增程發(fā)動機冷啟動及穩(wěn)定運行的控制策略研究

趙金星， 王 寒， 席慶圓

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

汽車市場的高速增長帶來了巨大的能源消耗和嚴(yán)重的環(huán)境污染。電動汽車滲透率，是關(guān)系“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵指標(biāo)。目前制造純電動汽車的成本高，電量的大規(guī)模消耗會導(dǎo)致在發(fā)電過程中帶來更嚴(yán)重的碳排放，電池安全性不夠，這些現(xiàn)實問題依舊困擾著消費者。增程式電動汽車不僅具有純電動汽車結(jié)構(gòu)簡單、排放性好、動力性強的特點，同時電池用電量進(jìn)一步減少，可以有效節(jié)能減排，因此成為目前新能源汽車發(fā)展的主要方向之一［1-2］。

增程式電動汽車在車載輔助供電系統(tǒng)的作用下，可以對驅(qū)動電機供能并且為電池充電，在增程模式下發(fā)動機不參與車輛的直接驅(qū)動，可以始終工作在高效區(qū)間，因而經(jīng)濟性、排放性能以及動力性都有保障。增程發(fā)動機在冷啟動時，內(nèi)部混合氣濃度過稀，汽油無法充分燃燒，影響發(fā)動機的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性［3-5］。研究電動汽車增程發(fā)動機的控制策略，可以提高增程器的控制效果，改善增程發(fā)動機冷啟動性能，在保證動力性滿足需求的基礎(chǔ)上，減少污染物排放。

增程式電動汽車如要真正實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，關(guān)鍵在于增程器的控制效果。李永亮等［6］基于粒子群算法對增程式電動汽車的動力參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化后的控制參數(shù)可以提高整車性能以及電池使用壽命。賀俊杰等［7］研究了電動汽車增程器能量管理策略，在滿足電動汽車動力性的同時兼顧動力電池組的穩(wěn)定性，有效改善了增程器效率。牛繼高等［8］對發(fā)動機的啟停時刻進(jìn)行了優(yōu)化分析，主要目標(biāo)是盡可能減少增程器系統(tǒng)的運行時間。結(jié)果表明，控制策略優(yōu)化后，隨著發(fā)動機運行時間的減少，油耗和電池的充放電損失也相應(yīng)減少。福特試驗室的POWELL等［9］建立了一個增程式電動汽車的動態(tài)模型對增程器進(jìn)行了控制研究。結(jié)果顯示，在干擾信號的作用下，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，發(fā)動機節(jié)氣門響應(yīng)及時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速可以較好地穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，系統(tǒng)魯棒性較強。

雖然相關(guān)學(xué)者對于增程發(fā)動機系統(tǒng)的控制方法已經(jīng)做了大量研究工作，但考慮冷啟動及穩(wěn)定運行時增程發(fā)動機系統(tǒng)的相關(guān)控制策略仍需進(jìn)一步研究。本文基于軟件在環(huán)的方法，建立電動汽車增程器的模塊化控制仿真開發(fā)平臺，分別研究基于傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制在增程發(fā)動機冷啟動和穩(wěn)定運行期間的空燃比及轉(zhuǎn)速控制，以保證發(fā)動機在高效點穩(wěn)定運行，減少發(fā)動機在工作時污染物的排放。

1 增程發(fā)動機冷啟動要求

增程式電動汽車是在純電動汽車的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，發(fā)動機的作用是驅(qū)動發(fā)電機，為電池、電動機和汽車上的其他設(shè)備供電。增程式電動汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)速不需要與路況匹配，可以使發(fā)動機保持在熱效率最高的區(qū)域內(nèi)工作，提升電動汽車的經(jīng)濟性能［10］。

發(fā)動機在低溫狀態(tài)下啟動時，進(jìn)入發(fā)動機的氣體溫度較低，不易被點燃，可以適當(dāng)?shù)卦黾踊旌蠚獾臐舛龋拱l(fā)動機更容易啟動。增程發(fā)動機在冷啟動時采用開環(huán)控制，一般通過查詢脈譜表的方式來控制發(fā)動機噴油脈寬［11-12］。

本文基于發(fā)動機萬有特性曲線的相關(guān)理論，在2 s時刻啟動機開始拖動發(fā)動機，約4.5 s時刻發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至目標(biāo)轉(zhuǎn)速800 r/min，發(fā)動機完成啟動的時間約為2.6 s。實際應(yīng)用中，發(fā)動機每次啟動的情況基本一致，所以發(fā)動機啟動控制一般利用試驗的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行開環(huán)控制。發(fā)動機的一般轉(zhuǎn)速在1 000～3 500 r/min之間，在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機可以達(dá)到最大的輸出轉(zhuǎn)矩，此時發(fā)動機可以在保證汽車動力性的同時具有較好的燃油經(jīng)濟性［13］。因此，發(fā)動機的最佳工作點在3 000 r/min左右，本文將研究如何使發(fā)動機啟動后直接至最佳工作點運行。

