一種混合動力汽車ISG系統用低壓復合電源

馬國清，叢 寧，任桂周

(煙臺大學機電汽車工程學院山東省高校先進制造與控制技術重點實驗室，山東煙臺264005)

一種混合動力汽車ISG系統用低壓復合電源

馬國清，叢 寧，任桂周

(煙臺大學機電汽車工程學院山東省高校先進制造與控制技術重點實驗室，山東煙臺264005)

為提高混合動力汽車(hybrid electric vehicle，HEV)起動發電一體化(integrated starter and generator，ISG)系統用電源的工作性能，提出了一種由超級電容器與蓄電池直接并聯，并通過雙向DC-DC功率變換器向ISG升壓供電的低壓復合電源方案，充分利用蓄電池比能量大和超級電容器比功率大的性能，蓄電池作為能量存儲模塊主要為車載低壓用電設備提供電能，超級電容器作為功率緩沖單元瞬時釋放功率和回饋能量，兩種電源優勢互補，使得ISG系統的起/停控制快、能量再生利用好、動力輔助性強等優越性能可較大程度地得以實現，并增加車載低壓蓄電池的使用壽命。仿真結果驗證了所提出復合電源的有效性。

混合動力汽車；ISG系統；超級電容器；復合電源

隨著能源短缺和環境污染的日益嚴重，與節能和環保息息相關的汽車工業的發展受到越來越多的關注。作為節能減排的有效途徑之一，新能源汽車包括混合動力汽車(hybrid electric vehicle,HEV)、純電動汽車(pure electric vehicle,PEV)和燃料電池電動汽車(fuel electric vehicle,FEV)的研究在迅速的發展中。由于目前存在一些相關關鍵技術的技術瓶頸，PEV和FEV還沒有在實際中普及，而HEV作為傳統燃油汽車到PEV和FEV的過渡，成為目前車企及研發機構的研發重點之一。HEV具有復合能源車載動力系統，如傳統燃油燃料、替代燃料內燃機、電源系統，針對不同的應用需求，可選用多種能源系統組成復合車載動力裝置，多種能源間的能量匹配及高效工作是復合車載動力裝置的關鍵技術之一。起動發電一體化(integrated starter and generator，ISG)系統融合了電機學、電力電子和功率電子學、數字信號處理、現代控制理論等技術，集傳統汽車的起動機與發電機功能于一體，具有突出的起/停控制快、能量再生利用好、動力輔助性強等優點，尤其在節能和減排方面效果明顯，是國際公認的HEV的必然發展方向[1]。目前國內外對ISG系統的研究多集中在其結構設計和控制策略上[2-3]，且所研究ISG系統的供電電源多數情況下為車載低壓蓄電池，而蓄電池不能夠快速充放電的特性大大影響了ISG的瞬時響應性能，且在一定程度上縮短了蓄電池的使用壽命[4-5]。文獻[7]中采用了27 V超級電容器通過DC-DC功率變換器與12 V蓄電池聯接的復合電源，但沒有具體闡述兩種電源之間能量流動的過程，且27 V電源不是車載低壓電源的發展方向。

本文提出一種應用于HEV的ISG系統用復合電源，由超級電容器和蓄電池組成，蓄電池作為能量存儲模塊主要為車載低壓用電設備提供電能，超級電容器作為功率緩沖單元瞬時釋放功率和回饋能量，復合電源通過雙向DC-DC功率變換器可升壓至42 V為ISG提供能量，該復合電源的設計充分利用超級電容器高效快速的充放電特性，既可以增加蓄電池的使用壽命，還使得ISG系統的優越性能可最大程度地實現，且符合車載42 V電源系統的發展要求。

1 ISG系統運行原理

根據體積和功率的不同，ISG系統在汽車中的布置有多種形式，目前用于實際的ISG系統主要有兩大類：一類是ISG通過皮帶與發動機曲軸相連[3,6-7]，如圖1所示，ISG與發動機通過皮帶聯接，相互之間通過皮帶傳遞動力，結構復雜，且工作效率低；另一類是ISG直接與發動機曲軸相連[8]，如圖2所示，ISG為緊湊的扁平結構，易于布置在發動機與離合器之間的空間，動力可直接通過轉動軸傳遞給汽車，為一種弱混合動力汽車。

圖1 通過傳送帶與發動機曲軸相連的ISG系統結構簡圖

圖2 直接與發動機曲軸相連的ISG系統結構簡圖

ISG系統主要有以下幾種工作模式：

(1)發動機起停模式

在不需要發動機對外輸出功率或扭矩的工況如停車等待交通燈時，可關閉發動機，且ISG系統可瞬間起動發動機，可有效減少發動機怠速時的油耗和排放。在該工作模式下，ISG工作在電動狀態，由電源向ISG系統提供電能，使得ISG驅動發動機旋轉直至其最大起動轉速，當ISG系統控制單元監測到發動機轉速達到最大起動轉速，控制ISG停止運行。

