電動增壓動態響應特性試驗研究

丁占銘，孔冰，程振宇，王曉遠，張巖，曹曉琳

(1.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072；2.中國北方發動機研究所柴油機高增壓技術國防科技重點實驗室，天津 300400；3.山西柴油機工業有限責任公司，山西 大同 037036)

電動增壓具有加速響應快、調節靈活度高、增壓效率高等優點，是當前國內外增壓技術的發展熱點[1-2]。對內燃機而言，電動增壓能夠解除傳統渦輪增壓對排氣能量的依賴，大幅提升進氣壓力及流量的響應性，顯著提升內燃機的低速扭矩和加速性。基于電動增壓易實現瞬態工況下的空燃比控制，降低加減速過程中的瞬態排放[3-4]，這對內燃機滿足日益嚴苛的排放法規至關重要。由于電動增壓效率高、噪聲相對較小等優點，電動增壓技術在燃料電池上同樣有著廣闊的應用前景。

隨著內燃機與燃料電池等車用動力裝置對電動增壓技術需求度不斷提高，國內外諸多企業和科研機構開展了電動增壓技術研究。Yamashita等[5]設計了額定功率2 kW、工作轉速140 000 r/min的電動增壓器，加速響應時間小于1 s，可使發動機扭矩響應時間縮短35%。博格華納研發了多種型號的電動增壓器[6]，且通過研究證實，電動增壓可使發動機在FTP-75駕駛循環下的燃油經濟性提升約4%。大陸集團[7]開發的電動增壓器最高轉速70 000 r/min，能夠使發動機油耗降低8.5%。Pierburg公司的Rothgang等[8]設計的電動增壓器加速響應時間不超過350 ms。Aeristech有限公司的Tran等[9]開發了最高轉速120 000 r/min的電動增壓器，可將發動機扭矩響應時間縮短50%。密歇根大學的Salehi等[10]研究認為，電動增壓器可將內燃機低速低負荷時的燃油經濟性提升4.6%。北京理工大學韓冀寧等[11]的仿真研究表明，電動增壓可使發動機低速油耗降低3 g/(kW·h)。本田公司的Sugawara等[12]發現，采用電動增壓技術后燃料電池電堆效率及功率得到有效提升，噪聲顯著降低。

在更深入掌握系統控制特性的基礎上，可以通過優化控制策略取得更好的性能。密歇根州立大學的Men[17]設計了線性二次型調節器來控制柴油機電動增壓器對目標壓力信號的追蹤情況。與PID控制器相比，線性二次型調節器能夠顯著降低超調，而且能夠大幅縮短響應時間。ABB公司Cortinovis等[18]研究了基于模型預測控制電機轉矩來提升工業電動空壓機穩定性的方法，將壓氣機喘振裕度提升11%，同時將控制系統響應時間縮減為原來的一半。Cortinovis等指出，為了實現更精準的瞬態控制，需在深入研究電動空壓機的非線性特性。

綜合國內外研究現狀，電動增壓技術已受到廣泛關注。為了獲得更優控制特性，對電動增壓控制方法的研究逐漸增多。然而，目前對電動增壓器動態響應特性的研究很少，這使得對電動增壓器中高速電機、壓氣機等部件的復雜耦合關系認知不足，難以摸清電動增壓器的動態控制特性，在一定程度上影響了電動增壓器控制方法的優化提高。本研究開展了電動增壓器動態響應特性試驗研究，通過分析目標轉速突變、背壓閥變化、喘振等工況下電流、轉速、壓力等參數的變化規律，得到電動增壓器關鍵參數動態響應規律，分析參數間關聯關系，為深化電動增壓器控制方法的研究奠定基礎。

1 電動增壓器試驗臺架

電動增壓器動態響應特性的試驗臺架見圖1。壓氣機進口和出口處各布置一個動態壓力傳感器，以測量電動增壓器進出口瞬態壓力的變化。采用可變磁阻轉速傳感器測量電動增壓器轉速的動態變化。在電動增壓器控制器的輸入與輸出端，分別測量直流電流與電壓、三相交流電壓與電流，記錄其動態變化規律。各動態信號采集所用傳感器的型號及參數見表1。

