基于ISG的軍用混合動力車輛發動機啟動性能仿真

邊浩然，徐正飛，曾繁琦，資新運，張英鋒

(1.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

● 車輛工程VehicleEngineering

基于ISG的軍用混合動力車輛發動機啟動性能仿真

邊浩然1，徐正飛2，曾繁琦1，資新運2，張英鋒2

(1.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161)

為研究軍用混合動力車輛發動機啟動性能，針對基于啟動發電一體化電機(ISG)的混合動力車輛，建立氣壓差阻力矩和活塞慣性阻力矩數學模型；通過分析三相永磁同步電機矢量控制原理，建立電機數學模型；以Simulink為仿真平臺，搭建基于ISG的混合動力車輛的發動機啟動模型，得出了啟動過程發動機阻力矩的變化情況和轉速變化曲線。仿真結果表明，所采用的ISG電機及控制策略滿足發動機快速穩定啟動的要求。

Simulink；啟動發電一體化電機；混合動力；啟動性能

Abstract: To study the start-up performance of military hybrid vehicle engine, the paper firstly establishes mathematical models of pressure difference resistance moment and piston inertia resistance moment according to hybrid vehicle based on ISG. Then, it establishes a motor mathematical model by analyzing vector control principle of three-phase permanent magnet synchronous motor (PMSM). Finally, it sets up an engine start-up model of hybrid vehicle based on ISG with Simulink as simulation platform, and obtains the changing situation of resistance moment and rotation change curve. The simulation result shows that the ISG and its control strategy can meet the requirements of engine starting quickly.

Keywords: Simulink; integrated starter/generator (ISG); hybrid; start-up performance

基于啟動發電一體化電機(integrated starter/generator，ISG)的混合動力車輛通過怠速啟停、電動助力、制動能量回收等技術實現了優化排放、降低燃油消耗率的目的[1-2]。軍用車輛是軍隊重要機動平臺，戰時油料需求巨大。開發基于ISG的軍用混合動力車輛有利于降低單車燃油消耗，減輕油料保障壓力，具有重要的應用價值。

怠速啟停技術是指停車時，控制器分析車輛狀態、駕駛員動作意圖，當滿足一定條件時，自動關停發動機，取消其怠速運轉，達到節油的目的。傳統車輛發動機啟動時噴油轉速較低，達到噴油轉速后，通過加濃噴油的方式使發動機快速達到怠速轉速；而混合動力車輛通過ISG提高發動機啟動轉速，取消加濃噴油過程，從而優化了啟動過程排放[3-4]。發動機停機不能影響駕駛員正常駕駛，因此要求發動機能夠快速啟動，一般為0.5 s。李紅朋等[5]分析了基于ISG的發動機啟動過程阻力，討論了電機控制策略，并進行了仿真，但仿真過程將發動機阻力設為定值，未體現發動機啟動過程阻力矩的動態變化。田碩[6]分析了ISG柴油發動機啟動阻力矩，并進行了理論與試驗結果對比，但未對活塞的慣性阻力矩進行分析，且推導過程較為簡略。

本文分析了基于ISG的發動機啟動阻力矩，并在仿真中建立了啟動阻力矩動態模型，力求仿真結果更接近真實情況。

1 動力系統方案

基于ISG的發動機啟動系統，整體方案如圖1所示，主要包括ISG電機、發動機、電機控制器、發動機控制器等，發動機曲軸與ISG轉子剛性連接，同速轉動。

圖1 發動機啟動系統整體方案

發動機啟動過程為啟動電機克服發動機阻力矩做功，將發動機轉速帶至啟動轉速。因此啟動過程主要包括發動機阻力分析和ISG電磁轉矩控制。

2 發動機啟動過程阻力分析

發動機啟動過程的阻力組成復雜，文獻[5]對發動機啟動阻力進行了較為詳細的分析，研究了汽缸壓縮阻力、活塞環摩擦阻力、活塞裙部摩擦阻力、氣門機構摩擦阻力、活塞往復慣性力以及附屬部件運行阻力，得出了啟動過程各部分阻力作用在曲軸上的總阻力矩為T=f(α，ω),其中，α為曲軸轉角，ω為曲軸轉速。實際上，發動機啟動過程是一個動態復雜的過程，對模型進行適當簡化后，發動機啟動阻力矩包括摩擦力矩Τf、氣壓差力矩Tgas、慣性力阻力矩Ts。簡化后發動機啟動阻力如圖2所示。

