增程式電動汽車增程器轉速切換/功率跟隨協調控制

申永鵬　王耀南　孟步敏　易迪華

1.湖南大學,長沙,410082　　2.北汽新能源汽車有限公司,北京,102606

增程式電動汽車增程器轉速切換/功率跟隨協調控制

申永鵬1王耀南1孟步敏1易迪華2

1.湖南大學,長沙,4100822.北汽新能源汽車有限公司,北京,102606

針對電動汽車增程器系統中的發動機、發電機協調控制問題,提出了一種轉速切換/功率跟隨增程器協調控制策略。首先根據發動機的最佳制動燃油消耗率曲線設計了發動機的功率-轉速切換表。然后，分別設計了基于發動機平均值模型的發動機轉速二階滑?？刂葡到y和基于電壓定向直接功率控制的PWM整流器功率控制系統。通過對發動機轉速和PWM整流器輸出功率的閉環控制，使發動機沿著最佳制動燃油消耗率曲線運行。最后，在AVL Cruise和MATLAB/Simulink仿真環境下搭建了系統的聯合仿真模型，仿真結果從增程器功率跟隨效果,發動機轉速控制效果,動力電池電壓、電流和SOC波動范圍以及發動機工作點分布等方面驗證了該策略的有效性。

增程式電動汽車; 增程器; 協調控制; 二階滑?？刂?直接功率控制

0　引言

作為一種不依賴于化石燃料、零排放的清潔能源車輛，純電動汽車得到了人們越來越多的關注,但是當前的電能存儲技術不足以為純電動汽車提供一種功率/能量密度高、充電速度快并且價格相對低廉的電能存儲裝置，這極大地限制了純電動汽車的大規模商業化推廣。為了解決這種矛盾，增程式電動汽車(range extender electric vehicle, REEV)應運而生。

在純電動汽車的基礎上，加裝能夠為動力電池充電的輔助動力裝置——增程器(auxiliary power unit,APU),便構成了一臺增程式電動汽車。當動力電池能量充足時，汽車以純電動模式行駛；當動力電池能量不足時，便啟動增程器為動力電池充電或直接驅動車輛行駛，提高車輛的續駛里程。由于既能滿足人們日常的短距離零排放清潔行駛，又能免除人們長距離行駛對車輛續駛里程的擔憂，增程式電動汽車逐漸成為各整車廠、研究機構的關注熱點[1-5]。

針對增程器工作在功率跟隨狀態時的發動機、發電機協調控制問題,結合發動機/電機轉速和功率的耦合特性，本文首先設計了轉速切換/功率跟隨增程器協調控制策略，并根據發動機的最佳制動燃油消耗率曲線(brake specific fuel consumption,BSFC)設計了發動機的功率-轉速切換表,然后分別設計了基于二階滑?？刂破鞯陌l動機轉速控制器和基于電壓定向直接功率控制(voltage-based direct power control,V-DPC)的PWM整流器功率控制器,最后在AVL Cruise和MATLAB/Simulink仿真環境下搭建了系統的聯合仿真模型。

1　增程器控制基本原理

典型的增程式電動汽車動力系統結構如圖1所示,車載充電器、小容量動力電池、驅動電機和驅動電機控制器構成了車輛動力系統的基本組件。車輛的加速性能、爬坡能力和最高車速完全取決于驅動電機和驅動電機控制器的特性。增程器由發動機、發電機和PWM整流器構成, 發動機和發電機同軸連接。當動力電池的荷電狀態(state of charge,SOC)低于某一設定限值SOCmin時,整車控制器根據車速以及其他車輛信息啟動增程器并向APU控制單元發出功率指令Pdemand。APU控制器根據功率需求指令和增程器控制策略調整發動機轉速以及PWM整流器的輸出功率，為車輛提供額外的電能。

圖1　增程式電動汽車動力系統結構示意圖

由于APU的輸出和整車直流母線直接相連，發動機與車輛的驅動輪不存在機械連接，發動機的轉速和轉矩與整車對車速和牽引轉矩的需求無關，因此，增程器控制策略可以通過控制發動機在其轉速-轉矩/功率平面上的工作區間來實現對增程器的優化[6]。