2 增程器控制仿真平臺建立

2.1 原機模型建立

建立了增程器系統(tǒng)控制仿真平臺，使用GTPower軟件建立增程發(fā)動機仿真模型，將GT-Power中的接口模塊與Simulink進(jìn)行耦合，在Matlab/Simulink模塊中建立轉(zhuǎn)速和空燃比的控制模型和增程式電動汽車整車的聯(lián)合仿真模型。聯(lián)合仿真模型建立的過程，如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真模型建立過程

本文仿真模型的參數(shù)是基于某型增程發(fā)動機，其具體的指標(biāo)見表1。電子節(jié)氣門的裝配，可以對發(fā)動機的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效控制，該發(fā)動機還具備獨立進(jìn)排氣的雙VVT系統(tǒng)，葉片操作范圍為40 °CA。

表1 某型增程發(fā)動機主要參數(shù)

燃燒模型采用預(yù)測燃燒模型（SITurb），該模型能夠考慮到諸多因素的影響，如發(fā)動機的幾何參數(shù)、混合氣成分與溫度、燃燒室設(shè)計、空燃比、缸內(nèi)氣流運動等［14］。

SITurb燃燒模型的數(shù)學(xué)表示為：

式中：Me為未燃混合氣的質(zhì)量，kg；ρu為未燃混合氣的密度，kg/m3；Ae為邊界處的火焰前鋒面表面積，mm2；ST為湍流燃燒速度，m/s；SL為層流燃燒速度，m/s；Mb為已燃混合氣質(zhì)量，kg；τ為時間常數(shù)；λ為泰勒微尺度長度，μm。

應(yīng)用SITurb燃燒模型時需要對影響湍流燃燒速率的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，稀釋效應(yīng)乘數(shù)（Dilution Effect Multiplier，DEM）的數(shù)值越大，對燃燒放熱率的影響越小；湍流火焰速度乘數(shù)（Turbulent Flame Speed Multiplier，TFSM）的數(shù)值越大，燃燒速度越快，燃燒過程的持續(xù)時間越短。

本文使用GT-Power優(yōu)化工具箱，以所有工況下的CA10-90（10%到90%燃料完全燃燒對應(yīng)的曲軸角）、CA50（50%燃燒時刻）以及Pmax（最大缸壓）仿真和試驗結(jié)果之間的差值作為優(yōu)化目標(biāo)，通過遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化，找到一組DEM、TFSM等參數(shù)的組合。其部分參數(shù)設(shè)置為：DEM設(shè)置為1，TFSM設(shè)置為0.77。

2.2 原機仿真模型驗證

圖2和圖3分別是在2 000 r/min和4 000 r/min的轉(zhuǎn)速條件下，缸壓和放熱率的仿真與試驗結(jié)果的對比，結(jié)果表明，不同轉(zhuǎn)速下，所建立模型的缸壓和放熱率仿真值與試驗值相接近；圖4為轉(zhuǎn)矩、比油耗的仿真值與試驗值對比，可以得出轉(zhuǎn)矩、比油耗的仿真與試驗結(jié)果的最大誤差分別約為4.2%、3.7%，均低于5%。

圖2 缸壓的仿真與試驗結(jié)果對比

圖3 放熱率的仿真與試驗結(jié)果對比

圖4 轉(zhuǎn)矩、比油耗仿真值與試驗值對比

綜上表明建立的仿真模型與原機具有較好的一致性，可用于基礎(chǔ)計算以及開展研究分析。

2.3 增程式電動汽車聯(lián)合仿真模型建立

在建立的原機模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，添加外部冷卻廢氣再循環(huán)模型，應(yīng)用缸內(nèi)直噴代替原先的進(jìn)氣道噴射，將4缸機模型改為3缸機模型，建立小排量增程發(fā)動機模型。

基于建立的增程發(fā)動機仿真模型，需要建立對應(yīng)的控制模型使其能在各種工況下穩(wěn)定運行，通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。發(fā)動機啟動期間，目標(biāo)轉(zhuǎn)速是先使發(fā)動機穩(wěn)定啟動至怠速轉(zhuǎn)速1 000 r/min，然后再拉升至3 000 r/min的常態(tài)工作點下穩(wěn)定運行；目標(biāo)空燃比在啟動及怠速運轉(zhuǎn)期間適當(dāng)加濃，常態(tài)工作點下控制在1附近。