圖2 發動機啟動阻力分析

圖中，v和ω分別為該時刻活塞運動速度和曲軸角速度，Τf為摩擦力矩，P1為汽缸內空氣壓力，P0為大氣壓力，G為活塞自身重力，F1為連桿作用于活塞銷的力，α、β分別為連桿與曲柄轉角。

2.1摩擦力矩

摩擦力矩包括活塞與汽缸壁之間的摩擦力、連桿與活塞銷間的摩擦力、曲軸與連桿間摩擦力、氣門凸輪機構摩擦力，以及附屬部件如空調壓縮機、水泵等產生的摩擦力矩等。對于啟動電機，上述摩擦阻力矩可轉化到曲軸上，合成與曲軸轉速方向相反的阻力矩Tf。根據已有研究，摩擦阻力矩為轉速的二次多項式[6-7]，且隨溫度下降，摩擦阻力矩增大。

考慮到摩擦部件數量大、種類多，且模型中存在大量不易測得的系數，建立數學模型復雜且不準確，該摩擦力矩可通過特定條件下的倒拖試驗獲得。

2.2氣壓差力矩

如圖3所示，對于4缸發動機，曲柄轉角互差180°，任意時刻均存在進氣、壓縮、做功、排氣4個進程，需要說明的是，此時的做功行程為被壓縮的空氣做功，而非燃氣。

圖3 氣壓差阻力矩分析

對于啟動壓差阻力矩，由于進氣與排氣兩個沖程汽缸內空氣壓力變化較小，因此只對壓縮和做功兩個沖程的汽缸壓力進行分析。

汽缸內空氣滿足氣體狀態方程：

(1)

式中：Va為汽缸總容積；V(α)為汽缸瞬時容積；k為絕熱系數。

由圖3所示發動機工作過程幾何關系可知，汽缸瞬時容積滿足下式：

V(α)=Vc+S·x(α)

(2)

(3)

式中：Vc為燃燒室容積；S為汽缸橫截面積；x(α)為活塞由上止點向下走過的距離；R為汽缸半徑；L為活塞行程。

因此，氣壓差阻力矩為

Τgas(α)=Tgas壓(α)+Tgas功(α)=

Tgas壓(α)+Tgas壓(α+π)=

(P1(α)-P0)S·R·K(α)+

(P1(α+π)-P0)S·R·K(α+π)

(4)

式中：K(α)為轉換系數：

(5)

考慮發動機啟動時汽缸漏氣情況，仿真時可令壓縮比小于理論值。實際上漏氣與散熱過程是持續動態過程，單汽缸的一個工作循環中，做功沖程空氣膨脹對曲軸的助力矩應小于活塞位于相同位置氣體被壓縮時對曲軸的阻力矩，考慮啟動過程時間短、轉速快，故對模型進行了適當簡化。

2.3慣性力矩

發動機啟動慣性力矩包括活塞往復直線運動慣性力作用于曲軸上的力矩Ts1、曲軸自身轉動慣性力矩Ts2，以及凸輪、水泵等部件的運動慣性力。對于凸輪、水泵等部件，其慣性力較小，此處只對活塞往復運動慣性力和曲軸轉動慣性力進行分析。

2.3.1 活塞往復運動慣性力矩

(a)活塞下行 (b)活塞上行圖4 活塞往復運動慣性力分析

對于圖4(a)活塞運動方向情況，有

(6)

圖4(b)則有

(7)

考慮曲軸轉角α，注意到，圖4(a)中sinα>0，圖4(b)中sinα<0，則式(6)和式(7)可歸納為

(8)

在Simulink模型中，可利用Switch模塊實現比較輸出。

則活塞i的運動慣性力作用于曲軸的慣性阻力矩為

(9)

因此，發動機活塞往復運動慣性阻力矩為

(10)

2.3.2 曲軸轉動阻力矩

曲軸轉動阻力矩可根據式(10)求得

(11)

由于曲軸轉動慣量J為常量，且曲軸轉速與ISG轉子轉速一致，故仿真時可將曲軸轉動慣量轉化到ISG轉子轉動慣量上，簡化仿真模型。

2.4合阻力矩

根據以上分析，發動機啟動過程中的阻力矩為

T=Tf+Tgas+Ts

(12)

慣性阻力矩Ts分為活塞往復直線運動阻力矩Ts1和曲軸轉動慣性阻力矩Ts2，在Simulink仿真時，曲軸轉動慣性阻力矩體現在將曲軸轉動慣量加到啟動電機轉子轉動慣量上，故作為負載輸入電機模型的阻力矩為

