行車取力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略

熊軍林 劉威 余志敏 王少云 錢開宇

熊軍林

畢業(yè)于華中科技大學(xué)，機(jī)械電子專業(yè)，本科學(xué)歷，目前就職于東風(fēng)越野車有限公司，主要研究新能源電控開發(fā)。

摘? 要：隨著車載上裝設(shè)備增多，其用電需求向高電壓、高功率方向發(fā)展，介紹了一種車載發(fā)電系統(tǒng)——行車取力發(fā)電系統(tǒng)，與PTO駐車取力方式相比，具有不影響駕駛操作的優(yōu)勢(shì)。本文說明該系統(tǒng)基本需求，系統(tǒng)組成及工作原理，主要部件基本參數(shù)設(shè)計(jì)，主要論述發(fā)電控制策略及算法，在研制過程中能量分配的關(guān)鍵問題和相應(yīng)的控制策略，最后整套系統(tǒng)搭載整車道路試驗(yàn)驗(yàn)證并通過測(cè)試。對(duì)車載行車發(fā)電控制設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：行車取力;控制策略;能量分配

中圖分類號(hào)：U469.6? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2022）03-0051-05

Driving Power Take-Off System Design and Control Strategy

Xiong Jun-lin， Liu Wei， Yu Zhi-min， Wang Shao-yun， Qian Kai-yu

（Dongfeng Off-Road Vehicle Co.， Ltd， WuHan 430056， China）

Abstract： With the increase in on-board equipment， the demand for electricity is developing towards high voltage and high power. The article introduces an on-board power generation system， the driving power take-off power generation system. Compared with the PTO parking power take-off method， it dose not effect on driving operations. This article explains the basic requirements of the system， system composition and working principle， the basic parameter design of main components. It discusses the power generation control strategy and algorithm， the key issues of energy distribution in the development process and the corresponding control strategy， and finally the whole system is equipped with the whole vehicle road test， passed the test. It has guiding significance for the design of on-vehicle driving power generation control.

Key Words： driving power take-off; control strategy; power distribution

車輛承載平臺(tái)的發(fā)電系統(tǒng)，通常分為主機(jī)發(fā)電和輔機(jī)發(fā)電。主機(jī)發(fā)電是從行駛驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)分出一部分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，也稱軸帶發(fā)電。輔機(jī)發(fā)電是采用自帶動(dòng)力的發(fā)電機(jī)組發(fā)電。從汽車的底盤發(fā)動(dòng)機(jī)取力，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，俗稱汽車行車取力發(fā)電，也有稱自發(fā)電，又分為駐車取力發(fā)電和行車取力發(fā)電。

駐車取力發(fā)電，車輛必須在停止?fàn)顟B(tài)下取力發(fā)電，由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定輸出電壓頻率，由發(fā)電機(jī)勵(lì)磁來穩(wěn)定電壓。技術(shù)原理與發(fā)電機(jī)組相同，只是借用了主機(jī)做動(dòng)力源。

行車取力發(fā)電，車輛在行駛中發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速寬范圍隨機(jī)變化，輸出電壓和頻率將不穩(wěn)定，必須通過電力電子技術(shù)，對(duì)電能進(jìn)行二次變換才能輸出穩(wěn)定的交流電或直流電。

采用電力電子變換技術(shù)的行車取力發(fā)電，既可以行車發(fā)電，又可以駐車發(fā)電，可見行車發(fā)電可以覆蓋駐車發(fā)電。

取力裝置設(shè)計(jì)主要包括取力位置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)布置空間等方面的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有車型絕大多數(shù)只考慮了液壓取力，不適合發(fā)電取力，給取力發(fā)電設(shè)計(jì)造成很大限制。造成行車取力發(fā)電系統(tǒng)的難點(diǎn)之一是取力方式和電機(jī)布置。常見的取力方式有前置主軸取力、后置主軸取力、變速箱后軸取力等。

a）前置主軸取力，用皮帶傳動(dòng)：在工程上實(shí)現(xiàn)容易，幾乎多數(shù)設(shè)計(jì)方案采用。但由于空間限制傳動(dòng)皮帶的規(guī)格不能加大，當(dāng)超負(fù)荷應(yīng)用時(shí)，瞬態(tài)加功率，皮帶會(huì)打滑，壽命和可靠性待可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。如果用電功率超過10kW以上，其可靠性堪憂。再者，這種取力方式發(fā)電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，空間受限，發(fā)電機(jī)容量在怠速下不能提供額定功率，需要電池儲(chǔ)能補(bǔ)功，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和體積重量。

b）中置同軸取力：將變速箱等后移，在變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)中間插入發(fā)電機(jī)，改裝工程量較大，但可靠性得到極大提高，在怠速狀態(tài)下，都可以獲得近20kW電功率輸出。

c）后軸取力，經(jīng)離合器變速箱取力，會(huì)產(chǎn)生降低轉(zhuǎn)速、換擋掉動(dòng)力等不利于發(fā)電機(jī)連續(xù)正常工作，一般只能實(shí)現(xiàn)駐車發(fā)電。同時(shí)需要升速裝置和蓄電池補(bǔ)功。

