帶有V2G并網(wǎng)的電動汽車用增程器控制策略

魏洪乾，張幽彤，蔣新柱，艾強，趙文強

（1. 北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2. 清潔車輛北京市重點實驗室，北京 100081）

排放法規(guī)的日益嚴峻和交通行業(yè)的“雙碳”目標推動燃油汽車的電氣化進程. 電動汽車因其駕駛無污染、經(jīng)濟效益突出逐漸得到市場的青睞[1]. 但同時其續(xù)駛里程短、充電時間長且換電成本高的缺點一定程度上制約著純電動汽車的推廣與發(fā)展[2]. 因此，用于擴展電動汽車續(xù)駛里程的增程系統(tǒng)逐漸成為研究的熱點[3]. 最常用的電動汽車增程器由發(fā)動機、發(fā)電機及其控制系統(tǒng)組成，類似于混合動力汽車的串聯(lián)式結(jié)構(gòu). 發(fā)動機只與發(fā)電機相連，整個增程器以電能的方式對外輸出能量，可以保證發(fā)動機始終工作在高效率工作區(qū)，減少燃油消耗的同時減少尾氣污染.

現(xiàn)階段增程器的研究主要圍繞系統(tǒng)的布局優(yōu)化和能量管理策略展開. 轉(zhuǎn)子發(fā)動機型增程器[4]可以利用燃氣直接推動轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，無需曲軸連桿機構(gòu)，因此功率體積比高，但是高油耗和尾氣污染以及對發(fā)電機的重構(gòu)都限制了其在電動汽車上的應用.此外，更多的增程系統(tǒng)研究圍繞能量管理策略開展.龔賢武等[5]匹配了電機的工作特性和整車的動力性能，增加了電動汽車的續(xù)駛里程. YANG 等[6]利用模糊控制理論對增程系統(tǒng)的功率需求和電池SOC進行了優(yōu)化，保證了系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性. 陳德海等[7]分析了電動汽車的電池健康狀態(tài)，優(yōu)化了電池的循環(huán)放電次數(shù)和母線電壓壓降，以提高汽車的總體續(xù)航里程. 楊波等[8]進行了柴電混合動力單元的增程發(fā)電效率研究，重點分析了影響增程系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，并且指出柴油機的轉(zhuǎn)速波動、電機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)速度等對動力單元穩(wěn)定性起到重要作用. 李永亮等[9]對增程系統(tǒng)的工作模式進行劃分，并且針對純電模式的主減速比進行了優(yōu)化，采用粒子群尋優(yōu)算法對增程模式下的功率跟隨策略進行了優(yōu)化求解. 牛繼高等[10]對發(fā)動機的功率進行了劃分，并且設計了不同功率等級的增程控制策略，優(yōu)化了系統(tǒng)布局和效率曲線.尹安東等[11]采用遺傳算法提出了3點控制策略，對發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性、發(fā)電機的發(fā)電性能進行了參數(shù)優(yōu)化.

電動汽車的動力電機制動發(fā)電技術已經(jīng)得到系統(tǒng)化的推廣. 胡宇輝等[12]對單軸并聯(lián)混合動力客車再生制動策略進行了深入解析，提出了一種逆向解析方案，分析各參數(shù)對制動發(fā)電的影響，擴展了電機的功率閥，并且提高了電池的壽命. 為了解決車用增程器的發(fā)電工況反電勢較大的問題，王永杰[13]提出了單電流調(diào)節(jié)弱磁穩(wěn)壓控制算法，利用小信號穩(wěn)定性分析手段優(yōu)化了增程器啟動/發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電穩(wěn)壓過程. 盧鐵軍[14]對混合動力汽車電動機、發(fā)電機一體化的永磁同步電機弱磁矢量控制策略展開研究，分析了控制系統(tǒng)的功率需求，并對發(fā)電過程的功率損耗進行了分析. 蔣佳明[15]分析了增程器發(fā)電機的發(fā)電功率和效率，對交直軸磁路交叉耦合下的弱磁控制策略進行了系統(tǒng)設計. 可以發(fā)現(xiàn)當前關于永磁同步電機發(fā)電控制系統(tǒng)的研究局限于系統(tǒng)的整體優(yōu)化，缺乏對增程器發(fā)電的控制精確性和經(jīng)濟成本考量.