以上建立了增程發(fā)動機在冷啟動下的控制策略模型，在此基礎(chǔ)上，建立電機和電池模型，添加車身模塊并設(shè)置具體參數(shù)，建立增程式電動汽車的整車聯(lián)合仿真模型，并根據(jù)需要設(shè)置了車輛運行過程中加減速的參數(shù)，以及發(fā)電機在額定工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。從開始至第17 s，車輛保持某一較低車速，第17 s時開始加速，22 s時加速至某一較高車速并保持車速至27 s，然后開始減速，至32 s時，減速至原始車速并保持。將車速需求轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速信號，輸入至驅(qū)動電機速度控制模塊中與驅(qū)動電機實際速度進(jìn)行比較，通過控制器控制驅(qū)動電機進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)整。設(shè)定發(fā)電機在額定工作狀態(tài)運行，轉(zhuǎn)矩95.5 Nm，并加以±5 Nm的干擾信號，通過Simulink-PS轉(zhuǎn)換模塊將信號傳輸至發(fā)電機轉(zhuǎn)矩輸入，同時通過PSSimulink轉(zhuǎn)換模塊傳遞至發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸入。增程式電動汽車的整車聯(lián)合仿真模型如圖5所示。

圖5 增程式電動汽車的整車聯(lián)合仿真模型

3 結(jié)果與討論

3.1 冷啟動過程仿真結(jié)果分析

傳統(tǒng)PID控制冷啟動時發(fā)動機啟動、怠速和過渡工況下的轉(zhuǎn)速及空燃比仿真結(jié)果，如圖6a所示。由圖可知，在0.2 s時刻啟動機開始拖動發(fā)動機啟動，轉(zhuǎn)速緩慢上升，1 s內(nèi)到達(dá)怠速轉(zhuǎn)速1 000 r/min并維持在怠速附近，在工況過渡時，5 s時刻發(fā)動機開始由怠速向常態(tài)工作點運行，期間轉(zhuǎn)速仍有一些抖動。約經(jīng)過2 s后，在常態(tài)工作點3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)PID控制冷啟動時發(fā)動機啟動、怠速和過渡工況下的空燃比仿真結(jié)果，如圖6b所示，采用過量空氣系數(shù)來反映空燃比情況。由圖可知，過量空氣系數(shù)在發(fā)動機啟動后明顯上升，1 s時刻開始出現(xiàn)短暫降低。怠速運轉(zhuǎn)期間過量空氣系數(shù)波動較大，6 s時刻可達(dá)到2.9左右，混合氣非常稀薄，燃燒不穩(wěn)定。過量空氣系數(shù)在經(jīng)過一定的波動后，能夠穩(wěn)定在1附近，此時發(fā)動機在理想空燃比下運行，控制器性能良好。

圖6 啟動、怠速和過渡工況下轉(zhuǎn)速及過量空氣系數(shù)結(jié)果

采用模糊PID控制方法進(jìn)行研究時，將發(fā)動機的理想空燃比14.7作為目標(biāo)，系統(tǒng)兩個輸入誤差E、誤差變化率EC的論域分別設(shè)為［-9，15］和［-22，14］，系統(tǒng)的3個輸出ΔKp、ΔKi和ΔKd的論域分別設(shè)為［-14，14］、［-7，7］和［-2.1，2.1］。空燃比和轉(zhuǎn)速控制的模糊控制器中輸入量E、EC和輸出量ΔKp、ΔKi和ΔKd的分布關(guān)系分別如圖7和圖8所示。

圖7 空燃比模糊控制器輸出與輸入變量的關(guān)系分布

圖8 轉(zhuǎn)速模糊控制器輸出與輸入變量的關(guān)系分布

在聯(lián)合仿真模型中，模糊PID控制器輸出的節(jié)氣門開度和噴油量作為模型的輸入，模型的輸出為實際轉(zhuǎn)速和空燃比，發(fā)動機由啟動至怠速1 000 r/min再拖至常態(tài)工作點3 000 r/min。

模糊PID控制冷啟動時起動、怠速和過渡工況下的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果，如圖9a所示，在發(fā)動機啟動期間轉(zhuǎn)速迅速增加，1 s時刻發(fā)動機到達(dá)怠速轉(zhuǎn)速1 000 r/min。怠速區(qū)間內(nèi)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速有微弱波動，并維持在怠速附近。5 s時刻發(fā)動機開始由怠速向常態(tài)工作點運行，運行過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速能平穩(wěn)地增加。約經(jīng)過1.4 s后，在常態(tài)工作點3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。