T'=Tf+Tgas+Ts1

(13)

3 ISG矢量控制數學模型

ISG選取面裝式三相交流永磁同步電機。永磁電機采用永磁體勵磁，省去了勵磁繞組，因而在電動和發電兩種狀態下效率更高，且避免了勵磁繞組發熱，使電機的工作條件更廣。永磁同步電機的轉矩控制方法一般為矢量控制或直接轉矩控制，本文選取基于轉子定向的矢量控制方法。

3.1矢量控制原理

電動機是將電能轉化為機械能的裝置，其轉矩控制是轉速、位置等控制的核心內容，定、轉子通過磁場相互作用產生電磁轉矩，電磁轉矩計算式[8]為

Te=p0×ψf×is=p0·|ψf|·|is|·sinγ

(14)

式中：Te為電磁轉矩；p0為轉子極對數；ψf為永磁體磁鏈矢量；is為定子繞組磁鏈矢量；γ為定、轉子磁鏈矢量夾角。

由式(14)可知，只需控制定、轉子磁場及磁場夾角即可控制電磁轉矩。對于永磁同步電機，轉子磁場由永磁體建立，在電機制成后基本不變，因此需控制定子繞組磁場及其與轉子磁場夾角。

3.2坐標變換

面裝式永磁同步電機氣隙均勻可忽略磁阻轉矩， 軸電壓方程為

(15)

式中：ud、uq、id、iq分別為d、q軸電壓、電流；ωe為轉子電角速度,ωe=p0ωm，ωm為轉子機械角速度。

同步旋轉坐標軸電壓通過坐標變換即可求出定子三相電壓，即

(16)

3.3電機控制策略

對于面裝式永磁同步電機，因忽略磁阻轉矩，故id=0，控制策略與最大轉矩電流比控制策略相同，此時γ=π/2，定子電流全部用來產生電磁轉矩。則d,q軸電壓為

(17)

式中：R為定子相繞組電阻；Lq為q軸電感。

4 發動機啟動系統Simulink模型

Simulink是一個基于Matlab的進行動態系統建模、仿真分析的集成軟件包，通過鼠標交互式建模，系統各部分模塊化集成，模塊功能及信號連接關系可視化，使得控制系統邏輯清晰，方便檢查。

4.1模型搭建

發動機啟動模型主要包括電源模塊、三相永磁同步電機模塊、發動機阻力矩模塊、轉速PI控制模塊以及電流PI控制模塊。發動機、電機部分參數見表1、表2

表1 發動機部分參數

表2 ISG部分參數

搭建仿真模型如圖6所示，電機控制采用空間矢量脈寬調制的控制方式，具有抑制諧波、減小電機脈動的優點。忽略阻尼，電機初始速度為零。

4.2仿真結果

根據搭建的Simulink仿真模型，發動機預設轉速為Nr=600 r/min。圖7所示為啟動過程發動機阻力矩、曲軸轉速變化圖。系統用時0.52 s發動機達到啟動轉速，滿足ISG混合動力車輛啟動的要求。啟動過程中氣壓差阻力矩和慣性阻力矩呈周期波動，引起啟動過程轉速不穩定。

圖6 發動機啟動Simulink仿真模型

(a)阻力矩

(b)曲軸轉速圖7 發動機啟動過程仿真結果

5 結 語

本文分析了發動機啟動阻力，建立了氣壓差阻力矩、活塞慣性阻力矩數學模型；而后介紹了三相永磁同步電機矢量控制原理，建立了電機數學模型；最后結合發動機、ISG部分參數，以Simulink為仿真平臺，搭建了基于ISG的混合動力車輛的發動機啟動模型，得出了啟動過程發動機阻力矩的變化情況和轉速變化曲線。分析結果可知，所設計的基于ISG電機的啟動系統可在規定時間內啟動發動機，啟動過程中氣壓差阻力矩以及活塞慣性阻力矩可引起轉速明顯波動。

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(編輯：張峰)

Start-upPerformanceSimulationofMilitaryHybridVehicleEngineBasedonISG

BIAN Haoran1, XU Zhengfei2, ZENG Fanqi1, ZI Xinyun2, ZHANG Yingfeng2
(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.09.008

U464．142

A

1674-2192(2017)09- 0030- 05

2017-03-16；

2017-04-17．

邊浩然(1979—)，男，碩士研究生；資新運(1971—)，男，博士，教授，博士研究生導師．