盡管當前已經(jīng)對增程式汽車的動力匹配、能量管理和控制策略開展了許多探究，但是上述研究并沒有充分利用增程器的發(fā)電優(yōu)勢. 例如，增程系統(tǒng)在電動汽車閑置時可以通過逆變器發(fā)電并饋電至電網(wǎng)，真正實現(xiàn)電動汽車-增程器-電網(wǎng)的3端有機集成.實現(xiàn)電動汽車的增程系統(tǒng)集成能夠有利于多應用場景，如家庭用緊急情況下的電力補給、電池并網(wǎng)的“削峰填谷”功能以及純電動汽車的增程續(xù)航等. 因此，本文在原有增程系統(tǒng)的基礎上，利用電機逆變器實現(xiàn)了對電機的驅(qū)動和發(fā)電饋網(wǎng)(vehicle to grid，V2G)功能. 具體提出了增程控制系統(tǒng)的精確電氣位置估算算法，增程系統(tǒng)的多目標優(yōu)化能量管理策略以及增程發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)切換策略. 綜上所述，本文的創(chuàng)新點總結(jié)如下：

①本文設計了解耦雙同步參考系鎖相環(huán)電氣相位估算算法，實現(xiàn)了基于廉價霍爾位置傳感器的增程系統(tǒng)電氣相位和電網(wǎng)相位捕捉功能，一方面提高了系統(tǒng)的位置計算精度，另一方面減少了增程系統(tǒng)的整體經(jīng)濟開銷.

②本文利用多目標優(yōu)化算法對增程器的油耗和啟停次數(shù)進行了優(yōu)化，保證增程系統(tǒng)始終工作在高效率工作區(qū)，減少了系統(tǒng)油耗和整機碳排放.

1 系統(tǒng)模型設計

1.1 整體設計方案和功能描述

本文提出的增程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該增程系統(tǒng)是純電動汽車的輔助動力系統(tǒng)，取消了充電樁的設計，僅保留三相充電插口. 動力電池的充電功能完全由增程器實現(xiàn)，此舉降低了硬件成本和設計復雜性. 綜合來說，增程系統(tǒng)控制器可完成發(fā)電機驅(qū)動、電池充電及V2G饋網(wǎng)功能.

圖1 增程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Diagram of the range-extender

增程器的控制系統(tǒng)主要包含有IGBT模塊(電機驅(qū)動模塊)、電機控制器、發(fā)動機控制器、接觸器和增程器控制器等部件，如圖2所示. 其中接觸器負責IGBT模塊的三相線連接模式. 根據(jù)連接模式的不同，該控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)下述4個功能：

圖2 增程器的控制系統(tǒng)Fig. 2 Control system of the range-extender

①僅接觸器KM1閉合時，IGBT模塊與發(fā)電機連接，可控制電機工作在電動工況，將發(fā)動機拖至怠速附近使發(fā)動機點火.

②僅接觸器KM1閉合時，發(fā)動機控制器控制發(fā)動機工作，同時電機工作在發(fā)電模式. 二者協(xié)同配合給電動汽車的動力電池充電.

③僅接觸器KM2閉合，IGBT模塊連接到電網(wǎng)，電機控制器將電網(wǎng)的交流電整流為直流給動力電池充電.

④僅接觸器KM2閉合時，電機控制器將動力電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟娀爻淙腚娋W(wǎng)，實現(xiàn)V2G功能. 這一過程類似于家用光伏能源的原理，將發(fā)電能量并入電網(wǎng). 本部分功能可以將電池中的多余電量反饋給電網(wǎng)，以充當臨時的家用電源防備不時之需.