圖1 電動增壓器動態響應試驗臺架

表1 動態傳感器型號及參數

所有動態信號采用HBM eDrive功率分析儀采集，采樣率設置為250 kHz，采樣精度0.015%，足以精確捕捉本研究關心的電動增壓器壓力、轉速、電壓、電流等參數的動態變化。進口流量、進出口總溫和總壓等測點均采用穩態傳感器，用于確定壓氣機穩態工作點。

以某單級電動增壓器為試驗對象，它主要由壓氣機、永磁同步高速電機、空氣軸承等組成，最高轉速100 000 r/min，穩態性能見圖2。電動增壓器采用常規PI控制，研究對象具有一定的代表性。

圖2 電動增壓器穩態特性圖

2 目標轉速突變下電動增壓響應特性

為了摸清電動增壓器動態響應特性，開展了多種目標轉速突變工況下的動態試驗研究。試驗過程中，電動增壓器控制器母線直流電壓恒為540 V。

圖3示出相同初始轉速、不同目標轉速下，電動增壓器相電流和相電壓有效值、轉速以及進出口壓力的動態響應曲線，試驗中背壓閥開度恒為35%。理論上永磁同步電機的三相電壓、電流相同，僅以u相為代表分析相電壓與相電流的響應規律。在不同目標轉速下，電動增壓器的相電流出現相似的階躍倍增，而后相電流以相同的規律隨時間緩慢減小。從30 000 r/min加速到70 000 r/min和90 000 r/min工況下，相電流突增至最大值的響應時間為4.5 ms左右。當實際轉速接近目標轉速時，相電流有效值突然減小，隨后經反饋調節趨于穩定。在目標轉速突變時，相電壓的有效值出現不足20 V的躍升，而后隨時間逐漸升高，實際轉速接近目標轉速時趨于穩定。

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圖3 不同目標轉速下電動增壓升速響應曲線

電動增壓器的加速過程如圖3c所示。電動增壓器從30 000 r/min加速到40 000 r/min，70 000 r/min，90 000 r/min的時間約為0.34 s，0.9 s和1.4 s。電動增壓器的加速過程滿足式(1)。

(1)

式中：J為電動增壓器轉子轉動慣量；ω為角速度；τm為電機轉矩；τc為壓氣機轉矩；τs為軸系摩擦轉矩。

當目標轉速突變時，相電流的突然增高使得電機轉矩躍升，而壓氣機和軸系摩擦等負載和損失轉矩基本不變，因此電動增壓器進入急加速狀態；隨著轉速升高，電機轉矩增大，同時壓氣機轉矩也明顯增大，轉速的增長速率逐步減緩；當轉速接近目標轉速時，相電流大幅減小，轉速的增長也明顯放緩。由于不同目標轉速下相電流變化規律相似，因而電動增壓器的加速曲線在開始時近似重合。轉速變化范圍較大時，轉速出現較明顯的超調，在30 000 r/min至90 000 r/min的調節過程中轉速存在約1.5%的超調。試驗結果表明，該電動增壓器在轉速較高時對轉速的控制誤差增大，在30 000 r/min，40 000 r/min下電機轉速控制誤差約為20 r/min，而在70 000 r/min，90 000 r/min下，電機轉速控制誤差增大為300 r/min。該增壓器還存在加速前短暫降速的現象。這些問題反映了該電動增壓器的控制策略存在提升空間。

