新能源汽車發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)集成動(dòng)力系統(tǒng)模型分析

鹿 攀，張棟省，2，鄧 濤，仇 磊

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074;2.廣東精進(jìn)能源有限公司精進(jìn)能源研究院，廣東佛山 528305)

隨著汽車保有量的增加和汽車產(chǎn)業(yè)的快速增長(zhǎng)，汽車工業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。但由于能源日益短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重及氣候變化失調(diào)等各方面因素的影響，人們對(duì)更清潔、更環(huán)保、來(lái)源更豐富的新動(dòng)力展開(kāi)探索。以電能為動(dòng)力的汽車成為近幾年的研究熱點(diǎn)。在純電動(dòng)汽車上，動(dòng)力電池為整車提供動(dòng)力。但由于動(dòng)力電池本身存在的一些問(wèn)題，比如能量密度低、成本高、具有一定安全風(fēng)險(xiǎn)等，使純電動(dòng)汽車快速發(fā)展及其大范圍應(yīng)用遇到一定困難。作為一種解決方案，增程式發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)集成系統(tǒng)在一定程度上能解決上述問(wèn)題［1］。作為一種新型化的起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)具有很廣的應(yīng)用市場(chǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較大速度范圍的高效運(yùn)行。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM集成系統(tǒng)的研究是十分必要的。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程阻力矩模型

發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中受到多種機(jī)構(gòu)的阻力作用。其中最主要的幾種有活塞裙部、活塞環(huán)、氣門機(jī)構(gòu)、缸內(nèi)氣體、活塞組、附屬機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的阻力，對(duì)應(yīng)的曲軸受到的阻力矩［2］為Tf、Tfrc、Tv、Tg、Tre、Ta。

1.1 活塞裙部、活塞環(huán)阻力矩

在開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油黏度大、流動(dòng)性差，不能立即到達(dá)各摩擦部件。在低溫情況下，汽缸壁與活塞環(huán)、活塞裙部間隙較大，潤(rùn)滑油膜難以形成，此時(shí)潤(rùn)滑狀態(tài)為邊界潤(rùn)滑，摩擦因數(shù)視為常數(shù)［3］。

活塞裙部與氣缸壁間摩擦力阻力矩為

活塞環(huán)與缸壁的摩擦阻力矩為

式(1)、(2)中:β為連桿與活塞中心線的夾角;mj為活塞組的質(zhì)量;a為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)加速度;Ar為活塞環(huán)的受力面積;As活塞裙部受力面積;Pgas為氣缸壓力Pe為活塞環(huán)的安裝預(yù)緊力;μ為潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度;r為曲軸半徑;α為曲柄轉(zhuǎn)角。

1.2 缸內(nèi)壓縮氣體阻力矩

壓縮空氣作用在活塞頂部，推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞受到吸氣、做功時(shí)氣體的擠壓做正功。排氣及壓縮行程，缸內(nèi)氣體對(duì)活塞做負(fù)功。Tg計(jì)算公式為［4］

式(3)中:P0為大氣壓力;D為活塞直徑;|K(α)|為轉(zhuǎn)換系數(shù)，其大小為

1.3 氣門機(jī)構(gòu)

在氣門機(jī)構(gòu)的摩擦力研究中，Staron和Willermet認(rèn)為:在氣門機(jī)構(gòu)中，有2組連接件之間存在磨損阻力，分別為凸輪與挺桿、搖臂與氣門支點(diǎn)之間［5］，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式。摩擦阻力矩的經(jīng)驗(yàn)公式為

式(5)中:G為一個(gè)氣缸內(nèi)含有的所有氣門數(shù);Ls為氣門彈簧受到的一定力作用下的載荷;ω為曲軸角速度。

1.4 活塞組往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力矩

活塞組在高溫高壓氣體的推動(dòng)下高速運(yùn)動(dòng)，在行程終點(diǎn)速度急劇變化，并反向運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的劇烈變化產(chǎn)生很大的慣性力矩，計(jì)算公式如下:

1.5 附屬機(jī)構(gòu)運(yùn)行阻力矩

附屬機(jī)構(gòu)包括水泵、機(jī)油泵、油泵、汽車空調(diào)以及其他附屬機(jī)構(gòu)。附屬機(jī)構(gòu)摩擦力矩具體可表示為［6］

式(7)中a3為附屬機(jī)構(gòu)載荷系數(shù)。

1.6 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程總阻力矩

增程式電動(dòng)三輪車采用168FB發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)見(jiàn)表1。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸所受的總阻力矩為

表1 168FB型發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中阻力矩的理論分析，結(jié)合168FB汽油機(jī)的物理參數(shù)，利用Matlab/Simulink建立發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模型，改變環(huán)境溫度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)總阻力矩進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同起動(dòng)溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩

圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在-20～20℃環(huán)境下阻力矩的變化曲線。隨著溫度的上升，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力呈下降趨勢(shì)。在-20℃時(shí)，阻力矩最大，為15 N·m。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程是指從發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)始，可燃混合氣燃燒膨脹做功，通過(guò)活塞、曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曲軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速。在此過(guò)程中，起動(dòng)時(shí)間是評(píng)判汽車動(dòng)力性能的重要指標(biāo)之一。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能要求