1.2 增程器的選型與匹配

本文選用的增程器主要針對奇瑞EQ1電動汽車使用. 根據(jù)汽車的功率平衡方程計算得到增程器的功率需求為

式中：v為車輛行駛速度；m為汽車質(zhì)量；η0為速度轉(zhuǎn)化系數(shù)；f為路面阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為前迎風面積；σ為汽車加速度系數(shù).

加裝增程器后的整車質(zhì)量 為1 695 kg. 假設增程器使電動汽車的續(xù)駛里程增加至500 km，動力電池不能過放電，選擇最小的SOC為20%. 由此，計算得到的增程器需求功率PAPU為

式中：E為動力電池所能提供的能量；S=500為電動汽車的總續(xù)駛里程；v=90 km/h. 結(jié)合式(1)(2)，可以確定增程器的輸出功率需求至少為PAPU=11 kW. 本文選用較為成熟的直列4缸汽油機作為增程器的原動機，發(fā)電機采用永磁同步電機，具體參數(shù)如表1所示.

表1 發(fā)動機和發(fā)電機參數(shù)Tab. 1 Parameters of engine and motor

發(fā)動機的最大功率為72 kW，最優(yōu)工況點根據(jù)功率需求和發(fā)動機的萬有特性求解得出. 選擇電機的整體發(fā)電效率為92%，因此發(fā)動機的輸出功率約為12 kW. 根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線與功率需求曲線(如圖3和圖4所示)，輸出功率為12 kW時，發(fā)動機的最優(yōu)發(fā)電工況確定為轉(zhuǎn)速1 750 r/min，轉(zhuǎn)矩為65 N·m.實際增程器功率跟蹤控制時，最優(yōu)工況點僅作為優(yōu)化變量參考使用.

圖3 發(fā)動機的萬有特性曲線Fig. 3 Universal characteristic curve of the internal combustion engine

圖4 發(fā)動機的萬有特性曲線與目標功率曲線Fig. 4 Targeted power curve and universal characteristic curve of the engine

為簡化文章結(jié)構(gòu)，本文不再對發(fā)動機和發(fā)電機的控制方式進行陳述，相關的控制算法可參照之前的研究[16]. 發(fā)動機、發(fā)電機及動力電池的匹配方法依據(jù)文獻[9]中的匹配方法獲取.

2 增程器并網(wǎng)發(fā)電控制

2.1 增程器電氣相位的跟蹤控制

增程器的發(fā)電功能主要依賴于發(fā)電機的矢量控制，而精確的電氣相位決定了整個系統(tǒng)的控制性能.傳統(tǒng)電氣位置信號采用旋轉(zhuǎn)變壓傳感器實時采樣，這會增加整個系統(tǒng)的經(jīng)濟成本. 為此，本文設計了基于廉價霍爾傳感器的解耦雙同步參考系鎖相環(huán)(decoupling dual-synchronous reference-phase locked loop,DDSRF-PLL)位置估算方法，實現(xiàn)了電氣位置的準確觀測，同時用于后續(xù)電網(wǎng)相位的跟蹤.

電機在d-q軸坐標系下的定子電壓方程可表示為

圖5 基于一階低通濾波的磁鏈計算Fig. 5 Flux calculation based on first order filter

圖6 電壓矢量在雙 Park 變換下的矢量分解圖Fig. 6 Vector exploded diagram of voltage vector under double park transformation

利用線性化的式(10)對式(7)和(8)進行簡化，得到正負時序分量值為

由于圖7展示的解耦雙同步鎖相環(huán)相位跟蹤技術在低速和啟動時計算誤差較大，本文為了提高相位跟蹤器的響應速度，將霍爾信號作為跟蹤器的前饋信號，對實際的電氣位置進行閉環(huán)觀測. 整個計算過程如圖8所示，其中Hallabc表示霍爾傳感器獲取的6個轉(zhuǎn)子位置信號.