模糊PID控制冷啟動時啟動、怠速和過渡工況下的空燃比仿真結(jié)果，如圖9b所示，發(fā)動機啟動后空燃比開始增大，此時混合氣中燃油偏濃而得不到充分燃燒。1 s至5.8 s內(nèi)，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，空燃比存在一定的波動，約在5.8 s時刻過量空氣系數(shù)達(dá)到最大值1.6左右，遠(yuǎn)小于采用傳統(tǒng)PID控制的峰值。6.2 s時刻后，過量空氣系數(shù)穩(wěn)定在1左右，控制器性能良好。

圖9 啟動、怠速和過渡工況下轉(zhuǎn)速及過量空氣系數(shù)結(jié)果

綜上所述，相較于傳統(tǒng)PID控制，模糊PID控制在經(jīng)歷一開始較大的超調(diào)后，誤差相對較小，響應(yīng)時間較短。在對轉(zhuǎn)速的控制方面，模糊PID控制沒有劇烈的抖動，較為平穩(wěn)，系統(tǒng)穩(wěn)定后誤差更小；對于空燃比來說，二者在啟動及怠速期間過量空氣系數(shù)均存在一定的波動，但采用模糊PID控制時的峰值較低，發(fā)動機的燃燒更充分，可以提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性。

3.2 穩(wěn)定運行仿真結(jié)果分析

在建立好的增程發(fā)動機仿真模型，以及空燃比和轉(zhuǎn)速的模糊控制器的基礎(chǔ)上，研究增程發(fā)動機在常態(tài)工作點的穩(wěn)定運行狀態(tài)下的空燃比和轉(zhuǎn)速控制。

利用上述搭建的整車仿真模型進(jìn)行仿真分析，首先對車速進(jìn)行設(shè)置，從開始至第17 s，車輛保持車速54 km/h，第17 s時開始加速，22 s時加速至72 km/h并保持車速至27 s，然后開始減速，至32 s時，減速至原始車速54 m/h并保持。然后設(shè)定發(fā)電機在額定工作狀態(tài)運行，轉(zhuǎn)矩95.5 Nm，并加以±5 Nm的干擾信號。增程發(fā)動機穩(wěn)定運行時傳統(tǒng)PID控制以及模糊PID控制下的轉(zhuǎn)速與過量空氣系數(shù)的仿真結(jié)果對比，如圖10所示。發(fā)動機啟動并拖至常態(tài)工作點后，始終穩(wěn)定地驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，由于轉(zhuǎn)矩設(shè)置了波動值，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也相應(yīng)波動。由圖可知，相較于傳統(tǒng)PID，在模糊PID控制器的作用下，轉(zhuǎn)速能較快地穩(wěn)定在常態(tài)工作點3 000 r/min附近，轉(zhuǎn)速響應(yīng)較好；過量空氣系數(shù)的峰值更小，能快速收斂到期望的當(dāng)量空燃比，在當(dāng)量空燃比下，燃燒效率更高，控制器性能良好。

圖10 穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)速及過量空氣系數(shù)結(jié)果

由圖11可知，無論車輛是在加速、減速或是勻速運行狀態(tài)下，發(fā)動機功率始終在30 kW左右，與發(fā)電機的額定工況相匹配。發(fā)動機工況始終保持不變，不隨車輛運行工況的變化而變化，這也表明了增程發(fā)動機只驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，不參與驅(qū)動車輛，保證了發(fā)動機始終工作在最佳工況點，從而實現(xiàn)高效節(jié)能。還可以看到，第5 s車輛加速時，由于車速較低，車輛功率需求較小，發(fā)電機提供的電能滿足驅(qū)動電機的需求，多余的電能便給蓄電池進(jìn)行充電，可以看到，加速過程完成后，蓄電池充電功率穩(wěn)定在20 kW左右；隨后當(dāng)車輛減速時，充電功率隨車輛減速有較大的波動，減速過程結(jié)束后功率穩(wěn)定在30 kW左右。

圖11 增程發(fā)動機和動力電池功率

4 結(jié)論

本文基于軟件在環(huán)的方法，建立電動汽車增程器的模塊化控制仿真開發(fā)平臺，分別研究基于傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制在發(fā)動機冷啟動和穩(wěn)定運行期間的空燃比和轉(zhuǎn)速控制，結(jié)論如下：

（1）增程發(fā)動機冷啟動時，對比發(fā)現(xiàn)模糊PID控制在目標(biāo)轉(zhuǎn)速和空燃比的響應(yīng)速度和誤差方面均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

（2）穩(wěn)定運行時，在模糊PID控制器的作用下，增程發(fā)動機轉(zhuǎn)速始終穩(wěn)定在常態(tài)工作點3 000 r/min附近，功率始終在30 kW左右，轉(zhuǎn)速和空燃比均穩(wěn)定在目標(biāo)值附近，有利于降低排放和改善燃油經(jīng)濟性。