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(xié)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(tǒng)中的發(fā)動機、發(fā)電機協(xié)調控制問題,提出了一種轉速切換/功率跟隨增程器協(xié)調控制策略。首先根據發(fā)動機的最佳制動燃油消耗率曲線設計了發(fā)動機的功率-轉速切換表。然后，分別設計了基于發(fā)動機平均值模型的發(fā)動機轉速二階滑模控制系統(tǒng)和基于電壓定向直接功率控制的PWM整流器功率控制系統(tǒng)。通過對發(fā)動機轉速和PWM整流器輸出功率的閉環(huán)控制，使發(fā)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(huán)境下搭建了系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，仿真結果從增程器功率跟隨效果,發(fā)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(fā)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(xié)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(guī)模商業(yè)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(xù)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(xù)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(tài)時的發(fā)動機、發(fā)電機協(xié)調控制問題,結合發(fā)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(xié)調控制策略，并根據發(fā)動機的最佳制動燃油消耗率曲線(brake specific fuel consumption,BSFC)設計了發(fā)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(fā)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(huán)境下搭建了系統(tǒng)的聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)動機、發(fā)電機和PWM整流器構成, 發(fā)動機和發(fā)電機同軸連接。當動力電池的荷電狀態(tài)(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(fā)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(fā)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(tǒng)結構示意圖

由于APU的輸出和整車直流母線直接相連，發(fā)動機與車輛的驅動輪不存在機械連接，發(fā)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(fā)動機在其轉速-轉矩/功率平面上的工作區(qū)間來實現(xiàn)對增程器的優(yōu)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(xù)下降。

(2)能夠保持直流母線電壓的基本穩(wěn)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(fā)動機、發(fā)電機的高效區(qū)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(fā)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(fā)動機轉速和轉矩,實現(xiàn)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(xiàn)了對由柴油發(fā)動機和三相不控整流器組成的APU輸出電壓的穩(wěn)定控制,有效抑制了負載突變對發(fā)動機轉速和發(fā)電電流的影響;文獻[9]以等效燃油消耗為優(yōu)化目標,實現(xiàn)了發(fā)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(yōu)化性能指標，構造了APU燃油效率最優(yōu)控制模型，并采用最大值原理，實時計算發(fā)動機的最佳轉速和轉矩。上述方法,從整車控制策略或發(fā)動機、發(fā)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(fā)動機、發(fā)電機的協(xié)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(yōu)化發(fā)動機的工作區(qū)域，提高發(fā)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(fā)動機的轉速，理想的發(fā)動機功率-轉速曲線為圖2所示的發(fā)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(fā)動機的轉速響應難以及時跟隨功率的變化，并且頻繁的發(fā)動機轉速調整會影響發(fā)動機的空燃比控制,進而影響發(fā)動機的油耗和排放[11]。

為解決這一問題,在發(fā)動機的功率輸出范圍[Pmin,Pmax]內,劃分出k個子區(qū)間,將每個功率子區(qū)間的中點Pi對應的發(fā)動機轉速ni作為該區(qū)間的發(fā)動機目標轉速，如圖2所示，根據該圖可以得出發(fā)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(qū)間，決定發(fā)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(huán)控制，實現(xiàn)增程器輸出功率對整車功率需求的跟隨。此時發(fā)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(fā)動機轉速。

圖2　發(fā)動機最佳BSFC曲線及功率-轉速切換圖

綜合考慮發(fā)動機的轉速調節(jié)誤差和PWM整流器的功率調節(jié)誤差,發(fā)動機的實際工作區(qū)間將是一條圍繞最佳BSFC曲線的狹長區(qū)域。

轉速切換/功率跟隨增程器協(xié)調控制系統(tǒng)結構如圖3所示,其中,Eabc、Iabc分別為發(fā)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(tài)?？刂葡到y(tǒng)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(fā)動機轉速控制器根據該目標轉速通過調節(jié)電子節(jié)氣門開度θ,實現(xiàn)對發(fā)動機轉速的閉環(huán)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(huán)控制，從而實現(xiàn)對整車的功率需求的跟蹤。發(fā)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(xiàn)了發(fā)動機轉速控制和發(fā)電機、PWM整流器發(fā)電系統(tǒng)的解耦控制。實質上,由于在特定的功率子區(qū)間內發(fā)動機轉速是恒定的,所以PWM整流器在功率子區(qū)間內的功率調節(jié)是通過對發(fā)電機的發(fā)電轉矩的調整而實現(xiàn)的,同時由于發(fā)動機和發(fā)電機是同軸連接的,所以發(fā)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(xié)調控制系統(tǒng)

當整車的功率需求在兩個不同的功率區(qū)間之間小幅度頻繁波動時,會造成發(fā)動機轉速的頻繁調節(jié),這種轉速的頻繁調節(jié)會嚴重影響發(fā)動機的工作效率和排放性能[11],為了避免這種情況的發(fā)生,引入功率遲滯環(huán)節(jié),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(huán)節(jié)示意圖如圖4所示。