圖7 解耦雙同步參考系鎖相環(huán)Fig. 7 Phase-locked loop in the decoupled dual synchronous reference

圖8 帶有霍爾前饋的解耦雙同步參考系鎖相環(huán)Fig. 8 Decoupling dual synchronous reference system phase-locked loop with Hall feedforward

霍爾前饋信號可以精確獲取6個邊沿的角度位置，通過平均轉(zhuǎn)速法[17-18]對實際的電氣位置進行粗略估算，用作整個電氣角度估計算法的前饋信息. 結(jié)合閉環(huán)的DDSRF-PLL方法實現(xiàn)對增程器發(fā)電機電氣位置的精準位置估計.

2.2 電網(wǎng)鎖相環(huán)控制

并網(wǎng)后的增程器控制器后可以利用電網(wǎng)給電池充電或者反向饋電. 整個過程采用矢量控制方法對電力整流進行控制. 最為關鍵的是需要在整流與逆變過程精準獲取電網(wǎng)的三相電相位角度. 本項研究采用上文提到的DDSRF-PLL方式對電網(wǎng)相位進行鎖相追蹤. 具體實現(xiàn)方式如圖9所示.

圖9 基于DDSRF-PLL技術的電網(wǎng)相位追蹤Fig. 9 Power grid phase tracking based on DDSRF-PLL technology

電網(wǎng)的三相電壓通過降功率的電壓三相傳感器采樣得到，經(jīng)過Clark變換以后得到靜態(tài)兩相的電壓值，利用DDSRF-PLL鎖相環(huán)技術實現(xiàn)電網(wǎng)q軸電壓的系統(tǒng)輸出，并且利用PI控制器對q值電壓進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，得到系統(tǒng)的電角速度，最后對電角速度積分得到實際的電網(wǎng)相位角度.

3 增程器參數(shù)優(yōu)化與模式控制

3.1 增程器控制參數(shù)優(yōu)化

本文采用最常用的CD-CS型最優(yōu)曲線功率跟隨策略[19]對增程系統(tǒng)的工作特性進行控制. 當動力電池電量足夠高的時候采取CD模式，汽車的動力需求由動力電池提供，增程器此時不工作. 當動力電池較低或整車的功率需求大于動力電池的額定放電功率時，增程器進入CS模式，發(fā)動機工作在效率最優(yōu)曲線上，輸出功率在一定范圍內(nèi)跟隨整車的功率需求.

至此，增程器的控制參數(shù)優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€帶有約束的多目標優(yōu)化問題，如式(17)所示

為了快速求解該問題，本文引入具有最大差異性的NSGA-II算法對其求解，具體的算法流程可參見之前的研究[20]. 基于此方法，具有雙目標權(quán)衡方案的帕累托前沿求解如圖10所示. 為了權(quán)衡所有非支配解，本文采用TOPSIS方法[21]在眾多的帕累托前言中選擇最優(yōu)的決策點如圖10所示. 最終，選擇的最優(yōu)控制參數(shù)為Xopt={20.2,50.5,6.8,48.8}.

圖10 帕累托前沿及 TOPSIS 決策方法Fig. 10 Pareto frontier and TOPSIS decision method

3.2 增程器啟動與工況點切換策略

增程器的啟動到發(fā)電需要進行熱機和工況點切換，所以明確整個系統(tǒng)的能量優(yōu)化以后需要制定相關的啟動與工況點切換策略[22].

考慮到增程器的啟動轉(zhuǎn)速較低，且發(fā)電機可以提供很大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此采取發(fā)電機預先啟動增程器，拖動發(fā)動機工作在怠速模式. 發(fā)電機工作在恒轉(zhuǎn)速模式，目標轉(zhuǎn)速設為700 r/min，發(fā)動機ECU點火啟動. 當發(fā)動機開始輸出轉(zhuǎn)矩并與電機一起加速時，電機改切換為恒轉(zhuǎn)矩模式. 待發(fā)動機穩(wěn)定運行一段時間后，電機采取逐步降載的方式停止工作，如圖11所示. 圖中的卸載起始時間通過試驗測定為t0=10,t1=40.

