侯 玨， 姚棟偉， 吳 鋒， 呂成磊， 王 涵， 沈俊昊

(浙江大學 動力機械及車輛工程研究所， 杭州 310027)

以插電串聯(lián)為特征的增程式電動汽車是目前電池技術突破之前由傳統(tǒng)燃油車向純電動汽車過渡的最理想車型[1].在眾多車載增程器構(gòu)型[2-5]中，內(nèi)燃發(fā)電型增程器因技術相對成熟、結(jié)構(gòu)緊湊和成本較低而被廣泛應用.發(fā)電機大多采用永磁同步電機[6-8]，也有少數(shù)采用三相無刷交流同步電機[9]及其他電機[10].電勵磁電機因磁動勢感應系數(shù)較低而效率不高，難以應用于功率需求較大的場合[11]；永磁同步電機發(fā)電需借助脈沖寬度調(diào)制(PWM)全橋/半橋整流等技術，控制難度和成本較高.混合勵磁電機最早由McCarty[12]提出，它綜合了兩者的優(yōu)點，高效緊湊，特別適合對輸出電壓/功率的穩(wěn)定性要求較高的場合；通過引入勵磁電流對輸出電壓進行控制，控制邏輯更簡單，控制成本更低，并且利于驅(qū)動系統(tǒng)的解耦控制和效率優(yōu)化[13]，在增程式電動汽車領域具有重要的應用前景.

一方面，增程器控制的最終目標是快速響應目標發(fā)電功率，并提高燃油經(jīng)濟性、降低排放；另一方面，沿著最優(yōu)曲線進行功率跟隨的增程器有利于小型化[14]，因此增程器控制策略需要解決增程器發(fā)動機與發(fā)電機之間的強耦合問題，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)整頻率，將增程器的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況點限制在設定的高效低排工作區(qū)域內(nèi).申永鵬等[6]提出了一種基于發(fā)動機制動比油耗(BSFC)曲線的發(fā)動機轉(zhuǎn)速切換-整流器功率跟隨的增程器協(xié)調(diào)控制策略.胡明寅等[15]設計了發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機電流的雙閉環(huán)控制策略.Zhang等[16]利用比例-積分-微分(PID)算法和模糊控制器來保證發(fā)動機轉(zhuǎn)速在發(fā)電機轉(zhuǎn)矩變化時保持穩(wěn)定.后續(xù)該團隊對發(fā)動機和發(fā)電機進行協(xié)調(diào)控制，并進行了試驗驗證[17].現(xiàn)有研究在一定程度上完成了增程器的解耦協(xié)調(diào)控制[18]，但較少考慮到發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制慢于電機功率/轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，這會導致工況點實際遷移路徑偏離設定的最優(yōu)曲線.并且多數(shù)基于永磁同步電機的實現(xiàn)較大程度上依賴于其控制精度、控制系統(tǒng)復雜度和成本，針對混合勵磁增程器動態(tài)控制的相關研究目前還未見報導.

本文利用混合勵磁電機氣隙磁場的平滑調(diào)整特性，提出一種基于混合勵磁電機的新型電動汽車增程器.針對混合勵磁增程器動態(tài)協(xié)調(diào)控制問題，制定了基于增程器整體效率特性的多轉(zhuǎn)速點工作區(qū)域，設計了圍繞工作區(qū)域的增程器轉(zhuǎn)速-功率解耦的雙閉環(huán)控制算法，并利用MATLAB/Simulink開發(fā)平臺進行了算法實現(xiàn)，最后基于自行開發(fā)的混合勵磁增程器原理樣機進行了試驗驗證.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

混合勵磁增程器的控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，增程器主體由混合勵磁發(fā)電機與發(fā)動機通過錐軸剛性連接形成，發(fā)動機選用一款V型雙缸全電控發(fā)動機，發(fā)電機選用一款混合勵磁電機，詳細參數(shù)見表1和表2.采用基于控制器局域網(wǎng)(CAN)總線的分層式網(wǎng)絡控制結(jié)構(gòu)，增程器控制器(RCU)與整車控制器(VCU)通過整車層CAN網(wǎng)絡進行信息交互，與發(fā)動機控制器(ECU)通過內(nèi)部CAN與進行通訊.增程器不直接參與驅(qū)動，而是在整車動力電池電量不足時發(fā)電以提供額外電量，延長續(xù)駛里程，避免電池過放電.

