ISAD柴油機常溫啟動工況的控制仿真及試驗研究

魏長河 王 忠 唐 廷 黃成海

1.江蘇大學,鎮江,212013 2.一汽解放汽車有限公司無錫柴油機分公司,無錫,214026

0 引言

汽車動力-發電-啟動-阻尼集成系統ISAD(integrated starter alternator damper)是一種集成一體化啟動/發電機的輕度混合動力技術[1],它在原有柴油機的基礎上不作較大改動,僅在柴油機和離合器之間配置既可作為發電機又可作為電動機工作的盤式電機 ISG(integrated starter generator)以取代傳統飛輪,實現“油+電”的混合動力功能。

啟動工況涉及柴油機的動力性和排放性,啟動過程是柴油機從靜止狀態到運轉狀態的過渡過程,其實際維持時間很短,在這段時間內,經歷了柴油機運行狀態的巨大改變,為滿足柴油機啟動過程中的各種需求,必須在快速的工況變化中調整控制參數[2]。

目前,國內已開展了混合動力啟動工況的研究工作：重慶大學對混合動力汽油機的啟動工況進行了研究[3];南京航空航天大學針對開關磁阻電機的發動機啟動性能進行了理論與試驗研究[4];同濟大學對一種并聯式的混合動力發動機的啟動過程進行了分析[5]。但關于混合動力柴油機,尤其是采用高性能永磁同步直流無刷電機的混合動力柴油機啟動工況的研究,國內文獻介紹不多。

本文根據ISAD混合動力柴油機的啟動工況,結合控制策略,建立了柴油機的動態轉矩和ISG電機的數學模型。對ISG電機拖動柴油機的啟動過程進行模塊化控制仿真,確定了ISG電機的關鍵參數,并通過ISAD柴油機常溫(18℃)啟動臺架試驗,驗證了仿真結果,分析了柴油機從首次著火轉速到怠速這一過程中的電機功率和轉速之間的關系,以及柴油機與ISG電機的匹配關系。

1 ISAD柴油機啟動工況的控制分析

傳統的柴油機啟動時,由直流電機(啟動機)產生動力,經啟動齒輪傳遞給飛輪齒圈,帶動飛輪、曲軸轉動,直至達到怠速或設定轉速。

采用ISAD技術的柴油機取消了啟動機,ISG電機直接連接柴油機曲軸,其結構如圖1所示。

圖1 車用ISAD系統結構示意圖

ISAD柴油機啟動可分為從靜止狀態到著火轉速和從首次著火轉速到怠速兩個階段。啟動時,ISG電機提供啟動力矩,通過轉子帶動曲軸,在很短時間內使柴油機達到遠高于原著火轉速的目標轉速。柴油機著火后,ISG電機繼續拖動曲軸旋轉,迅速使柴油機達到怠速。ISAD柴油機啟動時間短,轉速響應快,且啟動過程中轉速過渡較為平滑,有利于提高啟動工況下的動力性、燃油經濟性,并改善排放性能。

啟動控制中,ISAD柴油機的集成控制器(ECU)首先檢查蓄電池容量(SOC)和柴油機冷卻水溫度,滿足條件時,采用穩態啟動模式。ECU根據當前柴油機冷卻水溫度和蓄電池SOC,通過三維MAP圖得到柴油機的著火轉速值。以調速控制模式控制ISG電機,ECU通過CAN總線給ISG電機發送目標著火轉速信號,如果電機轉速沒有達到該轉速,則啟動失敗,發送故障代碼反饋給ECU,ECU根據故障代碼作出相應調整,重新啟動ISAD柴油機;如果轉速達到著火轉速,則ISAD柴油機著火啟動。ISAD柴油機的穩定啟動模式的特點是：著火轉速不再是原來的180～220r/min,而是通過設定大幅度提高著火轉速(可達350r/min以上)。ISAD柴油機著火成功后,ISG電機變為轉矩控制模式,由柴油機和ISG電機共同提供驅動轉矩,利用電機的轉矩補償功能優化柴油機的動力特性。柴油機轉速達到怠速后進入怠速工況。

當柴油機冷卻水溫較低或者蓄電池SOC過少,不足以維持一次正常的啟動過程時,則采用非穩態啟動模式。在非穩態啟動過程中,ISG電機采用轉矩控制模式,如果ISG電機經過設定時間后沒有達到目標轉速,則啟動失敗,向ECU發送電機啟動失敗的信息,ECU保存啟動失敗的故障信息;如果ISG電機轉速達到目標轉速,則ECU按照啟動MAP中各個工況點進行控制,同時檢驗柴油機轉速是否達到了啟動目標轉速,如果達到了啟動目標轉速,則向ECU發送啟動成功信號,ISG電機接收到啟動成功信號后變為發電機工作模式,ISAD柴油機進入怠速暖機充電工況;如果柴油機沒有達到目標轉速,則ECU向 ISG電機發出啟動失敗信號,電機調整轉速,重新啟動柴油機。