在發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM集成系統(tǒng)中要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的順利起動(dòng)必須滿足2個(gè)條件:①SRM提供足夠大的轉(zhuǎn)矩，能在很短的時(shí)間內(nèi)把發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到預(yù)定轉(zhuǎn)速;②發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前達(dá)到一定的點(diǎn)火速度并在氣缸中形成一定濃度的可燃混合氣。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM集成系統(tǒng)對(duì)SRM的轉(zhuǎn)矩需求及相關(guān)約束條件為:

式(9)中:Te為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;˙ω為曲軸的角加速度。

2.2 SRM驅(qū)動(dòng)控制策略

根據(jù)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的阻力矩隨轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)速的變化而不斷變化，SRM要在0.4 s內(nèi)把發(fā)動(dòng)機(jī)帶到800 rad/min。本文根據(jù)電機(jī)低速下的恒扭矩特性，對(duì)電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩控制，保證SRM在低速下按最大扭矩運(yùn)行，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的動(dòng)力性要求。仿真所用電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 SRM主要參數(shù)表

3 SRM驅(qū)動(dòng)控制與建模

SRM作為一種新型的機(jī)電一體化裝置，由開(kāi)關(guān)電路和雙凸極磁阻電動(dòng)機(jī)組成。在SRM中，調(diào)速系統(tǒng)基本框圖如圖2所示。

圖2 SRM調(diào)速系統(tǒng)基本框圖

3.1 SRM的數(shù)學(xué)模型

6/4三相SRM是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，繞組電流的非正弦與鐵芯磁通密度的高飽和是SRM運(yùn)行的兩大特點(diǎn)［7］。為了便于分析，假定［8］:

1)三相繞組對(duì)稱，每相的2個(gè)線圈作正向串聯(lián)，忽略空間諧波。

2)不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組的影響。

3)功率開(kāi)關(guān)器件為理想開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通時(shí)壓降為0，關(guān)斷時(shí)電流為0。

4)忽略鐵損，不計(jì)渦流和磁滯損耗。

①電路方程

在三相SRM中，電壓方程為

式(10)中:k=a，b，c;Uk為k相繞組電壓;RS為轉(zhuǎn)子相電阻;ik為k相繞組電流;ψk為k相繞組磁鏈。

磁鏈ψk可以表示為

式(11)中，Lk為k相繞組電感。

將式(11)代入(10)，可得電壓方程為

②機(jī)械方程

轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

式(13)中的 f為摩擦因數(shù)。

3.2 SRM驅(qū)動(dòng)控制模型

在SRM中，控制變量一般有4種:相繞組端電壓、相電流、開(kāi)通角、關(guān)斷角，對(duì)應(yīng)的符號(hào)表示分別為± U、i、θon、θoff。對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是對(duì)上述參數(shù)的調(diào)節(jié)。其中，對(duì)開(kāi)通角和關(guān)斷角的控制稱為角度位置控制方式(APC);對(duì)電流直接施加控制稱為電流斬波控制方式(CCC);在主開(kāi)關(guān)控制信號(hào)中加入PWM，調(diào)節(jié)占空比D達(dá)到控制電壓有效值的方式為電壓斬波控制方式。本文中采用角度位置控制方式，關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM綜合建模與仿真

起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM綜合模型［9-10］如圖4所示。

圖3 APC控制時(shí)相電流波形

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM綜合模型

根據(jù)建立的起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM綜合模型，在Matlab/Simulink平臺(tái)上，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)與SRM動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果見(jiàn)圖5～7。

圖5 一相電流波形

由于電機(jī)控制為角度位置控制方式，電機(jī)相電流對(duì)開(kāi)通角θon、關(guān)斷角θoff的變化很敏感，隨角度的變化產(chǎn)生很大的波動(dòng)。如圖5所示，相電流變化幅度為20 A。

圖6、7表明:在發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM集成系統(tǒng)中，SRM在0.15 s之前轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，但總體力矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩，能夠在起始階段拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。之后電機(jī)力矩趨于穩(wěn)定，且仍大于發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩。在0.17 s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到800 rpm，能夠?qū)崿F(xiàn)快速起動(dòng)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM集成系統(tǒng)滿足動(dòng)力性要求。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波

圖7 轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

5 結(jié)論

1)通過(guò)建立發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，得出發(fā)動(dòng)機(jī)不同的運(yùn)行阻力矩公式，在Matlab/Simulink模型中通過(guò)改變外界起動(dòng)溫度，得出阻力矩變化曲線。

2)基于發(fā)動(dòng)機(jī)-SRM系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程動(dòng)力性要求，建立了SRM的數(shù)學(xué)模型，其中電機(jī)控制采用恒轉(zhuǎn)矩控制，驅(qū)動(dòng)控制采用角度位置控制。

3)以發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的各運(yùn)行阻力矩作為電機(jī)輸入負(fù)載，對(duì)SRM起動(dòng)性能進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明:集成系統(tǒng)動(dòng)力性優(yōu)異，電機(jī)能夠在很短的時(shí)間里實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)，證明開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在混合動(dòng)力汽車中作為拖動(dòng)電機(jī)的前景廣闊。

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