新能源汽車發(fā)動機-電機集成動力系統(tǒng)模型分析

鹿 攀，張棟省，2，鄧 濤，仇 磊

(1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074;2.廣東精進能源有限公司精進能源研究院，廣東佛山 528305)

隨著汽車保有量的增加和汽車產(chǎn)業(yè)的快速增長，汽車工業(yè)已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。但由于能源日益短缺、環(huán)境污染嚴重及氣候變化失調(diào)等各方面因素的影響，人們對更清潔、更環(huán)保、來源更豐富的新動力展開探索。以電能為動力的汽車成為近幾年的研究熱點。在純電動汽車上，動力電池為整車提供動力。但由于動力電池本身存在的一些問題，比如能量密度低、成本高、具有一定安全風險等，使純電動汽車快速發(fā)展及其大范圍應用遇到一定困難。作為一種解決方案，增程式發(fā)動機-電機集成系統(tǒng)在一定程度上能解決上述問題［1］。作為一種新型化的起動發(fā)電一體機，開關磁阻電機(SRM)具有很廣的應用市場，能夠?qū)崿F(xiàn)較大速度范圍的高效運行。因此，對發(fā)動機-SRM集成系統(tǒng)的研究是十分必要的。

1 發(fā)動機起動過程阻力矩模型

發(fā)動機在起動過程中受到多種機構的阻力作用。其中最主要的幾種有活塞裙部、活塞環(huán)、氣門機構、缸內(nèi)氣體、活塞組、附屬機構。這些機構產(chǎn)生一定的阻力，對應的曲軸受到的阻力矩［2］為Tf、Tfrc、Tv、Tg、Tre、Ta。

1.1 活塞裙部、活塞環(huán)阻力矩

在開始起動時，發(fā)動機內(nèi)潤滑油黏度大、流動性差，不能立即到達各摩擦部件。在低溫情況下，汽缸壁與活塞環(huán)、活塞裙部間隙較大，潤滑油膜難以形成，此時潤滑狀態(tài)為邊界潤滑，摩擦因數(shù)視為常數(shù)［3］。

活塞裙部與氣缸壁間摩擦力阻力矩為

活塞環(huán)與缸壁的摩擦阻力矩為

式(1)、(2)中:β為連桿與活塞中心線的夾角;mj為活塞組的質(zhì)量;a為活塞往復運動加速度;Ar為活塞環(huán)的受力面積;As活塞裙部受力面積;Pgas為氣缸壓力Pe為活塞環(huán)的安裝預緊力;μ為潤滑油的運動黏度;r為曲軸半徑;α為曲柄轉(zhuǎn)角。

1.2 缸內(nèi)壓縮氣體阻力矩

壓縮空氣作用在活塞頂部，推動活塞往復運動，活塞受到吸氣、做功時氣體的擠壓做正功。排氣及壓縮行程，缸內(nèi)氣體對活塞做負功。Tg計算公式為［4］

式(3)中:P0為大氣壓力;D為活塞直徑;|K(α)|為轉(zhuǎn)換系數(shù)，其大小為

1.3 氣門機構

在氣門機構的摩擦力研究中，Staron和Willermet認為:在氣門機構中，有2組連接件之間存在磨損阻力，分別為凸輪與挺桿、搖臂與氣門支點之間［5］，并給出了經(jīng)驗公式。摩擦阻力矩的經(jīng)驗公式為

式(5)中:G為一個氣缸內(nèi)含有的所有氣門數(shù);Ls為氣門彈簧受到的一定力作用下的載荷;ω為曲軸角速度。

1.4 活塞組往復運動慣性力矩

活塞組在高溫高壓氣體的推動下高速運動，在行程終點速度急劇變化，并反向運行。運動狀態(tài)的劇烈變化產(chǎn)生很大的慣性力矩，計算公式如下:

1.5 附屬機構運行阻力矩

附屬機構包括水泵、機油泵、油泵、汽車空調(diào)以及其他附屬機構。附屬機構摩擦力矩具體可表示為［6］

式(7)中a3為附屬機構載荷系數(shù)。

1.6 發(fā)動機起動過程總阻力矩

增程式電動三輪車采用168FB發(fā)動機，主要參數(shù)見表1。發(fā)動機氣缸所受的總阻力矩為

表1 168FB型發(fā)動機相關參數(shù)

通過對發(fā)動機起動過程中阻力矩的理論分析，結合168FB汽油機的物理參數(shù)，利用Matlab/Simulink建立發(fā)動機起動模型，改變環(huán)境溫度，對發(fā)動機起動總阻力矩進行仿真，結果見圖1。

圖1 不同起動溫度下發(fā)動機阻力矩

圖1所示為發(fā)動機在-20～20℃環(huán)境下阻力矩的變化曲線。隨著溫度的上升，發(fā)動機阻力呈下降趨勢。在-20℃時，阻力矩最大，為15 N·m。

2 發(fā)動機起動過程動力學分析

發(fā)動機起動過程是指從發(fā)動機點火開始，可燃混合氣燃燒膨脹做功，通過活塞、曲柄連桿機構帶動曲軸高速轉(zhuǎn)動，直到發(fā)動機達到一定的轉(zhuǎn)速。在此過程中，起動時間是評判汽車動力性能的重要指標之一。