一般而言,增程器控制策略應滿足以下要求：

(1)輸出功率滿足整車的功率需求，不至于在行駛過程中造成動力電池的SOC持續下降。

(2)能夠保持直流母線電壓的基本穩定，不至于對動力電池造成大電流的充放電,從而降低動力電池使用壽命。

(3)能夠保證增程器同時工作在發動機、發電機的高效區域,從而提高燃油效率,降低排放。

為解決增程器控制問題,文獻[7]以發電功率需求為輸入,采用模糊控制器確定具有最高燃油經濟性的發動機轉速和轉矩,實現了對APU的高效工作點控制;文獻[8]提出了一種基于線性變參數魯棒控制器的APU控制方法,實現了對由柴油發動機和三相不控整流器組成的APU輸出電壓的穩定控制,有效抑制了負載突變對發動機轉速和發電電流的影響;文獻[9]以等效燃油消耗為優化目標,實現了發動機與電池間的功率均衡控制，提高了整車的燃油經濟性。文獻[10]以產生給定能量燃油效率最高為優化性能指標，構造了APU燃油效率最優控制模型，并采用最大值原理，實時計算發動機的最佳轉速和轉矩。上述方法,從整車控制策略或發動機、發電機控制方面入手,不同程度地提高了APU的燃油經濟性，但是都沒有涉及發動機、發電機的協調控制。

2　轉速切換/功率跟隨增程器控制

2.1轉速切換/功率跟隨控制策略

如前所述,優化發動機的工作區域，提高發動機燃油效率，降低排放是增程器控制策略的一個重要目標。由于車輛運行期間整車的功率需求波動范圍很大,故增程器控制策略必須針對不同的功率需求及時調整發動機的轉速，理想的發動機功率-轉速曲線為圖2所示的發動機最佳BSFC曲線。車輛運行期間，整車的功率需求變化較快,發動機的轉速響應難以及時跟隨功率的變化，并且頻繁的發動機轉速調整會影響發動機的空燃比控制,進而影響發動機的油耗和排放[11]。

為解決這一問題,在發動機的功率輸出范圍[Pmin,Pmax]內,劃分出k個子區間,將每個功率子區間的中點Pi對應的發動機轉速ni作為該區間的發動機目標轉速，如圖2所示，根據該圖可以得出發動機的功率-轉速切換表,增程器根據功率指令所在的功率區間，決定發動機的目標轉速。同時，采用基于電壓定向直接功率控制方法對PWM整流器進行功率閉環控制，實現增程器輸出功率對整車功率需求的跟隨。此時發動機的輸出轉矩可描述為

(1)

式中，PAPU為APU的輸出功率；n為發動機轉速。

圖2　發動機最佳BSFC曲線及功率-轉速切換圖

綜合考慮發動機的轉速調節誤差和PWM整流器的功率調節誤差,發動機的實際工作區間將是一條圍繞最佳BSFC曲線的狹長區域。

轉速切換/功率跟隨增程器協調控制系統結構如圖3所示,其中,Eabc、Iabc分別為發電機的相電壓和相電流瞬時矢量;sa、sb和sc為PWM整流器功率開關管的開關狀態?？刂葡到y根據整車的實時功率需求Pdemand查找功率-轉速切換表對應的目標轉速n*,發動機轉速控制器根據該目標轉速通過調節電子節氣門開度θ,實現對發動機轉速的閉環控制。同時,采用基于電壓定向的直接功率控制方法對PWM整流器的輸出功率進行閉環控制，從而實現對整車的功率需求的跟蹤。發動機轉速控制器和PWM整流器功率控制器之間沒有耦合關系,從而實現了發動機轉速控制和發電機、PWM整流器發電系統的解耦控制。實質上,由于在特定的功率子區間內發動機轉速是恒定的,所以PWM整流器在功率子區間內的功率調節是通過對發電機的發電轉矩的調整而實現的,同時由于發動機和發電機是同軸連接的,所以發動機的負載轉矩也是隨功率變化而調整的。

圖3　轉速切換/功率跟隨APU協調控制系統

當整車的功率需求在兩個不同的功率區間之間小幅度頻繁波動時,會造成發動機轉速的頻繁調節,這種轉速的頻繁調節會嚴重影響發動機的工作效率和排放性能[11],為了避免這種情況的發生,引入功率遲滯環節,遲滯寬度為ΔP,只有當功率需求上升到Pm+ΔP/2時,轉速才會從nm切換到nm+1。同理,只有當功率下降到Pm-ΔP/2時,轉速才會從nm+1切換到nm。功率遲滯環節示意圖如圖4所示。