(2)輔助驅動模式

當發動機不足以提供汽車需求的動力時，ISG可輔助發動機提供額外的動力。在該工作模式下，ISG工作在電動狀態，由電源向ISG提供能量，并與發動機同時向汽車輸出動力。

(3)發電模式

當電源能量不足時，ISG可作為發電機向電源充電。在該工作模式下，由發動機帶動ISG旋轉，ISG工作在發電狀態，并由ISG系統控制單元控制電源的充電電流，當電源能量充至設定的上限時，控制ISG停止運行。

(4)再生制動模式

當松開加速踏板或踩下制動踏板時，ISG產生整車的部分制動力，ISG工作在發電狀態，把制動時的動能轉化為電能存儲在電源中，實現制動能量回饋。

永磁直流電機體積小，工作效率高，可提供較高的轉速和較大的電磁扭矩，且其輸出電磁扭矩與電樞電流成正比，感應電動勢與轉速成正比，在工作過程中便于控制，在ISG系統中的應用具有較好的前景。

由以上ISG的幾種工作模式看出，ISG有電動和發電兩種運行狀態。

當ISG工作在電動狀態時，有電壓平衡方程式：

式中：UISG為ISG供電端電壓；ε為ISG的感應電動勢；LISG為ISG電樞繞組的電感；rISG為ISG電樞繞組的內阻；iISG為ISG電樞的瞬時電流。

ISG產生的瞬時電磁驅動力為：

式中：Ki為ISG的電磁力常數。

則ISG電動運行需要的功率為：

ISG電動運行需要的能量：

式中：tM為ISG電動運行的時間。

當ISG作為發電機工作在發電狀態時，有動態電壓平衡方程式：

式中：R為ISG的等效負載。

ISG發電運行產生的功率為：

則ISG發電運行產生的能量為：

式中：tG為ISG發電運行的時間。

ISG產生的瞬時電磁制動力：

在ISG的兩種運行狀態中，通過控制供電電壓可以調節ISG的轉速，從而調節ISG的功率輸出，通過控制ISG電樞的瞬時電流可以調節ISG產生的瞬時電磁力，從而控制ISG對外輸出的動力及回饋能量時的制動力。

2 一種ISG系統用復合電源的設計及控制

2.1 復合電源的工作原理

作為ISG系統的關鍵部分，供電電源參與ISG系統的所有運行模式，供電電源的性能很大程度上決定ISG系統的性能，ISG系統要求電源既具有大的比能量，又具有大的比功率，目前的單一電源技術水平幾乎無法同時滿足ISG系統的需求。本文提出了一種復合電源在直接與發動機曲軸相連的ISG系統中的應用，結構簡圖如圖3所示，復合電源由超級電容器和蓄電池直接并聯組成14 V電源系統。如圖4所示，汽車14 V電源系統通過非隔離型雙向DC-DC功率變換器升壓至42 V向ISG供電，該聯接方式結構簡單，便于控制。兩種電源相互協同工作，滿足ISG系統的各種運行工況。當ISG工作在電動狀態時，通過控制雙向DC-DC功率變換器實現升壓提供能量，復合電源可以瞬時提供電能輸出，提高ISG系統的響應特性；當ISG工作在發電狀態時，通過控制雙向DC-DC功率變換器實現降壓回饋能量，增大可回饋能量的ISG轉速范圍區間。

圖3 采用復合電源的直接與發動機曲軸相連的ISG系統結構簡圖

圖4 提出的復合電源結構

2.2 微分先行PID控制器設計

由于ISG電樞電流頻繁升、降變化，選用微分先行PID數字控制算法調節ISG電機電樞電流，只對輸出電流實際值進行微分，對給定電流參考值不作微分，在改變給定參考值瞬間，輸出不會立即改變，可大大減小被控輸出電流的超調量，避免給定電流參考值升、降變化引起的系統振蕩，可明顯改善系統的動態特性。雙向DC-DC功率變換器也選用微分先行PID數字控制器。微分先行PID數字控制算法為：

式中：kp為比例系數；ki為積分系數；kd為微分系數；u(k)為第k次采樣時刻的控制器輸出量；y(k)為第k次采樣時刻的實際輸出量，且有：

式中：Tc為采樣周期；γ為常數，且γ＜1。

3 仿真研究

選取鋰離子蓄電池初始電壓為14 V，容量為6.5 Ah，初始荷電狀態為0.8，內阻為0.046 Ω；超級電容器初始電壓為14 V，電容量為200 F，內阻為0.003 Ω；ISG為永磁直流電機，其電磁力常數為5.0，額定電壓為42 V，額定扭矩為200 N·m，額定功率為1.68 kW。