圖11 電機卸載方式Fig. 11 Motor unloading method

工況點的切換主要包括功率由高到低和由低到高2種情況. 在低功率點向高功率點切換時，切換策略保證切換過程盡量平穩(wěn)減少轉(zhuǎn)速波動，需要電機協(xié)調(diào)工作. 如發(fā)動機由怠速點向既定工況點切換時，此時電機的輸出轉(zhuǎn)矩為0，發(fā)動機需要采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)來調(diào)節(jié)油門值將發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高至預定工作點附近，然后電機以斜坡加載方式逐步加載反向電磁轉(zhuǎn)矩至轉(zhuǎn)矩目標值，為發(fā)動機調(diào)節(jié)油門維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定留出更多的時間，同時防止發(fā)動機負載突變帶來的轉(zhuǎn)速波動.

相反地，增程器由高功率點向低功率點切換時，首先電機開始在700 r/min工況處(如圖中Te點負載)卸載，發(fā)動機油門位置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，電機卸載結(jié)束以后發(fā)動機將目標轉(zhuǎn)速調(diào)整為低功率點的轉(zhuǎn)速值，完成功率點的連續(xù)切換.

4 試驗結(jié)果與討論

為了驗證提出的帶有V2G功能的增程系統(tǒng)，本文搭建了具有發(fā)動機、電機及并網(wǎng)設備的增程系統(tǒng)試驗平臺，如圖12所示. 本文在此基礎上進行了電氣位置估計算法對比實驗、并網(wǎng)發(fā)電試驗、模式切換與控制策略驗證試驗等.

圖12 增程器試驗平臺Fig. 12 Range extender test platform

4.1 試驗臺架描述

增程器的整體邏輯連接如圖13所示. 系統(tǒng)的主體由發(fā)動機及其同軸的發(fā)電機及其控制器組成. 增程器控制器負責與下游的電機控制器和發(fā)動機控制器通信，進行策略的執(zhí)行與驗證. 同時，增程器控制器通過TCP協(xié)議與上位機的監(jiān)測軟件通信，用于實時獲取數(shù)據(jù)并傳達指令等. 電機控制器需要完成逆變和并網(wǎng)發(fā)電功能. 考慮到動力電池的母線電壓為350 V，無法直接與電網(wǎng)并網(wǎng)，需要在電機控制器與電網(wǎng)之間加裝變壓器，將控制器輸出的交流電升壓后與電網(wǎng)連接.

圖13 增程器邏輯連接圖Fig. 13 Logic connection diagram of the range-extender

4.2 電氣位置估計與并網(wǎng)試驗驗證

4.2.1 電氣位置估計算法驗證

為了驗證電氣位置估計算法的準確性，本文選擇了500 r/min帶載20 N·m的工況進行試驗，結(jié)果如圖14所示，其中，本文選擇平均差值法[14]與本文提出的DDSRF-PLL算法作比較.

圖14 電氣角度結(jié)果對比Fig. 14 Comparison of electrical angle results

由圖可知，平均轉(zhuǎn)速法在估算位置的時候，會累積較大的誤差，該現(xiàn)象在扇區(qū)切換時刻尤為明顯，電氣位置會出現(xiàn)明顯的跳變過程，這對電機的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩控制會有很大的影響. 平均轉(zhuǎn)速方法最大值為15.2°，平均誤差高達5.51°. 作為對比，所提出的DDSRFPLL方法最大誤差僅為5.1°，平均誤差僅為1.48°.

電機的d-q軸電流和A相電流的變化情況如圖15所示. 可以看出，傳統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)速方法控制的d軸電流偏差較大，這一點同樣可以通過A相電流曲線發(fā)現(xiàn)：A相電流曲線在扇區(qū)切換點具有明顯的尖峰. 同時與平均轉(zhuǎn)速法相比較，本文使用的DDSRF-PLL方法估計的轉(zhuǎn)子位置更為連續(xù)準確，且三相電流更為正弦.

