帶有V2G并網(wǎng)的電動(dòng)汽車用增程器控制策略

魏洪乾，張幽彤，蔣新柱，艾強(qiáng)，趙文強(qiáng)

（1. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 清潔車輛北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

排放法規(guī)的日益嚴(yán)峻和交通行業(yè)的“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)燃油汽車的電氣化進(jìn)程. 電動(dòng)汽車因其駕駛無污染、經(jīng)濟(jì)效益突出逐漸得到市場(chǎng)的青睞[1]. 但同時(shí)其續(xù)駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)且換電成本高的缺點(diǎn)一定程度上制約著純電動(dòng)汽車的推廣與發(fā)展[2]. 因此，用于擴(kuò)展電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的增程系統(tǒng)逐漸成為研究的熱點(diǎn)[3]. 最常用的電動(dòng)汽車增程器由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)組成，類似于混合動(dòng)力汽車的串聯(lián)式結(jié)構(gòu). 發(fā)動(dòng)機(jī)只與發(fā)電機(jī)相連，整個(gè)增程器以電能的方式對(duì)外輸出能量，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效率工作區(qū)，減少燃油消耗的同時(shí)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(dòng)機(jī)型增程器[4]可以利用燃?xì)庵苯油苿?dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，無需曲軸連桿機(jī)構(gòu)，因此功率體積比高，但是高油耗和尾氣污染以及對(duì)發(fā)電機(jī)的重構(gòu)都限制了其在電動(dòng)汽車上的應(yīng)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(jī)的工作特性和整車的動(dòng)力性能，增加了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程. YANG 等[6]利用模糊控制理論對(duì)增程系統(tǒng)的功率需求和電池SOC進(jìn)行了優(yōu)化，保證了系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性. 陳德海等[7]分析了電動(dòng)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(jìn)行了柴電混合動(dòng)力單元的增程發(fā)電效率研究，重點(diǎn)分析了影響增程系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，并且指出柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)速度等對(duì)動(dòng)力單元穩(wěn)定性起到重要作用. 李永亮等[9]對(duì)增程系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行劃分，并且針對(duì)純電模式的主減速比進(jìn)行了優(yōu)化，采用粒子群尋優(yōu)算法對(duì)增程模式下的功率跟隨策略進(jìn)行了優(yōu)化求解. 牛繼高等[10]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行了劃分，并且設(shè)計(jì)了不同功率等級(jí)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(diǎn)控制策略，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化.

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電機(jī)制動(dòng)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到系統(tǒng)化的推廣. 胡宇輝等[12]對(duì)單軸并聯(lián)混合動(dòng)力客車再生制動(dòng)策略進(jìn)行了深入解析，提出了一種逆向解析方案，分析各參數(shù)對(duì)制動(dòng)發(fā)電的影響，擴(kuò)展了電機(jī)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(shì)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(hào)穩(wěn)定性分析手段優(yōu)化了增程器啟動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電穩(wěn)壓過程. 盧鐵軍[14]對(duì)混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)一體化的永磁同步電機(jī)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(duì)發(fā)電過程的功率損耗進(jìn)行了分析. 蔣佳明[15]分析了增程器發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率和效率，對(duì)交直軸磁路交叉耦合下的弱磁控制策略進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì). 可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前關(guān)于永磁同步電機(jī)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(duì)增程器發(fā)電的控制精確性和經(jīng)濟(jì)成本考量.

盡管當(dāng)前已經(jīng)對(duì)增程式汽車的動(dòng)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(shì). 例如，增程系統(tǒng)在電動(dòng)汽車閑置時(shí)可以通過逆變器發(fā)電并饋電至電網(wǎng)，真正實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車-增程器-電網(wǎng)的3端有機(jī)集成.實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的增程系統(tǒng)集成能夠有利于多應(yīng)用場(chǎng)景，如家庭用緊急情況下的電力補(bǔ)給、電池并網(wǎng)的“削峰填谷”功能以及純電動(dòng)汽車的增程續(xù)航等. 因此，本文在原有增程系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用電機(jī)逆變器實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(biāo)優(yōu)化能量管理策略以及增程發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)切換策略. 綜上所述，本文的創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下：

①本文設(shè)計(jì)了解耦雙同步參考系鎖相環(huán)電氣相位估算算法，實(shí)現(xiàn)了基于廉價(jià)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(jì)算精度，另一方面減少了增程系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)開銷.

②本文利用多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)增程器的油耗和啟停次數(shù)進(jìn)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(jī)碳排放.

1 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)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(dòng)汽車的輔助動(dòng)力系統(tǒng)，取消了充電樁的設(shè)計(jì)，僅保留三相充電插口. 動(dòng)力電池的充電功能完全由增程器實(shí)現(xiàn)，此舉降低了硬件成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性. 綜合來說，增程系統(tǒng)控制器可完成發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊)、電機(jī)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)下述4個(gè)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(shí)，IGBT模塊與發(fā)電機(jī)連接，可控制電機(jī)工作在電動(dòng)工況，將發(fā)動(dòng)機(jī)拖至怠速附近使發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火.