圖1 混合勵磁增程器控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of hybrid excitation range-extender control system

RCU接收VCU的控制指令，經(jīng)內(nèi)部控制算法對發(fā)動機和混合勵磁發(fā)電機進行協(xié)調(diào)控制，完成增程器的按需啟停和發(fā)電功率調(diào)整，并將當前工作狀態(tài)信息反饋給VCU.RCU集成混合勵磁發(fā)電機控制器功能，通過采集母線電壓與電流、電機勵磁電流等信號，對混合勵磁電機進行勵磁電流調(diào)整，實現(xiàn)增程器發(fā)電功率閉環(huán)控制.ECU接收RCU的發(fā)動機啟停命令和目標轉(zhuǎn)速命令，進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，并反饋實際轉(zhuǎn)速和發(fā)動機工作狀態(tài).發(fā)電狀態(tài)下，發(fā)動機帶動混合勵磁發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)不控整流橋與整車直流母線相連，所發(fā)的電能可為驅(qū)動電機供電或給動力電池充電.

表1 發(fā)動機參數(shù)Tab. 1 Parameters of engine

表2 混合勵磁電機參數(shù)Tab. 2 Parameters of hybrid excitation generator

2 控制策略設計

2.1 多轉(zhuǎn)速點功率跟隨策略

基于混合勵磁增程器整體燃油消耗率萬有特性曲線，設計增程器多轉(zhuǎn)速點工作區(qū)間，如圖2所示.為保證增程器在發(fā)電過程中的燃油經(jīng)濟性，兼顧動力電池壽命和運行振動噪聲問題，實際發(fā)電工況區(qū)域限定增程器發(fā)電功率區(qū)間為4～16 kW，發(fā)電轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 800～3 600 r/min，增程器在整個限定發(fā)電功率區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)對目標發(fā)電功率的跟隨.

圖2 增程器多轉(zhuǎn)速點工作區(qū)間Fig.2 Multi-speed point operating regions of range-extender

為減少增程器轉(zhuǎn)速頻繁調(diào)整對油耗和排放產(chǎn)生的不利影響[6]，設計了多轉(zhuǎn)速點功率跟隨策略，將限定發(fā)電功率區(qū)間分為若干個發(fā)電功率子區(qū)間.發(fā)電功率子區(qū)間的確定一方面要保證較低的增程器整體燃油消耗率，另一方面，需要遠離增程器外特性曲線以免運行不穩(wěn)定.最終根據(jù)混合勵磁增程器整體效率特性確定了功率子區(qū)間-轉(zhuǎn)速對應關系，如表3和圖2中紅色線段所示.

表3 功率子區(qū)間-轉(zhuǎn)速對應關系

圖3 混合勵磁增程器轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法Fig.3 Speed-power decoupling control algorithm for hybrid excitation range-extender

2.2 轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法

在多轉(zhuǎn)速點功率跟隨策略的基礎上，設計如圖3所示的混合勵磁增程器轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法，RCU根據(jù)實際目標發(fā)電功率查功率子區(qū)間-轉(zhuǎn)速對應關系得到目標轉(zhuǎn)速，再由發(fā)動機ECU與RCU獨立完成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和發(fā)電功率閉環(huán)控制，實現(xiàn)解耦后對發(fā)電目標功率的跟隨.

在實際增程器控制試驗中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機對目標功率的響應速度快于發(fā)動機對轉(zhuǎn)速的響應速度，當目標功率變化較大時容易造成系統(tǒng)瞬態(tài)遷移工況偏離設定的工作區(qū)域，因此考慮對實際請求功率進行限制.利用實際轉(zhuǎn)速查找轉(zhuǎn)速-功率子區(qū)間對應關系，得到當前轉(zhuǎn)速下允許的發(fā)電功率來限制實際目標功率，將增程器實際工況遷移路徑限制在圍繞功率區(qū)間的多轉(zhuǎn)速點工作區(qū)域內(nèi)，對應圖2中的灰色陰影區(qū).

當目標功率在功率子區(qū)間內(nèi)部變化時，增程器轉(zhuǎn)速不變，工況點局限在功率子區(qū)間內(nèi)；當目標功率在不同的功率子區(qū)間之間切換時，由于當前轉(zhuǎn)速映射到不同的功率子區(qū)間，增程器實際運行工況點在控制策略的限制下沿著虛線呈階梯狀上升和下降，避免其偏離設定的工作區(qū)域.

