微型電動車用增程發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

戴佳奇，吳躍樂，許家群

（北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京 100124）

微型電動車用增程發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

戴佳奇，吳躍樂，許家群

（北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京 100124）

為了提高微型電動車的續(xù)行里程，設計了由小功率發(fā)動機、永磁同步發(fā)電機及PWM整流器組成的增程式發(fā)電機系統(tǒng)。根據微型電動車的運行特點，提出雙功率點能量管理策略，并進行了系統(tǒng)仿真和實驗。研究結果表明，采用的雙功率點能量管理策略適用于小功率發(fā)動機，有助于提升整車的續(xù)行里程。

微型電動車；増程發(fā)電系統(tǒng)；能量控制策略

微型電動車成本較低，可以滿足基本代步需求，近年來增長快速。但是，低成本要求也使得微型電動車所用電池容量較小，整車續(xù)行里程較短。采用由發(fā)動機，發(fā)電機及其控制器組成的增程發(fā)電系統(tǒng)是在低成本基礎上提高微型電動車續(xù)行里程的有效手段。微型電動車驅動電機系統(tǒng)功率較小，因此，增程發(fā)電系統(tǒng)宜選用小功率通用發(fā)動機，但其轉速不易精確調節(jié)。

對于發(fā)電機與控制器的連接形式，文獻［1-2］采用三相無刷交流發(fā)電機連接二極管整流器的結構，通過解耦控制優(yōu)先調節(jié)發(fā)動機的轉速，再調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，從而實現增程發(fā)電系統(tǒng)未到限幅值時恒壓輸出、達到限幅值時恒功率輸出；文獻［3-4］采用開關磁阻發(fā)電機作為車用發(fā)電機，通過電流斬波控制、脈沖寬度控制等方法調節(jié)電機勵磁電流來實現其發(fā)電控制；文獻［5］提出了電勵磁雙凸極發(fā)電機連接二極管整流器的結構。本文采用永磁同步發(fā)電機連接PWM整流器的系統(tǒng)結構，使發(fā)動機工作在萬有特性曲線的優(yōu)化運行區(qū)，保證發(fā)動機具有較好的排放和油耗，通過檢測驅動需求功率，進行永磁同步發(fā)電機矢量控制實現能量在增程發(fā)電系統(tǒng)、電池、驅動電機之間的有效分配。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　增程發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.1　Structure of range-extended generation system

1　能量管理策略

為了保證發(fā)動機具有良好的油耗和排放水平，根據發(fā)動機工作曲線（見圖2），本文選取3 000 r/min作為固定轉速，根據發(fā)動機推薦使用范圍選取PH，PL2個工作點，進行增程發(fā)電系統(tǒng)雙功率點控制策略。

圖2　通用發(fā)動機工作曲線Fig.2　Operation curves of general-purpose engine

整車處于不同工況時，通過控制永磁同步發(fā)電機的輸出功率來分配增程發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池的輸出功率，即可實現對電動汽車系統(tǒng)母線上功率流動的分配。

不同的工況下母線上各系統(tǒng)之間的能量流動方式決定了3種工作模式。

1）純電動模式。當蓄電池電量比較充足時，整車作為純電動汽車行駛，增程發(fā)電系統(tǒng)不工作。整車處于低速、中速、高速等工況時，由蓄電池單獨提供功率。

2）增程發(fā)電系統(tǒng)+蓄電池聯合驅動模式。當蓄電池電量較低時，增程發(fā)電系統(tǒng)開始工作。當整車運行于低速時，驅動電機系統(tǒng)需求功率小于PL，增程發(fā)電系統(tǒng)不輸出功率，由蓄電池提供功率；整車運行于中速時，驅動電機系統(tǒng)需求功率大于PL、小于PH，增程發(fā)電系統(tǒng)輸出功率PL，不足的部分由蓄電池提供；整車運行于高速時，驅動電機系統(tǒng)需求功率大于PH，增程發(fā)電系統(tǒng)輸出功率PH，不足的部分由蓄電池提供。

3）增程發(fā)電系統(tǒng)充電模式。增程式發(fā)電系統(tǒng)啟動后，當整車制動時，驅動電機系統(tǒng)需求功率為零，而此時增程發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率大于驅動電機系統(tǒng)需求功率，則增程發(fā)電系統(tǒng)給蓄電池短時充電。

當整車的驅動電機系統(tǒng)需求功率長時間低于PL，或者為零時，則增程發(fā)電系統(tǒng)停機；當蓄電池電壓低于下限值Udcmin時，蓄電池SOC已經極低，整車驅動電機控制器已停止工作，增程發(fā)電系統(tǒng)停機。

2　增程發(fā)電系統(tǒng)性能仿真

增程發(fā)電系統(tǒng)在不同車速等級下的性能仿真框圖如圖3所示。

圖3　增程發(fā)電系統(tǒng)仿真模型Fig.3　Simulation model of range-extended generation system

圖4a、圖4b所示方框分別為整車運行于低速時母線電壓Udc、驅動電流Iload的波形。驅動功率Pload=Udc×Iload=0.7 kW，小于1.5 kW，根據控制策略，增程發(fā)電系統(tǒng)不輸出功率。

圖4　增程發(fā)電系統(tǒng)低速運行工況Fig.4　Low-speed condition of range-extended generation system

圖5a、圖5b所示方框分別為整車運行于中速時母線電壓Udc、驅動電流Iload的波形。驅動功率為Pload=Udc×Iload=2.2 kW，大于1.5 kW且小于3 kW，根據控制策略，增程發(fā)電系統(tǒng)輸出功率1.5 kW，蓄電池輸出額外的0.7 kW功率，增程發(fā)電系統(tǒng)輸出功率占驅動功率的68.2%，提供大部分的驅動功率。