圖3d和圖3e給出了電動增壓器進出口壓力的動態變化曲線。壓力波在管道內的傳播速度可用聲速表征，壓氣機產生的壓力波至進出口壓力測點的傳播時間不足2 ms，加上壓力脈動等原因，試驗中很難觀測到壓力波傳播引起的響應遲滯，因此，進出口壓力與轉速基本呈同步變化。當目標轉速突變時，壓氣機進口壓力先是突然減小約0.3 kPa，而后略有回升，之后逐步變化至穩定值。出口壓力同樣先出現小幅擾動，而后逐步升高、調整至穩定值。不同目標轉速下，電動增壓器出口壓力的變化規律和響應時間類似。在30 000 r/min至90 000 r/min的調節過程中，出口壓力超調量約為2%。增壓器進出口壓力的響應曲線與電動增壓器的轉速變化息息相關，目標轉速突變時出現的轉速失控現象導致進出口壓力均出現小幅擾動。值得注意的是，增壓器加速前的突然降速(10～30 ms內轉速降低5 000～10 000 r/min)不但沒有引起進口壓力的突增，反而帶來了進口壓力的突降，說明動態過程中壓力與轉速的關聯規律與穩態下并不相同。

圖3說明，當目標轉速突變時，雖然各參數動態變化規律不同，但開始變化的時間基本相同，未觀測到明顯的時間延遲。對比來看，機械參數和氣動參數的響應時間是電氣參數的響應時間的數十倍至數百倍。相電流的響應時間最短，隨著目標轉速的變化而階躍調整，這也是電動增壓器動態特性優越的關鍵所在。轉速升高范圍較大時，轉速和壓力均存在超調現象，說明若希望動態控制精度在2%以內，電動增壓器應視為二階或更高階的非線性系統。

圖4示出降速工況下電動增壓器參數變化規律。在目標轉速突然降低時，電機相電流有效值突降，導致電動增壓器驅動轉矩不足，轉速逐步降低至目標值，出口壓力也隨著轉速的降低而下降。與升速工況不同的是，降速工況下相電流的控制策略與轉速變化幅度有關。如圖4a所示，初始轉速為40 000 r/min時，相電流經歷一次突降后，轉速很快接近目標值，調整過程相對較快；初始轉速為70 000 r/min時，相電流在突降后還出現緩慢降低的過程，隨后的小幅調整過程也變長；初始轉速為90 000 r/min時，轉速變化幅度最大，相電流有效值分兩階段突降，相電流首先突減至初始值的40%左右，維持一定時間后再次階躍降低，隨后緩慢調整至目標值。

圖4 不同初始轉速下電動增壓降速響應曲線

背壓閥開度會影響電動增壓器的壓比和流量，背壓閥開度增大會引起電動增壓器流量增大、壓比降低，在試驗所選開度范圍內電動增壓器的負荷也會隨之增加。為了能夠更簡單地描述電動增壓器的進出口壓力，引入靜壓比πs(如式(2))。

(2)

式中：p1,p2分別為電動增壓器進口和出口靜壓。

電動增壓器的動態響應特性會受到背壓閥開度的影響。圖5示出背壓閥開度分別為35%和60%時電動增壓器相電流、靜壓比、轉速、三相總有效功率的動態響應曲線。試驗結果表明，背壓閥開度不影響電動增壓器的動態響應規律，僅對響應時間和最終穩定值有影響。當目標轉速從30 000 r/min提升至90 000 r/min時，不同背壓閥開度下電機相電流發生相同的階躍變化，而60%開度下電動增壓器負荷較高，相電流達到穩定值所需時間更長。相應地，60%開度下靜壓比、轉速的響應時間略大于35%開度下的響應時間。三相總有效功率的響應曲線表明，60%開度下的電機功率在1.72 s前一直略小于35%開度下的功率，這是因為60%開度下電機轉速提升稍慢，導致三相有效功率稍低。在穩定之后，60%開度下的電機三相有效功率比35%開度下高約25.5%。

圖5 不同背壓閥開度下電動增壓器動態響應曲線

3 背壓變化下電動增壓響應特性

研究背壓變化時電動增壓器動態響應特性的試驗操作為：維持電動增壓器轉速不變，改變電動增壓器后背壓閥開度，此時電動增壓器負載發生變化，從而引起轉速、電流等參數的相應變化。