②僅接觸器KM1閉合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作，同時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電模式. 二者協(xié)同配合給電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池充電.

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

④僅接觸器KM2閉合時(shí)，電機(jī)控制器將動(dòng)力電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟娀爻淙腚娋W(wǎng)，實(shí)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(dāng)臨時(shí)的家用電源防備不時(shí)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(duì)奇瑞EQ1電動(dòng)汽車使用. 根據(jù)汽車的功率平衡方程計(jì)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(fēng)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(shè)增程器使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程增加至500 km，動(dòng)力電池不能過放電，選擇最小的SOC為20%. 由此，計(jì)算得到的增程器需求功率PAPU為

式中：E為動(dòng)力電池所能提供的能量；S=500為電動(dòng)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(jī)作為增程器的原動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，具體參數(shù)如表1所示.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)參數(shù)Tab. 1 Parameters of engine and motor

發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率為72 kW，最優(yōu)工況點(diǎn)根據(jù)功率需求和發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性求解得出. 選擇電機(jī)的整體發(fā)電效率為92%，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率約為12 kW. 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)際增程器功率跟蹤控制時(shí)，最優(yōu)工況點(diǎn)僅作為優(yōu)化變量參考使用.

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線Fig. 3 Universal characteristic curve of the internal combustion engine

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線與目標(biāo)功率曲線Fig. 4 Targeted power curve and universal characteristic curve of the engine

為簡(jiǎn)化文章結(jié)構(gòu)，本文不再對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的控制方式進(jìn)行陳述，相關(guān)的控制算法可參照之前的研究[16]. 發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及動(dòng)力電池的匹配方法依據(jù)文獻(xiàn)[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(jī)的矢量控制，而精確的電氣相位決定了整個(gè)系統(tǒng)的控制性能.傳統(tǒng)電氣位置信號(hào)采用旋轉(zhuǎn)變壓傳感器實(shí)時(shí)采樣，這會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本. 為此，本文設(shè)計(jì)了基于廉價(jià)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(shí)現(xiàn)了電氣位置的準(zhǔn)確觀測(cè)，同時(shí)用于后續(xù)電網(wǎng)相位的跟蹤.

電機(jī)在d-q軸坐標(biāo)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(jì)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(duì)式(7)和(8)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到正負(fù)時(shí)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(shù)在低速和啟動(dòng)時(shí)計(jì)算誤差較大，本文為了提高相位跟蹤器的響應(yīng)速度，將霍爾信號(hào)作為跟蹤器的前饋信號(hào)，對(duì)實(shí)際的電氣位置進(jìn)行閉環(huán)觀測(cè). 整個(gè)計(jì)算過程如圖8所示，其中Hallabc表示霍爾傳感器獲取的6個(gè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào).

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(hào)可以精確獲取6個(gè)邊沿的角度位置，通過平均轉(zhuǎn)速法[17-18]對(duì)實(shí)際的電氣位置進(jìn)行粗略估算，用作整個(gè)電氣角度估計(jì)算法的前饋信息. 結(jié)合閉環(huán)的DDSRF-PLL方法實(shí)現(xiàn)對(duì)增程器發(fā)電機(jī)電氣位置的精準(zhǔn)位置估計(jì).

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(gè)過程采用矢量控制方法對(duì)電力整流進(jìn)行控制. 最為關(guān)鍵的是需要在整流與逆變過程精準(zhǔn)獲取電網(wǎng)的三相電相位角度. 本項(xiàng)研究采用上文提到的DDSRF-PLL方式對(duì)電網(wǎng)相位進(jìn)行鎖相追蹤. 具體實(shí)現(xiàn)方式如圖9所示.

圖9 基于DDSRF-PLL技術(shù)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(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)q軸電壓的系統(tǒng)輸出，并且利用PI控制器對(duì)q值電壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，得到系統(tǒng)的電角速度，最后對(duì)電角速度積分得到實(shí)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(duì)增程系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行控制. 當(dāng)動(dòng)力電池電量足夠高的時(shí)候采取CD模式，汽車的動(dòng)力需求由動(dòng)力電池提供，增程器此時(shí)不工作. 當(dāng)動(dòng)力電池較低或整車的功率需求大于動(dòng)力電池的額定放電功率時(shí)，增程器進(jìn)入CS模式，發(fā)動(dòng)機(jī)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€(gè)帶有約束的多目標(biāo)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(duì)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(biāo)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(diǎn)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(dòng)與工況點(diǎn)切換策略

增程器的啟動(dòng)到發(fā)電需要進(jìn)行熱機(jī)和工況點(diǎn)切換，所以明確整個(gè)系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化以后需要制定相關(guān)的啟動(dòng)與工況點(diǎn)切換策略[22].

