合勵磁增程器轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法，RCU根據(jù)實(shí)際目標(biāo)發(fā)電功率查功率子區(qū)間-轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，再由發(fā)動機(jī)ECU與RCU獨(dú)立完成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和發(fā)電功率閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)解耦后對發(fā)電目標(biāo)功率的跟隨.

在實(shí)際增程器控制試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)對目標(biāo)功率的響應(yīng)速度快于發(fā)動機(jī)對轉(zhuǎn)速的響應(yīng)速度，當(dāng)目標(biāo)功率變化較大時容易造成系統(tǒng)瞬態(tài)遷移工況偏離設(shè)定的工作區(qū)域，因此考慮對實(shí)際請求功率進(jìn)行限制.利用實(shí)際轉(zhuǎn)速查找轉(zhuǎn)速-功率子區(qū)間對應(yīng)關(guān)系，得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下允許的發(fā)電功率來限制實(shí)際目標(biāo)功率，將增程器實(shí)際工況遷移路徑限制在圍繞功率區(qū)間的多轉(zhuǎn)速點(diǎn)工作區(qū)域內(nèi)，對應(yīng)圖2中的灰色陰影區(qū).

當(dāng)目標(biāo)功率在功率子區(qū)間內(nèi)部變化時，增程器轉(zhuǎn)速不變，工況點(diǎn)局限在功率子區(qū)間內(nèi)；當(dāng)目標(biāo)功率在不同的功率子區(qū)間之間切換時，由于當(dāng)前轉(zhuǎn)速映射到不同的功率子區(qū)間，增程器實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)在控制策略的限制下沿著虛線呈階梯狀上升和下降，避免其偏離設(shè)定的工作區(qū)域.

2.3 功率-勵磁電流串級系統(tǒng)PI控制

為實(shí)現(xiàn)混合勵磁增程器發(fā)電功率閉環(huán)控制，利用混合勵磁電機(jī)輸出電壓單端口可控的特性，引入勵磁電流這一中間控制變量，設(shè)計了基于串級系統(tǒng)的混合勵磁增程器功率-勵磁電流雙閉環(huán)控制策略，如圖3中的虛線框以內(nèi)部分.通過勵磁電流調(diào)節(jié)勵磁占空比這一最終控制變量，改變氣隙磁場分布與強(qiáng)度，進(jìn)而改變電勵磁部分的感應(yīng)電勢，實(shí)現(xiàn)混合勵磁電機(jī)的輸出控制.

串級控制系統(tǒng)的外部閉環(huán)用于快速消除動態(tài)干擾，內(nèi)部閉環(huán)用于調(diào)節(jié)輸出效果，從而使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，改善了動態(tài)性能.混合勵磁增程器系統(tǒng)對輸出精度和動態(tài)響應(yīng)特性都有較高的要求，因此基于PI控制器的雙閉環(huán)控制方法非常適用.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)臺架

利用MATLAB/Simulink搭建了混合勵磁增程器整體控制策略模型，經(jīng)測試之后自動生成應(yīng)用層的嵌入式C代碼，與底層手寫代碼聯(lián)合編譯之后下載到RCU硬件中，并基于混合勵磁增程器臺架進(jìn)行驗(yàn)證.圖4給出了增程器測試臺架的拓?fù)鋱D，包括混合勵磁增程器、RCU、負(fù)載箱、油箱、CAN通信設(shè)備及監(jiān)控調(diào)試上位機(jī).CAN通信分析設(shè)備采用德國Vector的CANoe VN1630A，搭建上位機(jī)面板模擬整車控制器的功能，對增程器控制器發(fā)出模擬控制指令，并實(shí)時監(jiān)控/記錄增程器的運(yùn)行狀態(tài).負(fù)載箱采用電阻負(fù)載箱，用于消耗增程器發(fā)出的電能.

圖4 增程器測試臺架Fig.4 Testing bench for range-extender

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

串級控制系統(tǒng)的控制效果如圖5所示，將其與單閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行對比驗(yàn)證.發(fā)電功率從2 kW上升至3 kW，單閉環(huán)控制系統(tǒng)需要33 s，而雙閉環(huán)僅需9 s.選取穩(wěn)定發(fā)電功率為2 kW的工況，連續(xù)采集了85 s的數(shù)據(jù).由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，串級控制系統(tǒng)的發(fā)電功率標(biāo)準(zhǔn)差為0.029 kW，單閉環(huán)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.061 kW.由此可見功率-勵磁電流雙閉環(huán)控制策略可有效加快響應(yīng)速率，減小發(fā)電功率波動.

圖5 串級控制系統(tǒng)控制效果Fig.5 Control effect of cascade control system

利用上位機(jī)進(jìn)行增程器功率跟隨試驗(yàn)，目標(biāo)功率按照0-5-10-15-10-5-0 kW的順序給定，待實(shí)際功率到達(dá)目標(biāo)功率并穩(wěn)定之后，再改變目標(biāo)功率.目標(biāo)功率調(diào)整過程中，始終控制負(fù)載箱負(fù)載功率大小至發(fā)電功率附近.記錄增程器實(shí)際功率、目標(biāo)功率、實(shí)際轉(zhuǎn)速、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、輸出電壓、輸出電流、勵磁電流以及勵磁占空比隨時間變化的數(shù)據(jù).