圖4　功率遲滯環節

2.2基于二階滑模的發動機轉速控制系統設計

實現對發動機轉速的精確控制是轉速切換/功率跟隨增程器協調控制系統的重要環節。汽油發動機轉速控制系統是一個典型的非線性、強耦合、時變動力學系統[12],其系統參數往往隨著外部環境以及工況的變化在較大的范圍內波動。發動機轉速控制器不僅要能保證對目標轉速的快速、穩定跟隨,還要對模型誤差、負載突變具有較強的魯棒性。

滑模變結構控制本質上是一種非線性控制,在控制過程中,它根據系統的狀態,動態地對系統結構進行調整，使系統按照預定“滑動模態”的狀態軌跡運動。由于滑動模態與系統參數及負載擾動無關，這就使得滑模變結構控制具有魯棒性較強、無需在線系統辨識等優點[13-14],但是傳統的滑模變結構控制本質上的不連續開關特性會引起系統的抖振,抖振不僅影響系統的控制精度，也會激發系統的高頻未建模動態特性。同時，這種高頻切換輸出直接作用在執行器上，不僅對執行器的響應速度提出了很高的要求，甚至會損壞執行器。二階滑?？刂茖⒉贿B續的控制量作用在滑模量的二階微分上而不是一階微分上,實現了控制輸出的連續,有效地改善了抖振現象[15-16],同時保留了傳統滑?？刂频聂敯粜詮?、有限時間收斂等優點,特別適合發動機轉速控制這類非線性、參數不確定系統。

綜合汽油發動機的進氣系統、轉矩產生系統與運動系統特性,取控制變量u=θ,狀態變量x=[x1x2]T=[npm]T,其中,pm為進氣歧管壓力。那么發動機模型可以通過狀態方程描述為[17]

(2)

其中

f(u)=kth0+kth1θ+kth2θ2+kth3θ3

K1=ke0+ke2λLth+ke3(λLth)2+ke4σ+ke5σ2

K2=π(ke1+ke9σ+ke10σ2)

K3=ke6+ke8σ

式中,J為系統轉動慣量;Tl為發動機負載轉矩;R為氣體常數;Tm為進氣歧管溫度;Vm為進氣歧管容積;pamb為環境壓力;Lth為汽油理論最佳空燃比(Lth=14.67);λ為等價空燃比;σ為發動機點火提前角;kmo、kl、kth、ke為發動機平均值模型的系統參數[18]。

對式(2)中的第一個狀態方程進行微分,可得

(3)

kl3-2kl4x1)χ(x)+K2(kmo1+2kmo2x2+kmo3x1)ε(x)]

cη(x)f(u)=δ(t,x)+ζ(t,x)u

(4)

采用“Super twisting”方法設計的滑?？刂坡蕿?/p>

u(t)=u1(t)+u2(t)

(5)

其中

控制系統收斂條件為

(6)

其中,s0為準滑模動態的邊界層,這里取s0=0;參數W、ρ和μ為待整定參數。這里采用類似于Ziegler-Nichols PID參數整定方法,固定其中兩個參數,調整另一個直至系統的響應速度、超調量、穩態精度等指標均滿足要求。經參數整定取W=6.8,ρ=0.5,μ=2.2。同時,為滿足式(6)所列的控制系統的收斂條件,令Φ=1.17×103,Γm=219.17,ΓM=1.15×103。系統初始條件x(t0)=[1200 r/min80 kPa]T,u(t0)=10時,發動機轉速控制系統的轉速響應曲線和控制變量節氣門開度曲線如圖5所示,從圖5可以看出,轉速控制系統能夠快速跟隨轉速指令,同時對負載波動具有較好的魯棒性。

(a)轉速響應

(b)節氣門開度圖5　發動機轉速曲線和節氣門開度曲線

2.3基于電壓定向的PWM整流器直接功率控制

由圖3可知,轉速切換/功率跟隨增程器協調控制系統是通過調節PWM整流器的輸出功率從而間接實現對發動機轉矩的調整的,那么實現對PWM整流器輸出功率的精確控制是系統的關鍵步驟。在增程器中,三相永磁同步電機輸出的三相交流電必須通過整流裝置進行整流后才能與直流母線連接。增程器中常見的整流裝置有不控整流器(二極管整流器)、相控整流器(晶閘管整流器)和PWM整流器(門極關斷功率開關管)。不控整流器輸出的直流電壓不可控，相控整流器的交流側功率因素較低、動態響應較慢,這限制了它們在增程器中的應用。