2.3 功率-勵磁電流串級系統(tǒng)PI控制

為實現(xiàn)混合勵磁增程器發(fā)電功率閉環(huán)控制，利用混合勵磁電機輸出電壓單端口可控的特性，引入勵磁電流這一中間控制變量，設計了基于串級系統(tǒng)的混合勵磁增程器功率-勵磁電流雙閉環(huán)控制策略，如圖3中的虛線框以內(nèi)部分.通過勵磁電流調(diào)節(jié)勵磁占空比這一最終控制變量，改變氣隙磁場分布與強度，進而改變電勵磁部分的感應電勢，實現(xiàn)混合勵磁電機的輸出控制.

串級控制系統(tǒng)的外部閉環(huán)用于快速消除動態(tài)干擾，內(nèi)部閉環(huán)用于調(diào)節(jié)輸出效果，從而使系統(tǒng)的響應加快，改善了動態(tài)性能.混合勵磁增程器系統(tǒng)對輸出精度和動態(tài)響應特性都有較高的要求，因此基于PI控制器的雙閉環(huán)控制方法非常適用.

3 試驗驗證

3.1 試驗臺架

利用MATLAB/Simulink搭建了混合勵磁增程器整體控制策略模型，經(jīng)測試之后自動生成應用層的嵌入式C代碼，與底層手寫代碼聯(lián)合編譯之后下載到RCU硬件中，并基于混合勵磁增程器臺架進行驗證.圖4給出了增程器測試臺架的拓撲圖，包括混合勵磁增程器、RCU、負載箱、油箱、CAN通信設備及監(jiān)控調(diào)試上位機.CAN通信分析設備采用德國Vector的CANoe VN1630A，搭建上位機面板模擬整車控制器的功能，對增程器控制器發(fā)出模擬控制指令，并實時監(jiān)控/記錄增程器的運行狀態(tài).負載箱采用電阻負載箱，用于消耗增程器發(fā)出的電能.

圖4 增程器測試臺架Fig.4 Testing bench for range-extender

3.2 試驗結(jié)果

串級控制系統(tǒng)的控制效果如圖5所示，將其與單閉環(huán)控制系統(tǒng)進行對比驗證.發(fā)電功率從2 kW上升至3 kW，單閉環(huán)控制系統(tǒng)需要33 s，而雙閉環(huán)僅需9 s.選取穩(wěn)定發(fā)電功率為2 kW的工況，連續(xù)采集了85 s的數(shù)據(jù).由試驗數(shù)據(jù)分析可得，串級控制系統(tǒng)的發(fā)電功率標準差為0.029 kW，單閉環(huán)控制系統(tǒng)的標準差為0.061 kW.由此可見功率-勵磁電流雙閉環(huán)控制策略可有效加快響應速率，減小發(fā)電功率波動.

圖5 串級控制系統(tǒng)控制效果Fig.5 Control effect of cascade control system

利用上位機進行增程器功率跟隨試驗，目標功率按照0-5-10-15-10-5-0 kW的順序給定，待實際功率到達目標功率并穩(wěn)定之后，再改變目標功率.目標功率調(diào)整過程中，始終控制負載箱負載功率大小至發(fā)電功率附近.記錄增程器實際功率、目標功率、實際轉(zhuǎn)速、目標轉(zhuǎn)速、輸出電壓、輸出電流、勵磁電流以及勵磁占空比隨時間變化的數(shù)據(jù).

將圖6與圖7聯(lián)合分析可知，當目標發(fā)電功率變化時，目標轉(zhuǎn)速根據(jù)設定的功率子區(qū)間-轉(zhuǎn)速對應關系進行切換，表明文中設計的多轉(zhuǎn)速點功率跟隨策略切實可行.實際發(fā)電功率可較快響應目標發(fā)電功率，且響應速度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速響應速度相關，驗證了轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法.