如圖6，在背壓閥開度從35%調節至70%，穩定數秒再調回35%的過程中，相電流、靜壓比和三相總有效功率的變化基本對稱，而轉速呈“旋轉對稱”特征，這與負載變化規律和電機控制有關。背壓閥開度增大時，因負載增大轉速較快出現約100 r/min的降低，電機相電流迅速升高、功率增大，輸入電功率在0.5 s內調整至高于負載功率，將轉速逐步提升至穩定值附近。反之，當背壓閥開度減小時，負載降低會使轉速升高，電機三相總有效功率隨之降低，但電機功率的降低較為滯后，仍高于負載功率，因此轉速逐步升高，直至負載功率趨于穩定后，轉速迅速調整回穩定值。總體而言，電動增壓器控制特性優越，轉速與穩定值的偏離僅為0.1%。

圖6 90 000 r/min下背壓閥開度變化時動態響應曲線

在背壓閥開大過程中，與靜壓比變化曲線相比，電機相電流與三相有效功率更早地趨于平穩，這是因為在背壓閥開度升高過程中，壓氣機進入阻塞區，壓氣機耗功趨近于該轉速線上的極大值，耗功的變化趨于平緩。

4 喘振工況下電動增壓動態響應特性

維持電動增壓器轉速不變，逐步減小背壓閥開度，使電動增壓器進入喘振工況。如圖7所示，初始時壓氣機工作于穩定工況，出口壓力平穩；隨著背壓閥開度的減小，增壓器出口壓力出現明顯擾動，幅度相對較小，且能夠恢復穩定；隨著背壓閥開度繼續關小，增壓器的出口壓力變為規律的周期性波動，波動幅值隨著背壓閥開度減小而增大。

圖7 80 000 r/min下背壓閥逐步關小過程的出口壓力變化

圖8示出80 000 r/min下電動增壓器穩定狀態和喘振狀態中轉速變化規律的對比。喘振狀態下，轉速波動幅值明顯增大，出現明顯的周期性變化。如圖8b所示，頻域分析表明，電動增壓器在喘振狀態下的轉速波動存在明顯的喘振頻率分量。得益于電動增壓器出色的控制性能，即使在喘振這樣的非穩定工作狀態下，電動增壓器同樣能夠將轉速波動控制在較小范圍內。

圖8 80 000 r/min下穩定與喘振狀態下轉速對比

圖9示出80 000 r/min下電動增壓器穩定狀態和喘振狀態中u相電流有效值變化規律的對比。在穩定工況下，相電流有效值的時域信號較為規律，以約75.5 Hz的頻率波動，波動幅值約為均值的10%；而在喘振工況下，因氣動負載降低相電流有效值的均值減小，但是波動幅值明顯增大，波動幅值約為均值的17%，波形明顯變得較為復雜。頻域分析表明，在喘振狀態下，電機的相電流有效值在26 Hz的喘振頻率處存在較大分量，幅值達到均值的3.7%。因此，在未測量瞬態壓力和流量的情況下，可以通過分析相電流有效值的頻譜變化得到電動增壓系統的喘振頻率。

圖9 80 000 r/min下穩定與喘振狀態下相電流有效值對比

值得注意的是，在喘振狀態下，電機相電流瞬時值的喘振頻率分量僅為0.002 3 A，可以忽略，如圖10所示。

圖10 80 000 r/min下穩定與喘振狀態相電流瞬時值對比

5 結論

a) 電動增壓器目標轉速變化時，電機相電流有效值發生階躍變化，響應時間為毫秒級，電機轉速和壓力的響應時間為秒級；在轉速升高范圍較大時，轉速、壓力均出現一定的超調，說明電動增壓器應視為二階或更高階的非線性系統；

b) 在升速工況，即使轉速變化范圍、背壓閥開度不同，相電流有效值的變化規律也類似，而在降速工況，轉速變化范圍不同時相電流有效值變化規律不同，反映出升速和降速下不同的控制策略；

c) 背壓閥開度變大和減小時電動增壓器轉速響應略有不同，總體而言，背壓閥大幅變化下轉速與穩定值的偏離較小，體現出電動增壓器優越的控制特性；

d) 喘振工況下，電動增壓器相電流有效值均會出現喘振頻率分量，但相電流的瞬時值基本不存在喘振頻率分量，可以通過分析相電流有效值的頻譜變化得到電動增壓系統的喘振頻率。