考慮到增程器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速較低，且發(fā)電機(jī)可以提供很大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此采取發(fā)電機(jī)預(yù)先啟動(dòng)增程器，拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在怠速模式. 發(fā)電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)速模式，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)為700 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU點(diǎn)火啟動(dòng). 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始輸出轉(zhuǎn)矩并與電機(jī)一起加速時(shí)，電機(jī)改切換為恒轉(zhuǎn)矩模式. 待發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，電機(jī)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(shí)間通過試驗(yàn)測(cè)定為t0=10,t1=40.

圖11 電機(jī)卸載方式Fig. 11 Motor unloading method

工況點(diǎn)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(diǎn)向高功率點(diǎn)切換時(shí)，切換策略保證切換過程盡量平穩(wěn)減少轉(zhuǎn)速波動(dòng)，需要電機(jī)協(xié)調(diào)工作. 如發(fā)動(dòng)機(jī)由怠速點(diǎn)向既定工況點(diǎn)切換時(shí)，此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為0，發(fā)動(dòng)機(jī)需要采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)來調(diào)節(jié)油門值將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高至預(yù)定工作點(diǎn)附近，然后電機(jī)以斜坡加載方式逐步加載反向電磁轉(zhuǎn)矩至轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值，為發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)油門維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定留出更多的時(shí)間，同時(shí)防止發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載突變帶來的轉(zhuǎn)速波動(dòng).

相反地，增程器由高功率點(diǎn)向低功率點(diǎn)切換時(shí)，首先電機(jī)開始在700 r/min工況處(如圖中Te點(diǎn)負(fù)載)卸載，發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，電機(jī)卸載結(jié)束以后發(fā)動(dòng)機(jī)將目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整為低功率點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值，完成功率點(diǎn)的連續(xù)切換.

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)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(dòng)機(jī)、電機(jī)及并網(wǎng)設(shè)備的增程系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖12所示. 本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了電氣位置估計(jì)算法對(duì)比實(shí)驗(yàn)、并網(wǎng)發(fā)電試驗(yàn)、模式切換與控制策略驗(yàn)證試驗(yàn)等.

圖12 增程器試驗(yàn)平臺(tái)Fig. 12 Range extender test platform

4.1 試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)機(jī)及其同軸的發(fā)電機(jī)及其控制器組成. 增程器控制器負(fù)責(zé)與下游的電機(jī)控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器通信，進(jìn)行策略的執(zhí)行與驗(yàn)證. 同時(shí)，增程器控制器通過TCP協(xié)議與上位機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件通信，用于實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并傳達(dá)指令等. 電機(jī)控制器需要完成逆變和并網(wǎng)發(fā)電功能. 考慮到動(dòng)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(jī)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(jì)與并網(wǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1 電氣位置估計(jì)算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電氣位置估計(jì)算法的準(zhǔn)確性，本文選擇了500 r/min帶載20 N·m的工況進(jìn)行試驗(yàn)，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(duì)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(shí)候，會(huì)累積較大的誤差，該現(xiàn)象在扇區(qū)切換時(shí)刻尤為明顯，電氣位置會(huì)出現(xiàn)明顯的跳變過程，這對(duì)電機(jī)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩控制會(huì)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(dá)5.51°. 作為對(duì)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)具有明顯的尖峰. 同時(shí)與平均轉(zhuǎn)速法相比較，本文使用的DDSRF-PLL方法估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置更為連續(xù)準(zhǔn)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(yàn)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(diǎn)與鎖相環(huán)追蹤的電網(wǎng)0相位相吻合，表明此時(shí)增程器可自主地向電網(wǎng)進(jìn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的電網(wǎng)電壓信號(hào)和電流波形信號(hào)如圖17所示. 圖中并網(wǎng)A相電流和電網(wǎng)A相電壓信號(hào)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(hào)為正弦等幅振蕩曲線，表明增程器實(shí)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(yàn)證

增程器的啟動(dòng)試驗(yàn)和工況切換及定工況發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果如圖18圖19所示. 增程器的啟動(dòng)過程如圖18所示，首先電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至怠速點(diǎn)800 r/min附近，發(fā)動(dòng)機(jī)在5 s以內(nèi)點(diǎn)火并怠速，至40 s時(shí)電機(jī)逐步卸載，增程器啟動(dòng)完成，此時(shí)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)控制，轉(zhuǎn)速波動(dòng)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(diǎn)(12 kW)的過程曲線. 首先發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制將實(shí)際轉(zhuǎn)速提升至目標(biāo)轉(zhuǎn)速(1 750 r/min)附近，維持一段時(shí)間以后開始提高發(fā)電功率表至目標(biāo)值附近. 在45 s過后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為-65 N.m, 此時(shí)增程器的發(fā)電功率約為12 kW.

圖18 增程器啟動(dòng)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(duì)具有V2G功能的增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了建模、優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證. 首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)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(shí)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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了增程器的并網(wǎng)發(fā)電控制. 最后本文對(duì)所提出的控制策略和并網(wǎng)發(fā)電功能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(yàn)驗(yàn)證了增程器控制器能實(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)工況切換平穩(wěn)，且自適應(yīng)地跟蹤發(fā)電功率需求.