特殊工況,如汽車在一定車速下空擋滑行,ISAD柴油機處于熄火狀態,當重新掛擋加油門時,離合器接合,ISG電機先將柴油機拖轉到一定轉速,柴油機重新恢復著火,ISG電機助力拖動啟動。在助力拖動啟動過程中,ECU根據當前的車速、蓄電池SOC、擋位信號和冷卻水溫度確定ISG電機的助力補償轉矩,以降低柴油機啟動過程對整車的沖擊。ECU發送拖動啟動模式指令以及ISG電機所需提供的目標轉矩值,柴油機著火啟動后,ECU對ISAD柴油機轉速進行判斷,如果轉速達到了目標轉速,則判定ISAD柴油機啟動成功,ISG電機由轉矩模式變為空轉模式;如果柴油機轉速沒有達到目標轉速,ECU向ISG電機發出啟動失敗信號,ISG電機調整轉速,重新啟動柴油機。

2 SAD柴油機的仿真模型及計算

2.1 柴油機的動態轉矩模型

柴油機采用基于動態轉矩管理的動力學模型,其數學結構如圖2所示。

圖2 柴油機動力學模型的數學結構

柴油機動力學模型可以簡化為由柴油機當量和負載當量所組成的一個當量系統,由達朗貝爾方程可得柴油機的動態轉矩平衡方程為

式中,Ti為ISAD系統的指示轉矩,柴油機著火前即為ISG電機的電磁啟動轉矩Tm,柴油機啟動著火后即為柴油機和ISG電機輸出轉矩之和;Tst為啟動阻力矩;TL為負載轉矩;Jc為ISAD系統的當量轉動慣性矩;JL為負載的當量轉動慣性矩。

2.2 ISG電機的數學模型

建模時,ISG電機和電機控制器作為一個整體加以考慮。永磁同步直流電機的定子為三相繞組星形連接,控制器由功率主電路和主控板構成,功率主控板由電機控制專用的DSP芯片及輔助電路和驅動電路等組成,如圖3所示。

圖3 ISG電機等效電路

啟動時,ISG電機作為電動機工作,采用兩相導通六狀態的控制方式,任一時刻只有兩只不處于同一橋臂的功率開關管導通,開關管為脈寬調制(PWM)狀態。以功率開關管V1和V6導通的磁狀態為例,其工作回路為：蓄電池正極→V1→A相繞組→B相繞組→V6→蓄電池負極。忽略導通管的壓降,該回路的電壓方程為

式中,P為ISG電機功率;R為單相電阻;L為一相繞組等效電感;Ud為蓄電池電壓,Ud=UA-UB;UA、UB分別為A、B點的電壓;E為梯形波氣隙磁場波形平頂寬度大于120°時的相電勢,E=(EA-EB)/2;EA、EB分別為A、B點所在相的相電動勢;iA、iB分別為A、B點所在導線上的電流;i0為t=0時的回路電流。

電機的電磁啟動轉矩為

式中,ω為ISG電機的角速度;ρ為極對數;L g為A、B點之間的等效電感;θ為ISG電機轉角。

對功率開關管V6進行PWM控制就可控制電流的平均值,從而控制ISG電磁轉矩。其他5種情況下的磁狀態可同理分析。將6個磁狀態的電磁轉矩進行平均,即可得到ISG電機的電磁轉矩Tm。

ISG電機功率為

轉速n由ISG電機電壓U、電樞回路電阻Rarm、勵磁磁通 Φ決定[6]：

式中,Cr為電機的電勢常數;Cm為轉矩常數。

在調速過程中,為使電機轉矩保持基本恒定,改變電機外加電壓為最佳方法。由式(5)可知,在T m一定時,電機電壓U增大將導致電機轉速n增大。因此,在電機調速中,維持電機的開關導通時間不變,改變電機外加電壓的大小。

2.3 啟動阻力矩

ISG電機拖動柴油機由靜止狀態開始轉動,必須克服啟動阻力矩T st。忽略電磁影響,阻力矩主要包括摩擦阻力矩T f、壓縮阻力矩T c、慣性阻力矩 Tj,即

2.3.1 摩擦阻力矩Tf

摩擦阻力矩主要由潤滑油在啟動溫度下的黏度決定,其經驗公式為[7]

式中,Vh為單個氣缸工作容積;I為氣缸數;τ為沖程數;pf為潤滑油的平均壓力。

本研究中的柴油機為CA6DF柴油機,其常溫下p f的經驗公式為

式中,γ為潤滑油的運動黏度。

則18℃時摩擦阻力矩Tf=24.27N?m。

2.3.2 壓縮阻力矩T c

每缸的壓縮阻力矩可以通過曲柄所受的轉矩來計算,即T c=F a a。其中,F a為壓縮時曲柄上所受的切向阻力;a為曲柄長度。

對于CA6DF柴油機,其壓縮比ε=17,氣缸直徑D=110mm,沖程s=125mm,連桿長度l=195mm,曲柄長度 a=62.5mm,初始壓力p0=0.12MPa,絕熱指數 k取1.4。