故而取力方式的發(fā)展方向，在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸前端或后端飛輪位置，安裝盤式電機(jī)取代飛輪，將是汽車取力的最佳方案，這種取力方式將依賴于高功率比的盤式電機(jī)技術(shù)。

1? ? ?行車取力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)采用中置同軸取力方案，系統(tǒng)由底盤發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)EMS、發(fā)電機(jī)、電機(jī)控制器MCU、高壓配電箱PDM、動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)BMS、發(fā)電綜合控制器HCM、冷卻系統(tǒng)等組成。發(fā)電機(jī)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器之間，并與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸同軸連接，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)感應(yīng)出三相交流電，經(jīng)過電機(jī)控制器轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定高壓直流電。動(dòng)力電池用于補(bǔ)充電能，保證在低速下有足夠的功率輸出和提供瞬間沖擊的超功率。高壓配電箱主要管理對(duì)外電能輸出。發(fā)電綜合控制器通過CAN總線控制整個(gè)系統(tǒng)工作，監(jiān)測(cè)高壓用電安全，發(fā)送故障信息供儀表顯示。行車取力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1：

2? ? ?行車取力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ?系統(tǒng)要求

系統(tǒng)對(duì)外輸出穩(wěn)態(tài)直流電壓325±25VDC，瞬態(tài)輸出325±40VDC，額定輸出功率：25kW/（1200r/min），在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍750-2700r/min內(nèi)，能承受功率40kW持續(xù)1s的過載沖擊。

2.2? ?主要部件基本參數(shù)

柴油直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)：額定功率220kW/（2700r/min），額定扭矩850N.m/（1200r/min-2000r/min）。

發(fā)電機(jī)：盤式永磁同步電機(jī)，液冷，額定功率25kW/（1200r/min），峰值功率57kW/（1200r/min）。發(fā)電機(jī)額定能力如圖2：

動(dòng)力電池：鈦酸鋰電池，額定電壓325V，容量3Ah，額定充放電功率25kW，峰值充放電功率65kW。

2.3? ?穩(wěn)壓發(fā)電PI控制

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)感應(yīng)輸出三相交流電，其輸出電壓隨轉(zhuǎn)速變化而變化，在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出交流電壓幅值約AC100～600V，需要通過電機(jī)控制器，對(duì)電能進(jìn)行逆變，才能輸出325VDC直流穩(wěn)壓電。電機(jī)控制器采用電壓閉環(huán)PI反饋控制及FOC矢量控制IGBT通斷，從而達(dá)到穩(wěn)壓控制輸出。

電壓閉環(huán)PI控制根據(jù)實(shí)際電壓與參考電壓的差值經(jīng)過PI計(jì)算得到需求扭矩，當(dāng)實(shí)際電壓小于參考電壓時(shí)，增加輸出扭矩，提高發(fā)電功率，使電壓回到參考電壓;當(dāng)實(shí)際電壓高于參考電壓時(shí)，減少輸出扭矩，降低發(fā)電功率，使電壓回到參考電壓。控制流程如圖3所示：

詳細(xì)步驟如下：

（1）電機(jī)控制器MCU低壓上電后系統(tǒng)等待發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行;

（2）采集電機(jī)控制器輸出電壓u;

（3）計(jì)算電壓差值err=|325-u|，取絕對(duì)值;

（4）由于err較小，為保證控制精度，需要進(jìn)行標(biāo)幺化處理，引入系統(tǒng)參數(shù)Pu，計(jì)算ERR，ERR=Pu×err;

（5）通過分別查表Kp，Ki，計(jì)算相應(yīng)Up，Ui，Up=ERR×Kp，Ui=ERR×Ki;

（6）計(jì)算PI控制結(jié)果Upi，Upi=Up+Ui;

（7）為防止積分飽和，對(duì)PI計(jì)算結(jié)果進(jìn)行積分限值;

（8）進(jìn)行反標(biāo)幺化處理，計(jì)算Te_PI，Te_PI=Upi/Pu;

（9）增加電機(jī)扭矩限制，用于功率分配管理。

（10）考慮過熱或過溫等保護(hù)，引入功率保護(hù)系數(shù)K，K值大小與故障等級(jí)有關(guān)，如3級(jí)嚴(yán)重故障K=0，2級(jí)故障K取0.8，1級(jí)故障K取1。最終輸出Te_out，Te_out=Te_PI×K，進(jìn)入到FOC矢量控制算法中，得到穩(wěn)定的電壓輸出控制。

