行車取力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及控制策略

熊軍林 劉威 余志敏 王少云 錢開宇

熊軍林

畢業(yè)于華中科技大學(xué)，機械電子專業(yè)，本科學(xué)歷，目前就職于東風(fēng)越野車有限公司，主要研究新能源電控開發(fā)。

摘? 要：隨著車載上裝設(shè)備增多，其用電需求向高電壓、高功率方向發(fā)展，介紹了一種車載發(fā)電系統(tǒng)——行車取力發(fā)電系統(tǒng)，與PTO駐車取力方式相比，具有不影響駕駛操作的優(yōu)勢。本文說明該系統(tǒng)基本需求，系統(tǒng)組成及工作原理，主要部件基本參數(shù)設(shè)計，主要論述發(fā)電控制策略及算法，在研制過程中能量分配的關(guān)鍵問題和相應(yīng)的控制策略，最后整套系統(tǒng)搭載整車道路試驗驗證并通過測試。對車載行車發(fā)電控制設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：行車取力;控制策略;能量分配

中圖分類號：U469.6? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0051-05

Driving Power Take-Off System Design and Control Strategy

Xiong Jun-lin， Liu Wei， Yu Zhi-min， Wang Shao-yun， Qian Kai-yu

（Dongfeng Off-Road Vehicle Co.， Ltd， WuHan 430056， China）

Abstract： With the increase in on-board equipment， the demand for electricity is developing towards high voltage and high power. The article introduces an on-board power generation system， the driving power take-off power generation system. Compared with the PTO parking power take-off method， it dose not effect on driving operations. This article explains the basic requirements of the system， system composition and working principle， the basic parameter design of main components. It discusses the power generation control strategy and algorithm， the key issues of energy distribution in the development process and the corresponding control strategy， and finally the whole system is equipped with the whole vehicle road test， passed the test. It has guiding significance for the design of on-vehicle driving power generation control.

Key Words： driving power take-off; control strategy; power distribution

車輛承載平臺的發(fā)電系統(tǒng)，通常分為主機發(fā)電和輔機發(fā)電。主機發(fā)電是從行駛驅(qū)動發(fā)動機分出一部分動力驅(qū)動電機發(fā)電，也稱軸帶發(fā)電。輔機發(fā)電是采用自帶動力的發(fā)電機組發(fā)電。從汽車的底盤發(fā)動機取力，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，俗稱汽車行車取力發(fā)電，也有稱自發(fā)電，又分為駐車取力發(fā)電和行車取力發(fā)電。

駐車取力發(fā)電，車輛必須在停止?fàn)顟B(tài)下取力發(fā)電，由發(fā)動機轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定輸出電壓頻率，由發(fā)電機勵磁來穩(wěn)定電壓。技術(shù)原理與發(fā)電機組相同，只是借用了主機做動力源。

行車取力發(fā)電，車輛在行駛中發(fā)電，發(fā)動機轉(zhuǎn)速寬范圍隨機變化，輸出電壓和頻率將不穩(wěn)定，必須通過電力電子技術(shù)，對電能進行二次變換才能輸出穩(wěn)定的交流電或直流電。

采用電力電子變換技術(shù)的行車取力發(fā)電，既可以行車發(fā)電，又可以駐車發(fā)電，可見行車發(fā)電可以覆蓋駐車發(fā)電。

取力裝置設(shè)計主要包括取力位置、傳動機構(gòu)、電機布置空間等方面的設(shè)計?，F(xiàn)有車型絕大多數(shù)只考慮了液壓取力，不適合發(fā)電取力，給取力發(fā)電設(shè)計造成很大限制。造成行車取力發(fā)電系統(tǒng)的難點之一是取力方式和電機布置。常見的取力方式有前置主軸取力、后置主軸取力、變速箱后軸取力等。

a）前置主軸取力，用皮帶傳動：在工程上實現(xiàn)容易，幾乎多數(shù)設(shè)計方案采用。但由于空間限制傳動皮帶的規(guī)格不能加大，當(dāng)超負(fù)荷應(yīng)用時，瞬態(tài)加功率，皮帶會打滑，壽命和可靠性待可靠性試驗驗證。如果用電功率超過10kW以上，其可靠性堪憂。再者，這種取力方式發(fā)電機安裝在發(fā)動機艙內(nèi)，空間受限，發(fā)電機容量在怠速下不能提供額定功率，需要電池儲能補功，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和體積重量。

b）中置同軸取力：將變速箱等后移，在變速箱與發(fā)動機中間插入發(fā)電機，改裝工程量較大，但可靠性得到極大提高，在怠速狀態(tài)下，都可以獲得近20kW電功率輸出。

c）后軸取力，經(jīng)離合器變速箱取力，會產(chǎn)生降低轉(zhuǎn)速、換擋掉動力等不利于發(fā)電機連續(xù)正常工作，一般只能實現(xiàn)駐車發(fā)電。同時需要升速裝置和蓄電池補功。