圖6 功率跟隨特性Fig.6 Power following characteristics

圖7 轉(zhuǎn)速響應特性Fig.7 Speed response characteristics

分別選取5 kW、10 kW、15 kW發(fā)電功率目標條件下，增程器達到穩(wěn)態(tài)的200個連續(xù)的數(shù)據(jù)采集點，進行混合勵磁增程器動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略的穩(wěn)態(tài)特性分析.試驗數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)速的平均穩(wěn)態(tài)誤差為14 r/min，輸出功率的平均穩(wěn)態(tài)誤差為0.18 kW.但是在實際功率下降過程中，實際發(fā)電功率并不能完全達到目標功率值，穩(wěn)態(tài)誤差約為0.43 kW.由圖6增程器實際的動態(tài)功率跟隨特性數(shù)據(jù)可知，目標功率上升過程中，由于存在怠速工況，所以不考慮初始啟動過程5 kW目標功率時的響應時間，目標功率由5 kW切換到10 kW的上升時間大約為9.5 s，10 kW到14 kW上升時間大約需要10.5 s.

圖8 增程器輸出電壓與電流特性Fig.8 Output voltage and current characteristics of range-extender

圖9 串級閉環(huán)系統(tǒng)中間控制變量變化特性Fig.9 Variation characteristics of intermediate control variables in cascade closed-loop systems

由圖8和圖9中的數(shù)據(jù)分析可知，整個功率跟隨試驗過程中，混合勵磁增程器的輸出電壓和輸出電流穩(wěn)定.勵磁電流作為功率-勵磁電流串級PI控制系統(tǒng)中外部閉環(huán)的控制量，在目標功率突變時快速大幅調(diào)整以消除動態(tài)干擾，實現(xiàn)快速響應；勵磁占空比作為內(nèi)部閉環(huán)的控制量，進行小幅調(diào)整以快速穩(wěn)定增程器輸出.

為了更加清楚地分析瞬態(tài)遷移過程增程器工況點的遷移路徑，將目標功率上升過程與下降過程的數(shù)據(jù)整理成轉(zhuǎn)速-功率對應關系，如圖10和圖11中藍色“+”和“×”所示.可以看出，當目標功率需要增程器在不同轉(zhuǎn)速-功率子區(qū)間遷移時，增程器實際的工況點遷移路徑基本圍繞多轉(zhuǎn)速點工作區(qū)域，功率調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的速率匹配良好，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與功率的動態(tài)協(xié)調(diào)控制.由工況點密集程度分析，功率跟隨過程增程器大部分工況點都落在設定的轉(zhuǎn)速-功率子區(qū)間上，避免了發(fā)動機轉(zhuǎn)速頻繁切換，提高了燃油經(jīng)濟性.對比圖10和圖11可知，目標功率下降過程，轉(zhuǎn)速下降速率加快，一方面，記錄的數(shù)據(jù)點減少；另一方面，導致功率閉環(huán)調(diào)節(jié)波動變大.因此相比于功率下降過程，功率上升過程的工況點遷移軌跡更貼近于設置的多轉(zhuǎn)速點工作區(qū)域.

圖10 目標功率上升過程增程器工況點分布Fig.10 Distribution of range-extender operating points in target power rising process

圖11 目標功率下降過程增程器工況點分布Fig.11 Distribution of range-extender operating point in target power dropping process

4 結(jié)論

(1) 針對增程器動態(tài)協(xié)調(diào)控制問題，利用混合勵磁電機氣隙磁場的平滑調(diào)整特性，提出增程器轉(zhuǎn)速-功率解耦控制算法，設計多轉(zhuǎn)速點功率跟隨策略，試驗結(jié)果表明可有效減少發(fā)電工況遷移過程中轉(zhuǎn)速的頻繁切換.

(2) 利用發(fā)動機控制器與增程器控制器獨立完成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和發(fā)電功率閉環(huán)控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與功率的解耦控制，引入勵磁電流這一中間變量實現(xiàn)了發(fā)電功率-勵磁電流的串級系統(tǒng)控制.試驗數(shù)據(jù)表明，相比于單閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用串級系統(tǒng)控制可有效提高增程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能.

(3) 試驗結(jié)果表明，混合勵磁增程器輸出發(fā)電功率的動態(tài)響應較快，平均響應時間為10 s；穩(wěn)態(tài)誤差在可接受范圍內(nèi)，功率上升過程約為0.18 kW，功率下降過程約為0.43 kW；穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運行工況均位于設定工作區(qū)域內(nèi)，發(fā)電控制策略可行.