圖5　增程發(fā)電系統(tǒng)中速運行工況Fig.5　Middle-speed condition of range-extended generation system

圖6a、圖6b所示方框分別為整車運行于高速時母線電壓Udc、驅動電流Iload的波形。驅動功率為Pload=Udc×Iload=3.4 kW，大于3 kW，根據控制策略，增程發(fā)電系統(tǒng)輸出功率為3 kW，蓄電池輸出額外的0.4 kW功率。增程發(fā)電系統(tǒng)輸出功率占驅動功率的88.2%，提供主要的驅動功率。

圖6　增程發(fā)電系統(tǒng)高速運行工況Fig.6　High-speed condition of range-extended generation system

3　增程發(fā)電系統(tǒng)實驗

實驗平臺以異步電動機模擬通用發(fā)動機，采用72 V/200 A·h蓄電池組，用功率電阻作為負載模擬整車驅動電機系統(tǒng)的功率需求。

電阻由3.2 Ω切換到母線斷開狀態(tài)來模擬整車低速行駛或滑行工況，實驗波形如圖7所示。Udc，ig，ia，ib，分別為母線電壓、增程發(fā)電系統(tǒng)輸出電流、A相電流、B相電流。負載切換后增程發(fā)電系統(tǒng)進入不可控整流狀態(tài)，輸出電流ig和相電流迅速減小為零。由于電阻負載切換瞬間增程發(fā)電系統(tǒng)輸出功率給電池充電，導致母線電壓短暫上升。

圖7　模擬低速實驗波形圖Fig.7　Experiment waveforms in low-speed condition

電阻由3.2 Ω來模擬整車中速行駛工況，實驗波形如圖8所示。由于增程發(fā)電系統(tǒng)母線與蓄電池并聯，增程發(fā)電系統(tǒng)輸出功率瞬間母線電壓Udc較平穩(wěn)。穩(wěn)態(tài)下增程發(fā)電系統(tǒng)實際輸出電流ig為20.1 A，母線電壓Udc為74.4 V，相電流有效值為19.82 A，可計算出發(fā)電機輸出功率為1.5 kW。電阻負載功率Pload為1 730 W，增程發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率占總負載功率的86.4%，蓄電池電量消耗明顯減少。

圖8　模擬中速實驗波形圖Fig.8　Experiment waveforms in middle-speed condition

電阻負載1.6 Ω模擬整車高速行駛工況，實驗波形如圖9所示。電阻切換瞬間，母線電壓略有降低，增程發(fā)電系統(tǒng)開始大功率輸出后母線電壓恢復。穩(wěn)態(tài)下增程發(fā)電系統(tǒng)實際輸出電流ig為40.14 A，母線電壓Udc為75.2 V，相電流有效值為38.57 A，計算出發(fā)電機輸出功率為3 kW。電阻負載總負載功率Pload為3 534 W，增程發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率占總負載功率的85.4%，蓄電池輸出功率僅占14.6%，蓄電池的電量消耗減少。

圖9　模擬高速實驗波形圖Fig.9　Experiment waveforms in high-speed condition

4　結論

微型電動車增程發(fā)電系統(tǒng)所用通用發(fā)動機的轉速難以精確調節(jié)，宜采用固定發(fā)動機轉速的永磁同步發(fā)電機矢量控制輸出功率調節(jié)方式。增程發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率根據整車工況來控制，應盡可能避免單獨給蓄電池充電的工況，有助于提升整車續(xù)行里程。

［1］Stancu C，Ward T，Rahman K，et al.Separately Excited Syn?chronous Motor with Rotary Transformer for Hybrid Vehicle Application［C］//Energy Conversion Congress and Exposition，Pittsburgh，2014，9：5844-5851.

［2］ 李文華.無刷同步電機啟動-發(fā)電過程的研究［D］.長沙：湖南大學，2010.

［3］ Urase K，Kiyota K，Sugimoto H，et al.Design of a Switched Re?luctance Generator Competitive with the IPM Generator in Hy?brid Electrical Vehicles［C］//2012 15th International Confer?ence on Electrical Machines and Systems，Sapporo，2012，10：1-6.

［4］ Schofield N，Long S.Generator Operation of a Switched Reluc?tance Starter/Generator at Extended Speeds［J］.IEEE Transac?tions on Vehicular Technology，2009，58（1）：48-56.

［5］ Yu Li，Zhang Zhuoran，Chen Zhihui，et al.Analysis and Verifi?cation of the Doubly Salient Brushless DC Generator for Auto?mobile Auxiliary Power Unit Application［J］.IEEE Transac?tions on Industrial Electronics，2014，61（12）：6655-6663.

Control Strategy of Range-extended Generation System for Micro Electric Vehicle

DAI Jiaqi，WU Yuele，XU Jiaqun
（College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China）

In order to improve the continued mileage of the micro electric vehicle，a range-extended generation system composed of a small power engine，a permanent magnet synchronous generator and a PWM rectifier was designed.According to the operating characteristics of the micro electric vehicle，the energy management strategy of the dual power point was proposed，and carried out the system simulation and experiment.The results show that the dual power point energy management strategy used is suitable for small power engine，which will help to improve the vehicle′s continued mileage.

micro electric vehicle；range-extended generation system；energy control strategy

TM351

A

2015-09-15

修改稿日期：2016-01-19

戴佳奇（1991-），男，碩士研究生，Email：xjq@bjut.edu.cn