PWM整流器具有動態響應速度快、交流側功率因素可調的優點,同時還可以工作在有源逆變狀態,驅動永磁同步電機拖動發動機啟動[19],免除了額外的發動機啟動裝置,所以本文采用PWM整流器作為增程器整流裝置。為了實現增程器的輸出功率對整車功率需求的跟隨,必須使PWM整流器工作在功率閉環輸出狀態,因此采用基于電壓定向的直接功率控制對PWM整流器的功率輸出進行閉環控制。

基于電壓定向的PWM整流器直接功率控制不需要將輸出功率換算成相應的電流來進行控制，而是將PWM整流器輸出的瞬時有功功率和瞬時無功功率作為控制量直接進行閉環控制[19]。基本的控制思路是:首先對PWM整流器的瞬時有功功率p和無功功率q進行檢測運算，再將其檢測值與給定值p*和q*的偏差分別送入兩個滯環比較器中,最后根據滯環比較器的輸出以及交流側電壓矢量的位置確定功率開關管的開關狀態sa、sb和sc。這里,PWM整流器在單位功率因數下運行,故q*=0?？刂葡到y的結構框圖如圖6所示。

圖6　PWM整流器直接功率控制

(7)

為了消除PWM整流效率對功率跟隨精度造成的誤差,有功功率p的計算是通過對直流側的電壓VDC和電流IDC的測量得到的,即

p=VDCIDC

(8)

定義功率滯環比較器的滯環寬度為2Hp,那么有功功率滯環比較器和無功功率滯環比較器的輸出分別為

(9)

(10)

sp和sq是反映實際功率偏離給定功率程度的開關函數,根據開關函數sp、sq以及Eabc所處的扇區N便可以確定功率開關管的開關狀態sa、sb和sc,實現PWM整流器的功率閉環控制[20]。

3　仿真模型與結果分析

3.1仿真模型

為了驗證轉速切換/功率跟隨增程器協調控制策略的可行性與控制效果，在AVL Cruise車輛控制與動力學仿真軟件下搭建了基于轉速切換/功率跟隨增程器協調控制策略的增程式電動汽車模型，模型結構如圖7所示。

1.增程式電動汽車　2.2缸汽油發動機　3.主減速器4.左后輪　5.左前輪　6.右后輪　7.右前輪　8.后盤式制動9.前盤式制動　10.后盤式制動　11.前盤式制動12.驅動電機(永磁同步電機)　13.永磁發電機　14.差速器15.駕駛室　16.主動穩定控制系統　17.電氣系統　18.鋰電池19.PWM整流器　21.APU控制單元　22.電驅動控制系統23.電制動和機械制動單元　24.在線監控器　25.控制常量圖7　AVL Cruise仿真模型

車輛模型主要包括永磁同步驅動電機(模塊12)、動力電池(模塊18)、驅動控制單元(模塊22)、制動能量回饋控制單元(模塊23),增程器主要由汽油機(模塊2)、永磁同步發電機(模塊13)和PWM整流器(模塊19)以及增程器控制單元(模塊21)構成。其中增程器控制單元調用的是在MATLAB/Simulink下創建的DLL文件,通過AVL Cruise提供的MATLAB DLL接口與仿真模型通信，增程器控制單元的Simulink頂層仿真模型框圖見圖8。

圖8　增程器控制單元Simulink仿真模型

根據發動機的轉速-功率-比油耗特性,仿真中所采用的功率-轉速切換表見表1。整車能量管理策略可描述為當動力電池SOC低于SOC增程器啟動下限SOCmin時便啟動增程器,增程器工作于功率跟隨模式。這里SOCmin設置為40%,SOC的初始值為45%。

表1　功率-轉速切換表

表2列出了整車的基本參數以及主要動力部件參數。

A組患者以1μg·kg-1·h-1的速率泵注右美托咪定48h，如發現不可控的心動過緩或低血壓，停止泵注。B、C兩組不給予右美托咪定泵注，A、B組其余治療相同。應用視覺模擬評分法 （visual analog scale，VAS）、以單盲法對患者入院當時（≤傷后6 h）（T1）、傷后 24h（T2）、7 d（T3）疼痛程度進行評估。0 為“無痛”；10 為“最劇烈的疼痛”。