圖4　功率遲滯環(huán)節(jié)

2.2基于二階滑模的發(fā)動機轉速控制系統(tǒng)設計

實現(xiàn)對發(fā)動機轉速的精確控制是轉速切換/功率跟隨增程器協(xié)調控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。汽油發(fā)動機轉速控制系統(tǒng)是一個典型的非線性、強耦合、時變動力學系統(tǒng)[12],其系統(tǒng)參數往往隨著外部環(huán)境以及工況的變化在較大的范圍內波動。發(fā)動機轉速控制器不僅要能保證對目標轉速的快速、穩(wěn)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(tǒng)的狀態(tài),動態(tài)地對系統(tǒng)結構進行調整，使系統(tǒng)按照預定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于滑動模態(tài)與系統(tǒng)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(tǒng)辨識等優(yōu)點[13-14],但是傳統(tǒng)的滑模變結構控制本質上的不連續(xù)開關特性會引起系統(tǒng)的抖振,抖振不僅影響系統(tǒng)的控制精度，也會激發(fā)系統(tǒng)的高頻未建模動態(tài)特性。同時，這種高頻切換輸出直接作用在執(zhí)行器上，不僅對執(zhí)行器的響應速度提出了很高的要求，甚至會損壞執(zhí)行器。二階滑模控制將不連續(xù)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(xiàn)了控制輸出的連續(xù),有效地改善了抖振現(xiàn)象[15-16],同時保留了傳統(tǒng)滑?？刂频聂敯粜詮?、有限時間收斂等優(yōu)點,特別適合發(fā)動機轉速控制這類非線性、參數不確定系統(tǒng)。

綜合汽油發(fā)動機的進氣系統(tǒng)、轉矩產生系統(tǒng)與運動系統(tǒng)特性,取控制變量u=θ,狀態(tài)變量x=[x1x2]T=[npm]T,其中,pm為進氣歧管壓力。那么發(fā)動機模型可以通過狀態(tài)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(tǒng)轉動慣量;Tl為發(fā)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(huán)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(fā)動機點火提前角;kmo、kl、kth、ke為發(fā)動機平均值模型的系統(tǒng)參數[18]。

對式(2)中的第一個狀態(tài)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(tǒng)收斂條件為

(6)

其中,s0為準滑模動態(tài)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(tǒng)的響應速度、超調量、穩(wěn)態(tài)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(tǒng)的收斂條件,令Φ=1.17×103,Γm=219.17,ΓM=1.15×103。系統(tǒng)初始條件x(t0)=[1200 r/min80 kPa]T,u(t0)=10時,發(fā)動機轉速控制系統(tǒng)的轉速響應曲線和控制變量節(jié)氣門開度曲線如圖5所示,從圖5可以看出,轉速控制系統(tǒng)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(jié)氣門開度圖5　發(fā)動機轉速曲線和節(jié)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(xié)調控制系統(tǒng)是通過調節(jié)PWM整流器的輸出功率從而間接實現(xiàn)對發(fā)動機轉矩的調整的,那么實現(xiàn)對PWM整流器輸出功率的精確控制是系統(tǒng)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(tài)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(tài)響應速度快、交流側功率因素可調的優(yōu)點,同時還可以工作在有源逆變狀態(tài),驅動永磁同步電機拖動發(fā)動機啟動[19],免除了額外的發(fā)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(xiàn)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(huán)輸出狀態(tài),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(huán)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(huán)控制[19]?；镜目刂扑悸肥?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(huán)比較器中,最后根據滯環(huán)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(tài)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(tǒng)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(huán)比較器的滯環(huán)寬度為2Hp,那么有功功率滯環(huán)比較器和無功功率滯環(huán)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(qū)N便可以確定功率開關管的開關狀態(tài)sa、sb和sc,實現(xiàn)PWM整流器的功率閉環(huán)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(xié)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(xié)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(fā)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(fā)電機　14.差速器15.駕駛室　16.主動穩(wěn)定控制系統(tǒng)　17.電氣系統(tǒng)　18.鋰電池19.PWM整流器　21.APU控制單元　22.電驅動控制系統(tǒng)23.電制動和機械制動單元　24.在線監(jiān)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(fā)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(chuàng)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機轉速以及

圖12　發(fā)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(fā)動機的工作點分布在圍繞最佳BSFC曲線的狹長區(qū)域內。

4　結論

(1)基于平均值模型的發(fā)動機轉速二階滑?？刂破髂軌蚩焖?、準確地響應發(fā)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(huán)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(xié)調控制策略，發(fā)動機的工作點集中在一條圍繞最佳BSFC曲線的狹長區(qū)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(fā)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(yōu)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。