柴油機壓縮過程為絕熱壓縮過程,不同活塞位置下的缸內壓力為

式中,x1為活塞頂到氣缸頂的距離;Vk為活塞頂凹坑的容積;V0為氣缸的最大容積。

由動力學可知

式中,A為活塞面積;β為連桿與曲柄的夾角;α為連桿與活塞法線方向的夾角。

2.3.3 慣性阻力矩T j

慣性阻力矩是柴油機在啟動時間tst內從靜止狀態加速到啟動轉速n st所克服的慣性力矩,其計算公式為

對于CA6DF柴油機,由于原飛輪被ISG所代替,經測量取J c=1.5J f(J f為原飛輪的慣性矩);t st=0.4s,J f=1.38kg?m2,則 T j=73.08N?m。2.3.4 啟動總阻力矩T st

對6缸的壓縮阻力矩進行疊加,再加上摩擦阻力矩和慣性阻力矩,得到啟動總阻力矩為

啟動阻力矩T st與曲軸轉角φ的關系曲線,如圖4所示。

圖4 柴油機總啟動阻力矩

3 啟動工況的控制仿真

3.1 啟動工況的模塊化控制

ISAD柴油機穩態模式啟動時,ECU控制系統進入啟動模塊工作,蓄電池向ISG電機供電,通過轉換開關控制ISG電機作為電動機工作,帶動柴油機轉動,并迅速調節柴油機轉速與目標轉速同步。ECU根據柴油機轉速,通過閉環控制調節電動機電流,改變電動機輸出功率[8]。柴油機著火后,ISG電機繼續工作,直至達到怠速。當柴油機轉速高于700r/min怠速時跳出啟動模塊。

3.2 常溫啟動仿真與分析

根據ISAD柴油機各部分模型,結合控制策略,利用MATLAB/Simulink軟件平臺[9],進行常溫啟動工況的仿真。

ISG電機可在較大的電流范圍內工作,根據技術要求,對于CA6DF柴油機,ISG需提供的平均啟動轉矩為95N?m。選用不同的啟動電流進行了動力性仿真,ISG電機動力特性如表1所示。

在ISG電機的輔助啟動過程中,啟動電流越大,啟動時間越短,但波動性也越大[10]。為了保證啟動的平穩性,選用150～30A遞減的電機電流進行啟動仿真模擬,仿真結果如圖5所示。

表1 不同啟動電流的動力特性

圖5 啟動仿真的ISG電機特性

開始時,ISAD柴油機需要較大的啟動轉矩,故選用較大的電流,ISG電機最大轉矩達到102.5N?m。隨著柴油機轉速的逐漸增大,受慣性影響,所需轉矩減小,選用較小的電流驅動電機,通過仿真可以看出,350r/min時ISG電機的轉矩已降至82.8N?m。ISG電機的功率出現了先增后減的趨勢(圖 5),最大功率出現在140r/min時,達到了5.27k W。接近著火轉速時,為保證較小的波動性,維持功率趨于穩定。

著火啟動后,ISG電機繼續提供輔助轉矩,使ISAD柴油機從著火轉速迅速到達怠速。根據設計目標,選350r/min為首次著火轉速,700r/min為ISAD柴油機的怠速轉速,進行動力性仿真,仿真結果表2所示。

表2 首次著火到怠速運轉的仿真特性

可以看出：著火時,隨著柴油機啟動成功開始輸出轉矩,ISG電機的輸出轉矩會銳減約25%。從首次著火轉速到怠速的過程中,隨著ISAD柴油機轉速的上升,驅動電流持續減小,ISG電機功率相應地持續減小,通過仿真可以看出,在700r/min時,ISG電機功率已衰減至1.5k W;柴油機的輸出轉矩隨轉速的升高而增大,ISG電機的輸出轉矩相應減小,通過控制電流逐漸降至穩定工作電流從而實現ISG電機轉矩的卸載。

結合控制策略,通過Simulink模塊的仿真功能,模擬ISAD柴油機從靜止狀態到怠速的啟動過程。在ISG電機輔助作用下,0～350r/min的啟動時間為 0.3s,0～700r/min的啟動時間為2.9s。

4 常溫(18℃)啟動臺架試驗

選用無錫柴油機分公司CA6DF-19柴油機、蘭州環電科技有限責任公司的ISG-2直流無刷永磁同步電機、北京奧思源科技有限公司電機控制器、杭州中成自動化控制技術有限公司CWF180電渦流測功機、美國SD公司DAQP-308發動機瞬態參數采集系統、德國DATALOG公司DASYlab5數據采集分析軟件及相關傳感器進行常溫(18℃)啟動臺架試驗。