當ISG工作在電動狀態向汽車提供動力時，由14 V電源通過雙向DC-DC功率變換器升壓至42 V向ISG提供能量，電壓變換如圖5所示，ISG電樞電流(扭矩)階躍響應如圖6所示，由永磁直流電機的特性知，ISG電樞電流與其產生的扭矩成正比，當ISG輸出扭矩或輸出扭矩需要變化時，可瞬時響應扭矩輸出需求，且沒有超調。復合電源的電流輸出如圖7所示，超級電容器分擔總輸出電流的大部分，蓄電池只有較小的電流輸出，且超級電容器與蓄電池之間有相對柔性平緩的電流交換。

圖5 雙向DC-DC功率變換器兩端電壓

圖6 ISG電樞電流(電磁扭矩)階躍響應

圖7 復合電源電流

當ISG工作在發電狀態時，ISG產生的電能通過雙向DC-DC功率變換器向14 V電源回饋，ISG產生的感應電動勢與電源電壓如圖8所示，只有當感應電動勢大于電源電壓時，才可以通過控制雙向DC-DC功率變換器降壓向電源回饋能量。ISG電樞電流(扭矩)階躍響應如圖9所示，ISG產生的制動扭矩可瞬時響應扭矩需求，且沒有超調。當ISG產生的感應電動勢不大于電源電壓時，回饋過程結束，回饋能量過程受感應電動勢大小和電源最大容量的約束。復合電源的回饋電流輸出如圖10所示，超級電容器分擔大部分的回饋電流，蓄電池只有較小的回饋電流，且超級電容器與蓄電池之間有相對柔性平緩的電流交換。

圖8 ISG感應電動勢與電源電壓

圖9 ISG電樞電流(扭矩)

圖10 復合電源回饋電流

4 結論

本文提出一種由超級電容器與蓄電池直接并聯組成14 V電源，并通過雙向DC-DC功率變換器升壓至42 V向永磁直流電機式ISG供電的復合電源方案，具有以下優點：

(1)超級電容器和蓄電池直接并聯，結構簡單，便于控制。

(2)電流在兩種電源之間自由流動時，超級電容器作為能量緩沖器承擔大部分的電流，對蓄電池起到功率削峰填谷的作用，可大大延長蓄電池的使用壽命；且經過兩種電源的總電流由雙向DC-DC功率變換器控制，不會產生過充和過放。

(3)通過控制雙向DC-DC功率變換器升壓至42 V向ISG供電，通過控制ISG電流調節ISG的扭矩，當扭矩有較大變化時，不會影響42 V電壓輸出，系統瞬時響應性和魯棒性強。

(4)當ISG工作在發電狀態，通過控制雙向DC-DC功率變換器降壓回饋能量，使得電源的能量回饋相比傳統方法中的升壓回饋效率更高。

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A low voltage hybrid power source for integrated starter and generator system of hybrid electric vehicle

MA Guo-qing,CONG Ning,REN Gui-zhou
(Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Control Technology in Universities of Shandong,School of Electromechanical and Automobile Engineering,Yantai University,Yantai Shandong 264005,China)

In order to improve the performance of power source for integrated starter and generator(ISG)system of hybrid electric vehicle(HEV),a low voltage hybrid power source that based on ultra-capacitor(UC)and battery in parallel directly through a bi-directional DC-DC converter which implements the conversion and transfer of power was proposed.In this hybrid power source,UC mainly as a power buffer to supply power when ISG was in driving operation and absorb power in generating operation, and battery mainly provided energy to other electrical equipments of HEV. The advantages of high power density of UC and high energy density of battery were fully utilized,so the superiority such as quick start/stop control,good use of renewable energy and strong auxiliary power can be achieved to a large extent,and battery life is also increased.Simulation results justify the effectiveness of the design.

hybrid electric vehicle(HEV);integrated starter and generator(ISG);ultra-capacitor(UC);hybrid power source

TM 91

A

1002-087 X(2015)08-1719-03

2015-01-22

國家自然科學基金(51407152)；山東省自然科學基金(ZR2013EEL022)；山東省科技發展計劃項目(2012YD04039)；汽車安全與節能國家重點實驗室開放基金項目(KF11222)

馬國清(1970—)，河北省人，博士，副教授，主要研究方向為內燃機控制技術、新能源汽車電子控制技術。