故而取力方式的發(fā)展方向，在發(fā)動機主軸前端或后端飛輪位置，安裝盤式電機取代飛輪，將是汽車取力的最佳方案，這種取力方式將依賴于高功率比的盤式電機技術(shù)。

1? ? ?行車取力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)采用中置同軸取力方案，系統(tǒng)由底盤發(fā)動機及發(fā)動機管理系統(tǒng)EMS、發(fā)電機、電機控制器MCU、高壓配電箱PDM、動力電池及管理系統(tǒng)BMS、發(fā)電綜合控制器HCM、冷卻系統(tǒng)等組成。發(fā)電機布置于發(fā)動機與離合器之間，并與發(fā)動機曲軸同軸連接，發(fā)動機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁場感應(yīng)出三相交流電，經(jīng)過電機控制器轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定高壓直流電。動力電池用于補充電能，保證在低速下有足夠的功率輸出和提供瞬間沖擊的超功率。高壓配電箱主要管理對外電能輸出。發(fā)電綜合控制器通過CAN總線控制整個系統(tǒng)工作，監(jiān)測高壓用電安全，發(fā)送故障信息供儀表顯示。行車取力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1：

2? ? ?行車取力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

2.1? ?系統(tǒng)要求

系統(tǒng)對外輸出穩(wěn)態(tài)直流電壓325±25VDC，瞬態(tài)輸出325±40VDC，額定輸出功率：25kW/（1200r/min），在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍750-2700r/min內(nèi)，能承受功率40kW持續(xù)1s的過載沖擊。

2.2? ?主要部件基本參數(shù)

柴油直列6缸發(fā)動機：額定功率220kW/（2700r/min），額定扭矩850N.m/（1200r/min-2000r/min）。

發(fā)電機：盤式永磁同步電機，液冷，額定功率25kW/（1200r/min），峰值功率57kW/（1200r/min）。發(fā)電機額定能力如圖2：

動力電池：鈦酸鋰電池，額定電壓325V，容量3Ah，額定充放電功率25kW，峰值充放電功率65kW。

2.3? ?穩(wěn)壓發(fā)電PI控制

發(fā)動機啟動后帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機感應(yīng)輸出三相交流電，其輸出電壓隨轉(zhuǎn)速變化而變化，在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出交流電壓幅值約AC100～600V，需要通過電機控制器，對電能進行逆變，才能輸出325VDC直流穩(wěn)壓電。電機控制器采用電壓閉環(huán)PI反饋控制及FOC矢量控制IGBT通斷，從而達(dá)到穩(wěn)壓控制輸出。

電壓閉環(huán)PI控制根據(jù)實際電壓與參考電壓的差值經(jīng)過PI計算得到需求扭矩，當(dāng)實際電壓小于參考電壓時，增加輸出扭矩，提高發(fā)電功率，使電壓回到參考電壓;當(dāng)實際電壓高于參考電壓時，減少輸出扭矩，降低發(fā)電功率，使電壓回到參考電壓?？刂屏鞒倘鐖D3所示：

詳細(xì)步驟如下：

（1）電機控制器MCU低壓上電后系統(tǒng)等待發(fā)動機運行;

（2）采集電機控制器輸出電壓u;

（3）計算電壓差值err=|325-u|，取絕對值;

（4）由于err較小，為保證控制精度，需要進行標(biāo)幺化處理，引入系統(tǒng)參數(shù)Pu，計算ERR，ERR=Pu×err;

（5）通過分別查表Kp，Ki，計算相應(yīng)Up，Ui，Up=ERR×Kp，Ui=ERR×Ki;

（6）計算PI控制結(jié)果Upi，Upi=Up+Ui;

（7）為防止積分飽和，對PI計算結(jié)果進行積分限值;

（8）進行反標(biāo)幺化處理，計算Te_PI，Te_PI=Upi/Pu;

（9）增加電機扭矩限制，用于功率分配管理。

（10）考慮過熱或過溫等保護，引入功率保護系數(shù)K，K值大小與故障等級有關(guān)，如3級嚴(yán)重故障K=0，2級故障K取0.8，1級故障K取1。最終輸出Te_out，Te_out=Te_PI×K，進入到FOC矢量控制算法中，得到穩(wěn)定的電壓輸出控制。

2.4? ?電機FOC矢量控制

FOC稱為磁場定向控制，主要是通過對IGBT控制實現(xiàn)對發(fā)電機轉(zhuǎn)矩（電流）、速度、位置的控制。

電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)PI計算目標(biāo)扭矩Te_out通過查表轉(zhuǎn)矩電流表，得到目標(biāo)電流id、iq，通過內(nèi)部PID及坐標(biāo)轉(zhuǎn)化Clark、Park變換輸出控制IGBT通斷，達(dá)到穩(wěn)定電機控制器輸出電壓目的。如圖4所示：