表2　整車及動力系統參數

3.2結果分析

仿真采用的EUDC工況的速度、加速度和行駛里程曲線如圖9所示。在該工況下仿真得到的整車功率需求曲線、發動機轉速曲線和增程器輸出功率曲線如圖10所示。

圖9　EUDC工況示意圖

圖10　功率需求、發動機轉速和增程器功率曲線

從圖10中可以看出，增程器啟動后，發動機轉速根據整車的功率需求工作在設定的轉速點，同時增程器的輸出功率隨著整車的功率需求變化而變化。整個EUDC工況中動力電池的電壓曲線、電流曲線和SOC曲線如圖11所示。從圖11中可以看出在工況的前80 s,由于動力電池SOC大于40%,增程器未啟動,此時動力電池的輸出電流隨整車的功率需求波動,同時由于內阻壓降,動力電池電壓波動較大。當增程器啟動后，動力電池的輸出電流基本為零，只有在發動機轉速切換時有小幅波動，同時在車輛制動時，動力電池吸收制動回饋電流。動力電池SOC基本保持在40%，緩慢的SOC下降是由給車輛低壓系統供電的DC/DC直流變換器造成的，在第350 s左右，由于車輛的制動回饋電流較大,故動力電池SOC發生輕微上升。

圖11　動力電池電壓、電流和SOC曲線

圖12描述了發動機在相應工作點的工作時間占全部時間的百分比。從該圖可以看出，在6個設定目標轉速點，發動機的工作時間均占較大的比例。占比例較低的工作點為發動機轉速以及

圖12　發動機工作時間分布圖

PWM功率調整過程中的過渡工況。綜合而言,發動機的工作點分布在圍繞最佳BSFC曲線的狹長區域內。

4　結論

(1)基于平均值模型的發動機轉速二階滑?？刂破髂軌蚩焖?、準確地響應發動機的轉速給定，并且對負載突變具有較強的魯棒性。(2)基于電壓定向直接功率控制的PWM控制器的功率閉環控制能夠準確地跟隨整車的功率需求。增程器啟動后動力電池的電壓、電流和SOC在車輛運行過程中波動較小，延長了電池使用壽命。(3) 采用轉速切換/功率跟隨增程器協調控制策略，發動機的工作點集中在一條圍繞最佳BSFC曲線的狹長區域內，有效地改善了整車的燃油經濟性和排放性能。

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(編輯袁興玲)

Cooperative Control Strategy of Power Following-speed Switching in a Range Extender Electric Vehicle APU

Shen Yongpeng1Wang Yaonan1Meng Bumin1Yi Dihua2

1.Hunan University,Changsha,410082 2.BAIC Motor Electric Vehicle Co., Ltd.,Beijing,102606

To solve the cooperative control problem of the engine and generator in APU system,the speed switching-power following APU cooperative control strategy was proposed herein.Firstly,the power-speed switching table of the engine was designed according to the optimal brake specific fuel consumption(BSFC) curve.Then,a second order sliding mode controller of the engine speed was designed,which was based on the engine mean value model.Meanwhile,the PWM rectifier output power controller was designed,which was based on the direct power control algorithm.Through the closed-loop control of the engine speed and PWM rectifier power,the proposed control strategy forced the engine to run along the optimal BSFC curve.Finally,the joint simulation model was developed based on AVL Cruise and MATLAB/Simulink.The simulation results show that the proposed APU cooperative control strategy is excellent in aspects of power following and speed controlling accuracy,battery voltage,current and state of charge(SOC) fluctuations,as well as the operating points distributions.

range extender electric vehicle;auxiliary power unit(APU);cooperative control;second order sliding mode control;direct power control

2014-02-11

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2012AA111004);國家自然科學基金資助項目(61104088)

U469.7DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.022

申永鵬,男,1985年生。湖南大學電氣與信息工程學院博士研究生。主要研究方向為混合動力汽車優化控制技術。王耀南,男,1957年生。湖南大學電氣與信息工程學院教授、博士研究生導師。孟步敏,男,1986年生。湖南大學電氣與信息工程學院博士研究生。易迪華,男,1979年生。北汽新能源汽車有限公司工程師。