圖15 d-q 軸電流曲線與 A 相電流曲線Fig. 15 d-q axis current curve and A phase current curve

4.2.2 并網(wǎng)功能驗證

圖16展示了電網(wǎng)鎖相環(huán)的相位追蹤情況. 可以發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)鎖相環(huán)算法可以成功地追蹤到電網(wǎng)的電流變化相位：電網(wǎng)的A相電壓的過0點與鎖相環(huán)追蹤的電網(wǎng)0相位相吻合，表明此時增程器可自主地向電網(wǎng)進行饋電.

圖16 電網(wǎng)A相電壓與相角度Fig. 16 Grid A phase voltage and phase angle

并網(wǎng)實驗測量得到的電網(wǎng)電壓信號和電流波形信號如圖17所示. 圖中并網(wǎng)A相電流和電網(wǎng)A相電壓信號相位重合表明鎖相環(huán)已經(jīng)成功地捕捉到電網(wǎng)相位. 電網(wǎng)A相電壓和B相電壓二者相位差為120°，且注入電網(wǎng)的B相電流信號為正弦等幅振蕩曲線，表明增程器實現(xiàn)了功率因數(shù)為1的并網(wǎng)控制.

圖17 并網(wǎng)相電壓與饋網(wǎng)相電流曲線Fig. 17 Grid-connected phase voltage and feeder phase current curve

4.2.3 工況切換與定工況發(fā)電驗證

增程器的啟動試驗和工況切換及定工況發(fā)電試驗結(jié)果如圖18圖19所示. 增程器的啟動過程如圖18所示，首先電機拖動發(fā)動機至怠速點800 r/min附近，發(fā)動機在5 s以內(nèi)點火并怠速，至40 s時電機逐步卸載，增程器啟動完成，此時的轉(zhuǎn)速閉環(huán)由發(fā)動機單獨控制，轉(zhuǎn)速波動稍有增加. 圖19展示了增程器由怠速(800 r/min)工況切換至發(fā)電工況點(12 kW)的過程曲線. 首先發(fā)動機進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制將實際轉(zhuǎn)速提升至目標轉(zhuǎn)速(1 750 r/min)附近，維持一段時間以后開始提高發(fā)電功率表至目標值附近. 在45 s過后發(fā)電機轉(zhuǎn)矩為-65 N.m, 此時增程器的發(fā)電功率約為12 kW.

圖18 增程器啟動過程Fig. 18 Range extender startup process

圖19 增程器發(fā)電工況切換過程Fig. 19 Power generation mode switching process of the range extender

5 結(jié) 論

本文對具有V2G功能的增程式混合動力系統(tǒng)進行了建模、優(yōu)化和試驗驗證. 首先根據(jù)發(fā)動機的萬有特性曲線和增程器的功率需求確定了最優(yōu)發(fā)電曲線.然后利用多目標優(yōu)化的方法優(yōu)化了功率跟隨控制策略并確定了最佳的電池SOC和峰值功率等優(yōu)化變量. 此外，為了實現(xiàn)低成本的增程器發(fā)電控制，本文提出了基于DDSRF-PLL算法的電氣位置估算方法，并且在此基礎上實現(xiàn)了增程器的并網(wǎng)發(fā)電控制. 最后本文對所提出的控制策略和并網(wǎng)發(fā)電功能進行了試驗驗證. 主要結(jié)論如下：

①本文提出的電氣位置估算算法比傳統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)速方法平均誤差縮小29.6%，d軸電流幅值波動縮小近50%，相電流的總諧波失真降為原來的50.3%.

②并網(wǎng)試驗驗證了增程器控制器能實現(xiàn)增程器電氣位置和電網(wǎng)相位的鎖相跟蹤，并且能夠自主完成增程器并網(wǎng)功能.

③增程器啟動和工況切換結(jié)果表明提出的增程器協(xié)調(diào)切換策略可以保證增程器的動態(tài)工況切換平穩(wěn)，且自適應地跟蹤發(fā)電功率需求.