2.1 發(fā)動機起動性能要求

在發(fā)動機-SRM集成系統(tǒng)中要滿足發(fā)動機的順利起動必須滿足2個條件:①SRM提供足夠大的轉(zhuǎn)矩，能在很短的時間內(nèi)把發(fā)動機拖動到預定轉(zhuǎn)速;②發(fā)動機點火前達到一定的點火速度并在氣缸中形成一定濃度的可燃混合氣。

根據(jù)發(fā)動機順利起動要求，發(fā)動機-SRM集成系統(tǒng)對SRM的轉(zhuǎn)矩需求及相關約束條件為:

式(9)中:Te為開關磁阻電機轉(zhuǎn)矩;TL為負載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;˙ω為曲軸的角加速度。

2.2 SRM驅(qū)動控制策略

根據(jù)分析，發(fā)動機曲軸上的阻力矩隨轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)速的變化而不斷變化，SRM要在0.4 s內(nèi)把發(fā)動機帶到800 rad/min。本文根據(jù)電機低速下的恒扭矩特性，對電機采用最大轉(zhuǎn)矩控制，保證SRM在低速下按最大扭矩運行，滿足發(fā)動機起動過程的動力性要求。仿真所用電機主要參數(shù)見表2。

表2 SRM主要參數(shù)表

3 SRM驅(qū)動控制與建模

SRM作為一種新型的機電一體化裝置，由開關電路和雙凸極磁阻電動機組成。在SRM中，調(diào)速系統(tǒng)基本框圖如圖2所示。

圖2 SRM調(diào)速系統(tǒng)基本框圖

3.1 SRM的數(shù)學模型

6/4三相SRM是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，繞組電流的非正弦與鐵芯磁通密度的高飽和是SRM運行的兩大特點［7］。為了便于分析，假定［8］:

1)三相繞組對稱，每相的2個線圈作正向串聯(lián)，忽略空間諧波。

2)不考慮頻率和溫度變化對繞組的影響。

3)功率開關器件為理想開關，導通時壓降為0，關斷時電流為0。

4)忽略鐵損，不計渦流和磁滯損耗。

①電路方程

在三相SRM中，電壓方程為

式(10)中:k=a，b，c;Uk為k相繞組電壓;RS為轉(zhuǎn)子相電阻;ik為k相繞組電流;ψk為k相繞組磁鏈。

磁鏈ψk可以表示為

式(11)中，Lk為k相繞組電感。

將式(11)代入(10)，可得電壓方程為

②機械方程

轉(zhuǎn)子機械運動方程為

式(13)中的 f為摩擦因數(shù)。

3.2 SRM驅(qū)動控制模型

在SRM中，控制變量一般有4種:相繞組端電壓、相電流、開通角、關斷角，對應的符號表示分別為± U、i、θon、θoff。對開關磁阻電機的控制，簡單的說就是對上述參數(shù)的調(diào)節(jié)。其中，對開通角和關斷角的控制稱為角度位置控制方式(APC);對電流直接施加控制稱為電流斬波控制方式(CCC);在主開關控制信號中加入PWM，調(diào)節(jié)占空比D達到控制電壓有效值的方式為電壓斬波控制方式。本文中采用角度位置控制方式，關系圖見圖3。

4 發(fā)動機-SRM綜合建模與仿真

起動過程中發(fā)動機-SRM綜合模型［9-10］如圖4所示。

圖3 APC控制時相電流波形

圖4 發(fā)動機-SRM綜合模型

根據(jù)建立的起動過程中發(fā)動機-SRM綜合模型，在Matlab/Simulink平臺上，進行發(fā)動機與SRM動力學仿真，結果見圖5～7。

圖5 一相電流波形

由于電機控制為角度位置控制方式，電機相電流對開通角θon、關斷角θoff的變化很敏感，隨角度的變化產(chǎn)生很大的波動。如圖5所示，相電流變化幅度為20 A。

圖6、7表明:在發(fā)動機-SRM集成系統(tǒng)中，SRM在0.15 s之前轉(zhuǎn)矩波動較大，但總體力矩大于發(fā)動機阻力矩，能夠在起始階段拖動發(fā)動機運轉(zhuǎn)。之后電機力矩趨于穩(wěn)定，且仍大于發(fā)動機阻力矩。在0.17 s時發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到800 rpm，能夠?qū)崿F(xiàn)快速起動，表明發(fā)動機-SRM集成系統(tǒng)滿足動力性要求。

圖6 電機轉(zhuǎn)矩波

圖7 轉(zhuǎn)速響應波形

5 結論

1)通過建立發(fā)動機起動動力學模型，得出發(fā)動機不同的運行阻力矩公式，在Matlab/Simulink模型中通過改變外界起動溫度，得出阻力矩變化曲線。

2)基于發(fā)動機-SRM系統(tǒng)起動過程動力性要求，建立了SRM的數(shù)學模型，其中電機控制采用恒轉(zhuǎn)矩控制，驅(qū)動控制采用角度位置控制。

3)以發(fā)動機起動時的各運行阻力矩作為電機輸入負載，對SRM起動性能進行仿真。仿真結果表明:集成系統(tǒng)動力性優(yōu)異，電機能夠在很短的時間里實現(xiàn)發(fā)動機的快速起動，證明開關磁阻電機在混合動力汽車中作為拖動電機的前景廣闊。

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