2.4? ?電機(jī)FOC矢量控制

FOC稱為磁場(chǎng)定向控制，主要是通過對(duì)IGBT控制實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩（電流）、速度、位置的控制。

電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)PI計(jì)算目標(biāo)扭矩Te_out通過查表轉(zhuǎn)矩電流表，得到目標(biāo)電流id、iq，通過內(nèi)部PID及坐標(biāo)轉(zhuǎn)化Clark、Park變換輸出控制IGBT通斷，達(dá)到穩(wěn)定電機(jī)控制器輸出電壓目的。如圖4所示：

2.5? ?功率分配

由于發(fā)電機(jī)額定功率只有25kW/1200r/min，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率不足，不能滿足負(fù)載需求。即使在高轉(zhuǎn)速區(qū)，也不能滿足瞬間40kW過載沖擊，因此需要?jiǎng)恿﹄姵匮a(bǔ)償能量。

如下圖整車工況處于連續(xù)降檔過程中，25～27s這段時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，已低于800r/min，此時(shí)上裝設(shè)備剛好要求40kW，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率已無法滿足電負(fù)載要求，為保護(hù)IGBT過流二損壞，電機(jī)控制器處于保護(hù)模式，關(guān)斷IGBT，功能失效。

為此需要合理分配發(fā)電機(jī)與動(dòng)力電池工作。由于動(dòng)力電池電流難以控制，主要通過限制發(fā)電機(jī)功率，電池自動(dòng)適配負(fù)載來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與動(dòng)力電池功率分配。當(dāng)負(fù)載功率要求超過發(fā)電機(jī)輸出功率時(shí)，由電池放電以提供額外的功率補(bǔ)充;否則就由發(fā)電機(jī)單獨(dú)提供輸出滿足負(fù)載要求，超出負(fù)載要求部份提供給電池充電。如下圖所示：

當(dāng)上裝電負(fù)載位于不同區(qū)域時(shí)，策略如下：

P1：完全由電池提供負(fù)載輸出

P2：由發(fā)電機(jī)提供

P3：由發(fā)電機(jī)、電池共同提供，發(fā)電機(jī)輸出限制到額定輸出功率，延紅色曲線運(yùn)行，剩余功率由電池補(bǔ)充

P4：完全由發(fā)電機(jī)提供

P3→P2：電負(fù)載減小至發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行區(qū)域，此時(shí)由發(fā)電機(jī)進(jìn)入電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，提供輸出給負(fù)載，同時(shí)電池由于P3放電，電壓下降，電池開始充電直到充滿。

P2→P3：電負(fù)載增大超出發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行區(qū)域，此時(shí)電壓閉環(huán)無法進(jìn)入，電壓下降，發(fā)電機(jī)以額定功率運(yùn)行，同時(shí)電池開始放電，以提供額外功率補(bǔ)充負(fù)載需求。

控制流程圖7：

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，查表發(fā)電機(jī)功率，計(jì)算發(fā)電機(jī)允許最大輸出扭矩。得到的扭矩限制進(jìn)入到PI控制的扭矩限值中，從而限制發(fā)電機(jī)功率輸出。

3? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

整套系統(tǒng)搭載整車進(jìn)行道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

穩(wěn)態(tài)測(cè)試：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從750-2700r/min，每個(gè)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定一段時(shí)間，加載25KW電負(fù)載，系統(tǒng)輸出電壓310-338V，滿足穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)指標(biāo)325±25V。

瞬態(tài)測(cè)試：車輛加速從1檔逐步換至最高檔6檔，再減速從最高檔降至最低檔情況下進(jìn)行路試，加電負(fù)載0kW-25kW-40kW，其中25kw持續(xù)30s，40kw加載3s，測(cè)試輸出電壓287V-330V，滿足瞬態(tài)設(shè)計(jì)要求325±40VDC。

4? ? 總結(jié)

1）從整車測(cè)試結(jié)果看本系統(tǒng)能完成高壓直流供電，證明系統(tǒng)方案是可行的。

2）連續(xù)的瞬間過載沖擊試驗(yàn)中也出現(xiàn)系統(tǒng)電壓低于325V以下，主要原因?yàn)檫B續(xù)沖擊導(dǎo)致電池電能不足，電壓下降，如果頻繁瞬間大功率，需加大電池容量。

3）系統(tǒng)還具有冷啟動(dòng)能力，發(fā)電機(jī)成為啟動(dòng)電機(jī)。采用恒轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩，從而帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)。

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