試驗中,在柴油機不供油的情況下,采用36V、48V、60V的啟動電壓,驅動ISG 電機拖動柴油機,將其由靜止狀態拖轉至穩定轉速,試驗測量蓄電池組電壓、ISAD柴油機啟動時峰值轉速、穩定轉速、ISG電機峰值電流、轉速穩定后的電流、輸入電壓、輸出電壓以及穩定后的電壓,試驗結果如表3所示。

表3 常溫啟動試驗結果

從表3可以看出,ISG電機采用36V、48V、60V的不同電壓拖轉啟動ISAD柴油機時,均可將ISAD柴油機拖轉至遠高于原著火轉速的目標轉速,且轉速可保持穩定。

以36V電壓驅動ISG電機,柴油機供油,進行常溫(18℃)ISAD柴油機啟動試驗,ISG電機的轉矩及輸出功率隨轉速變化的試驗結果如圖6所示。

圖6 ISAD柴油機36V啟動試驗結果

由試驗結果可以看出,采用 36V電壓驅動ISG電機來拖動柴油機,可以將ISAD柴油機拖至遠高于原柴油機著火轉速的目標轉速350r/min以上,峰值轉速為 362r/min,最后穩定在 355r/min;轉速穩定后,蓄電池的電壓為36.1V,保持穩定;在0～350r/min的啟動過程中,ISG電機提供83.6～102.4N?m的啟動轉矩,并隨著轉速的上升而減小;單相繞組的峰值電流達到142.9A,ISAD柴油機轉速穩定后單相繞組的電流為72.5A;ISG電機的輸出功率呈先增后減的變化趨勢,峰值功率5.17k W,出現在轉速為145r/min時,試驗與仿真結果相符。

圖7是ISAD柴油機仿真結果、試驗結果和原柴油機的啟動轉速對比圖,原柴油機的著火轉速較低,為200r/min,從靜止狀態到著火轉速的啟動時間為0.7s;到達著火轉速后,柴油機嘗試著火啟動,3.9s后成功著火啟動,并迅速到達怠速700r/min;從著火轉速到怠速的啟動過程中,轉速波動較大,且啟動時間較長,靜止到怠速需要5.3s。采用ISAD技術的柴油機,著火轉速提高到350r/min以上,0～350r/min的仿真啟動時間只需0.3s,試驗結果為0.4s;到達著火轉速后,ISAD柴油機能迅速著火啟動;著火成功后,ISG電機繼續提供輔助轉矩,將柴油機拖至怠速,并穩定在700r/min,靜止狀態到怠速穩定的仿真時間為2.9s,試驗結果為3.1s,且轉速波動較小。

圖7 ISAD柴油機啟動轉速曲線

根據圖7對比曲線可以看出,試驗與仿真結果一致;與原有柴油機相比,ISAD柴油機著火轉速高、慣性力大、轉速響應快,啟動時間短,且啟動過程中轉速過渡較為平滑,有利于提高啟動工況下的動力性和燃油經濟性,排放性能也大幅改善。

5 結論

(1)ISAD柴油機首次著火時的轉速較原柴油機大幅度提高,由200r/min提高至350r/min以上。柴油機慣性力增大,燃燒室混合氣溫度較高,柴油機更容易著火,排放性能、轉速響應時間、過渡平滑性以及噪聲振動特性也優于傳統柴油機。

(2)啟動時,ISG電機作為電動機工作,拖動ISAD柴油機啟動。分別采用36V、48V、60V電壓進行啟動試驗,均可將ISAD柴油機拖至目標轉速。

(3)以36V電壓驅動ISG電機進行啟動試驗,在0～350r/min的啟動過程中,ISG電機的輸出轉矩隨著轉速的上升而減小,最大轉矩102.4N?m;啟動繞組的線電流在30～150A范圍內工作,穩定電流72.5A;輸出功率呈先增后減的變化趨勢,峰值功率為5.17kW。

(4)ISAD柴油機著火啟動后,ISG電機繼續作為電動機工作。隨著轉速上升,柴油機的輸出轉矩增大,ISG電機的輸出轉矩和功率相應持續下降,在怠速 700r/min時,ISG電機功率降至1.5k W,轉矩降至20.5N?m。

(5)與原柴油機比較,ISAD柴油機的啟動時間縮短,從靜止狀態到著火的啟動時間原機為0.7s,ISAD柴油機仿真結果為0.3s,試驗結果為0.4s;從靜止狀態到怠速的啟動時間由5.3s縮短至2.9s,試驗結果為3.1s,且啟動過程中轉速波動較小,試驗結果與仿真結果相吻合。

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