將圖6與圖7聯(lián)合分析可知，當(dāng)目標(biāo)發(fā)電功率變化時，目標(biāo)轉(zhuǎn)速根據(jù)設(shè)定的功率子區(qū)間-轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行切換，表明文中設(shè)計的多轉(zhuǎn)速點(diǎn)功率跟隨策略切實(shí)可行.實(shí)際發(fā)電功率可較快響應(yīng)目標(biāo)發(fā)電功率，且響應(yīng)速度與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度相關(guān)，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法.

圖6 功率跟隨特性Fig.6 Power following characteristics

圖7 轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性Fig.7 Speed response characteristics

分別選取5 kW、10 kW、15 kW發(fā)電功率目標(biāo)條件下，增程器達(dá)到穩(wěn)態(tài)的200個連續(xù)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，進(jìn)行混合勵磁增程器動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略的穩(wěn)態(tài)特性分析.試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)速的平均穩(wěn)態(tài)誤差為14 r/min，輸出功率的平均穩(wěn)態(tài)誤差為0.18 kW.但是在實(shí)際功率下降過程中，實(shí)際發(fā)電功率并不能完全達(dá)到目標(biāo)功率值，穩(wěn)態(tài)誤差約為0.43 kW.由圖6增程器實(shí)際的動態(tài)功率跟隨特性數(shù)據(jù)可知，目標(biāo)功率上升過程中，由于存在怠速工況，所以不考慮初始啟動過程5 kW目標(biāo)功率時的響應(yīng)時間，目標(biāo)功率由5 kW切換到10 kW的上升時間大約為9.5 s，10 kW到14 kW上升時間大約需要10.5 s.

圖8 增程器輸出電壓與電流特性Fig.8 Output voltage and current characteristics of range-extender

圖9 串級閉環(huán)系統(tǒng)中間控制變量變化特性Fig.9 Variation characteristics of intermediate control variables in cascade closed-loop systems

由圖8和圖9中的數(shù)據(jù)分析可知，整個功率跟隨試驗(yàn)過程中，混合勵磁增程器的輸出電壓和輸出電流穩(wěn)定.勵磁電流作為功率-勵磁電流串級PI控制系統(tǒng)中外部閉環(huán)的控制量，在目標(biāo)功率突變時快速大幅調(diào)整以消除動態(tài)干擾，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)；勵磁占空比作為內(nèi)部閉環(huán)的控制量，進(jìn)行小幅調(diào)整以快速穩(wěn)定增程器輸出.

為了更加清楚地分析瞬態(tài)遷移過程增程器工況點(diǎn)的遷移路徑，將目標(biāo)功率上升過程與下降過程的數(shù)據(jù)整理成轉(zhuǎn)速-功率對應(yīng)關(guān)系，如圖10和圖11中藍(lán)色“+”和“×”所示.可以看出，當(dāng)目標(biāo)功率需要增程器在不同轉(zhuǎn)速-功率子區(qū)間遷移時，增程器實(shí)際的工況點(diǎn)遷移路徑基本圍繞多轉(zhuǎn)速點(diǎn)工作區(qū)域，功率調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的速率匹配良好，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與功率的動態(tài)協(xié)調(diào)控制.由工況點(diǎn)密集程度分析，功率跟隨過程增程器大部分工況點(diǎn)都落在設(shè)定的轉(zhuǎn)速-功率子區(qū)間上，避免了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁切換，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性.對比圖10和圖11可知，目標(biāo)功率下降過程，轉(zhuǎn)速下降速率加快，一方面，記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)減少；另一方面，導(dǎo)致功率閉環(huán)調(diào)節(jié)波動變大.因此相比于功率下降過程，功率上升過程的工況點(diǎn)遷移軌跡更貼近于設(shè)置的多轉(zhuǎn)速點(diǎn)工作區(qū)域.

圖10 目標(biāo)功率上升過程增程器工況點(diǎn)分布Fig.10 Distribution of range-extender operating points in target power rising process

圖11 目標(biāo)功率下降過程增程器工況點(diǎn)分布Fig.11 Distribution of range-extender operating point in target power dropping process

4 結(jié)論

(1) 針對增程器動態(tài)協(xié)調(diào)控制問題，利用混合勵磁電機(jī)氣隙磁場的平滑調(diào)整特性，提出增程器轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法，設(shè)計多轉(zhuǎn)速點(diǎn)功率跟隨策略，試驗(yàn)結(jié)果表明可有效減少發(fā)電工況遷移過程中轉(zhuǎn)速的頻繁切換.

(2) 利用發(fā)動機(jī)控制器與增程器控制器獨(dú)立完成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和發(fā)電功率閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與功率的解耦控制，引入勵磁電流這一中間變量實(shí)現(xiàn)了發(fā)電功率-勵磁電流的串級系統(tǒng)控制.試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相比于單閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用串級系統(tǒng)控制可有效提高增程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能.

(3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，混合勵磁增程器輸出發(fā)電功率的動態(tài)響應(yīng)較快，平均響應(yīng)時間為10 s；穩(wěn)態(tài)誤差在可接受范圍內(nèi)，功率上升過程約為0.18 kW，功率下降過程約為0.43 kW；穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運(yùn)行工況均位于設(shè)定工作區(qū)域內(nèi)，發(fā)電控制策略可行.