2.5? ?功率分配

由于發(fā)電機額定功率只有25kW/1200r/min，在發(fā)動機工作在低轉(zhuǎn)速區(qū)時，發(fā)電機輸出功率不足，不能滿足負(fù)載需求。即使在高轉(zhuǎn)速區(qū)，也不能滿足瞬間40kW過載沖擊，因此需要動力電池補償能量。

如下圖整車工況處于連續(xù)降檔過程中，25～27s這段時間內(nèi)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，已低于800r/min，此時上裝設(shè)備剛好要求40kW，此時發(fā)電機輸出功率已無法滿足電負(fù)載要求，為保護IGBT過流二損壞，電機控制器處于保護模式，關(guān)斷IGBT，功能失效。

為此需要合理分配發(fā)電機與動力電池工作。由于動力電池電流難以控制，主要通過限制發(fā)電機功率，電池自動適配負(fù)載來實現(xiàn)發(fā)電機與動力電池功率分配。當(dāng)負(fù)載功率要求超過發(fā)電機輸出功率時，由電池放電以提供額外的功率補充;否則就由發(fā)電機單獨提供輸出滿足負(fù)載要求，超出負(fù)載要求部份提供給電池充電。如下圖所示：

當(dāng)上裝電負(fù)載位于不同區(qū)域時，策略如下：

P1：完全由電池提供負(fù)載輸出

P2：由發(fā)電機提供

P3：由發(fā)電機、電池共同提供，發(fā)電機輸出限制到額定輸出功率，延紅色曲線運行，剩余功率由電池補充

P4：完全由發(fā)電機提供

P3→P2：電負(fù)載減小至發(fā)電機額定運行區(qū)域，此時由發(fā)電機進入電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，提供輸出給負(fù)載，同時電池由于P3放電，電壓下降，電池開始充電直到充滿。

P2→P3：電負(fù)載增大超出發(fā)電機額定運行區(qū)域，此時電壓閉環(huán)無法進入，電壓下降，發(fā)電機以額定功率運行，同時電池開始放電，以提供額外功率補充負(fù)載需求。

控制流程圖7：

發(fā)動機啟動完成后，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，查表發(fā)電機功率，計算發(fā)電機允許最大輸出扭矩。得到的扭矩限制進入到PI控制的扭矩限值中，從而限制發(fā)電機功率輸出。

3? ? 試驗驗證

整套系統(tǒng)搭載整車進行道路試驗驗證。

穩(wěn)態(tài)測試：發(fā)動機轉(zhuǎn)速從750-2700r/min，每個轉(zhuǎn)速穩(wěn)定一段時間，加載25KW電負(fù)載，系統(tǒng)輸出電壓310-338V，滿足穩(wěn)態(tài)設(shè)計指標(biāo)325±25V。

瞬態(tài)測試：車輛加速從1檔逐步換至最高檔6檔，再減速從最高檔降至最低檔情況下進行路試，加電負(fù)載0kW-25kW-40kW，其中25kw持續(xù)30s，40kw加載3s，測試輸出電壓287V-330V，滿足瞬態(tài)設(shè)計要求325±40VDC。

4? ? 總結(jié)

1）從整車測試結(jié)果看本系統(tǒng)能完成高壓直流供電，證明系統(tǒng)方案是可行的。

2）連續(xù)的瞬間過載沖擊試驗中也出現(xiàn)系統(tǒng)電壓低于325V以下，主要原因為連續(xù)沖擊導(dǎo)致電池電能不足，電壓下降，如果頻繁瞬間大功率，需加大電池容量。

3）系統(tǒng)還具有冷啟動能力，發(fā)電機成為啟動電機。采用恒轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)，控制電機驅(qū)動扭矩，從而帶動發(fā)動機快速啟動。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙敬華，溫卓泰.淺談取力發(fā)電系統(tǒng)在車輛設(shè)備供電中的應(yīng)用[J]. 專用汽車，2009.

[2]尚利國，禚圓圓.發(fā)動機和底盤取力系統(tǒng)智能控制的研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009.

[3]郭初生.汽車行駛?cè)×Πl(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真.北京系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005.

[4]付英杰.一種車載全轉(zhuǎn)速范圍20kW，直流取力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計.北京：移動電源與車輛，2019.

[5]趙亞俊.異步電機變速恒頻車載取力發(fā)電系統(tǒng)研究.碩士學(xué)位論文，南京航天航空大學(xué)，2015.

[6]袁雷等.現(xiàn)代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2016.