趙金星, 王 寒, 席慶圓
(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)
汽車市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)帶來了巨大的能源消耗和嚴(yán)重的環(huán)境污染。電動(dòng)汽車滲透率,是關(guān)系“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵指標(biāo)。目前制造純電動(dòng)汽車的成本高,電量的大規(guī)模消耗會(huì)導(dǎo)致在發(fā)電過程中帶來更嚴(yán)重的碳排放,電池安全性不夠,這些現(xiàn)實(shí)問題依舊困擾著消費(fèi)者。增程式電動(dòng)汽車不僅具有純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、排放性好、動(dòng)力性強(qiáng)的特點(diǎn),同時(shí)電池用電量進(jìn)一步減少,可以有效節(jié)能減排,因此成為目前新能源汽車發(fā)展的主要方向之一[1-2]。
增程式電動(dòng)汽車在車載輔助供電系統(tǒng)的作用下,可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)供能并且為電池充電,在增程模式下發(fā)動(dòng)機(jī)不參與車輛的直接驅(qū)動(dòng),可以始終工作在高效區(qū)間,因而經(jīng)濟(jì)性、排放性能以及動(dòng)力性都有保障。增程發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí),內(nèi)部混合氣濃度過稀,汽油無法充分燃燒,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性[3-5]。研究電動(dòng)汽車增程發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略,可以提高增程器的控制效果,改善增程發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)性能,在保證動(dòng)力性滿足需求的基礎(chǔ)上,減少污染物排放。
增程式電動(dòng)汽車如要真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保,關(guān)鍵在于增程器的控制效果。李永亮等[6]基于粒子群算法對(duì)增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,結(jié)果表明,優(yōu)化后的控制參數(shù)可以提高整車性能以及電池使用壽命。賀俊杰等[7]研究了電動(dòng)汽車增程器能量管理策略,在滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力性的同時(shí)兼顧動(dòng)力電池組的穩(wěn)定性,有效改善了增程器效率。牛繼高等[8]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停時(shí)刻進(jìn)行了優(yōu)化分析,主要目標(biāo)是盡可能減少增程器系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。結(jié)果表明,控制策略優(yōu)化后,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的減少,油耗和電池的充放電損失也相應(yīng)減少。福特試驗(yàn)室的POWELL等[9]建立了一個(gè)增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)模型對(duì)增程器進(jìn)行了控制研究。結(jié)果顯示,在干擾信號(hào)的作用下,系統(tǒng)響應(yīng)迅速,發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門響應(yīng)及時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以較好地穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近,系統(tǒng)魯棒性較強(qiáng)。
雖然相關(guān)學(xué)者對(duì)于增程發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的控制方法已經(jīng)做了大量研究工作,但考慮冷啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)增程發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)控制策略仍需進(jìn)一步研究。本文基于軟件在環(huán)的方法,建立電動(dòng)汽車增程器的模塊化控制仿真開發(fā)平臺(tái),分別研究基于傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制在增程發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行期間的空燃比及轉(zhuǎn)速控制,以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高效點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行,減少發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)污染物的排放。
增程式電動(dòng)汽車是在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的,發(fā)動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),為電池、電動(dòng)機(jī)和汽車上的其他設(shè)備供電。增程式電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不需要與路況匹配,可以使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在熱效率最高的區(qū)域內(nèi)工作,提升電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能[10]。
發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí),進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體溫度較低,不易被點(diǎn)燃,可以適當(dāng)?shù)卦黾踊旌蠚獾臐舛龋拱l(fā)動(dòng)機(jī)更容易啟動(dòng)。增程發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)采用開環(huán)控制,一般通過查詢脈譜表的方式來控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈寬[11-12]。
本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線的相關(guān)理論,在2 s時(shí)刻啟動(dòng)機(jī)開始拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),約4.5 s時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至目標(biāo)轉(zhuǎn)速800 r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)完成啟動(dòng)的時(shí)間約為2.6 s。實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)動(dòng)機(jī)每次啟動(dòng)的情況基本一致,所以發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制一般利用試驗(yàn)的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行開環(huán)控制。發(fā)動(dòng)機(jī)的一般轉(zhuǎn)速在1 000~3 500 r/min之間,在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到最大的輸出轉(zhuǎn)矩,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以在保證汽車動(dòng)力性的同時(shí)具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性[13]。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作點(diǎn)在3 000 r/min左右,本文將研究如何使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后直接至最佳工作點(diǎn)運(yùn)行。
建立了增程器系統(tǒng)控制仿真平臺(tái),使用GTPower軟件建立增程發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型,將GT-Power中的接口模塊與Simulink進(jìn)行耦合,在Matlab/Simulink模塊中建立轉(zhuǎn)速和空燃比的控制模型和增程式電動(dòng)汽車整車的聯(lián)合仿真模型。聯(lián)合仿真模型建立的過程,如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真模型建立過程
本文仿真模型的參數(shù)是基于某型增程發(fā)動(dòng)機(jī),其具體的指標(biāo)見表1。電子節(jié)氣門的裝配,可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效控制,該發(fā)動(dòng)機(jī)還具備獨(dú)立進(jìn)排氣的雙VVT系統(tǒng),葉片操作范圍為40 °CA。

表1 某型增程發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)
燃燒模型采用預(yù)測(cè)燃燒模型(SITurb),該模型能夠考慮到諸多因素的影響,如發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何參數(shù)、混合氣成分與溫度、燃燒室設(shè)計(jì)、空燃比、缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)等[14]。
SITurb燃燒模型的數(shù)學(xué)表示為:

式中:Me為未燃混合氣的質(zhì)量,kg;ρu為未燃混合氣的密度,kg/m3;Ae為邊界處的火焰前鋒面表面積,mm2;ST為湍流燃燒速度,m/s;SL為層流燃燒速度,m/s;Mb為已燃混合氣質(zhì)量,kg;τ為時(shí)間常數(shù);λ為泰勒微尺度長(zhǎng)度,μm。
應(yīng)用SITurb燃燒模型時(shí)需要對(duì)影響湍流燃燒速率的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,稀釋效應(yīng)乘數(shù)(Dilution Effect Multiplier,DEM)的數(shù)值越大,對(duì)燃燒放熱率的影響越小;湍流火焰速度乘數(shù)(Turbulent Flame Speed Multiplier,TFSM)的數(shù)值越大,燃燒速度越快,燃燒過程的持續(xù)時(shí)間越短。
本文使用GT-Power優(yōu)化工具箱,以所有工況下的CA10-90(10%到90%燃料完全燃燒對(duì)應(yīng)的曲軸角)、CA50(50%燃燒時(shí)刻)以及Pmax(最大缸壓)仿真和試驗(yàn)結(jié)果之間的差值作為優(yōu)化目標(biāo),通過遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化,找到一組DEM、TFSM等參數(shù)的組合。其部分參數(shù)設(shè)置為:DEM設(shè)置為1,TFSM設(shè)置為0.77。
圖2和圖3分別是在2 000 r/min和4 000 r/min的轉(zhuǎn)速條件下,缸壓和放熱率的仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,結(jié)果表明,不同轉(zhuǎn)速下,所建立模型的缸壓和放熱率仿真值與試驗(yàn)值相接近;圖4為轉(zhuǎn)矩、比油耗的仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比,可以得出轉(zhuǎn)矩、比油耗的仿真與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差分別約為4.2%、3.7%,均低于5%。

圖2 缸壓的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3 放熱率的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 轉(zhuǎn)矩、比油耗仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比
綜上表明建立的仿真模型與原機(jī)具有較好的一致性,可用于基礎(chǔ)計(jì)算以及開展研究分析。
在建立的原機(jī)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),添加外部冷卻廢氣再循環(huán)模型,應(yīng)用缸內(nèi)直噴代替原先的進(jìn)氣道噴射,將4缸機(jī)模型改為3缸機(jī)模型,建立小排量增程發(fā)動(dòng)機(jī)模型。
基于建立的增程發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型,需要建立對(duì)應(yīng)的控制模型使其能在各種工況下穩(wěn)定運(yùn)行,通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間,目標(biāo)轉(zhuǎn)速是先使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定啟動(dòng)至怠速轉(zhuǎn)速1 000 r/min,然后再拉升至3 000 r/min的常態(tài)工作點(diǎn)下穩(wěn)定運(yùn)行;目標(biāo)空燃比在啟動(dòng)及怠速運(yùn)轉(zhuǎn)期間適當(dāng)加濃,常態(tài)工作點(diǎn)下控制在1附近。
以上建立了增程發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)下的控制策略模型,在此基礎(chǔ)上,建立電機(jī)和電池模型,添加車身模塊并設(shè)置具體參數(shù),建立增程式電動(dòng)汽車的整車聯(lián)合仿真模型,并根據(jù)需要設(shè)置了車輛運(yùn)行過程中加減速的參數(shù),以及發(fā)電機(jī)在額定工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。從開始至第17 s,車輛保持某一較低車速,第17 s時(shí)開始加速,22 s時(shí)加速至某一較高車速并保持車速至27 s,然后開始減速,至32 s時(shí),減速至原始車速并保持。將車速需求轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào),輸入至驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度控制模塊中與驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際速度進(jìn)行比較,通過控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)整。設(shè)定發(fā)電機(jī)在額定工作狀態(tài)運(yùn)行,轉(zhuǎn)矩95.5 Nm,并加以±5 Nm的干擾信號(hào),通過Simulink-PS轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)傳輸至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸入,同時(shí)通過PSSimulink轉(zhuǎn)換模塊傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸入。增程式電動(dòng)汽車的整車聯(lián)合仿真模型如圖5所示。

圖5 增程式電動(dòng)汽車的整車聯(lián)合仿真模型
傳統(tǒng)PID控制冷啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、怠速和過渡工況下的轉(zhuǎn)速及空燃比仿真結(jié)果,如圖6a所示。由圖可知,在0.2 s時(shí)刻啟動(dòng)機(jī)開始拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng),轉(zhuǎn)速緩慢上升,1 s內(nèi)到達(dá)怠速轉(zhuǎn)速1 000 r/min并維持在怠速附近,在工況過渡時(shí),5 s時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)開始由怠速向常態(tài)工作點(diǎn)運(yùn)行,期間轉(zhuǎn)速仍有一些抖動(dòng)。約經(jīng)過2 s后,在常態(tài)工作點(diǎn)3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)PID控制冷啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、怠速和過渡工況下的空燃比仿真結(jié)果,如圖6b所示,采用過量空氣系數(shù)來反映空燃比情況。由圖可知,過量空氣系數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后明顯上升,1 s時(shí)刻開始出現(xiàn)短暫降低。怠速運(yùn)轉(zhuǎn)期間過量空氣系數(shù)波動(dòng)較大,6 s時(shí)刻可達(dá)到2.9左右,混合氣非常稀薄,燃燒不穩(wěn)定。過量空氣系數(shù)在經(jīng)過一定的波動(dòng)后,能夠穩(wěn)定在1附近,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在理想空燃比下運(yùn)行,控制器性能良好。

圖6 啟動(dòng)、怠速和過渡工況下轉(zhuǎn)速及過量空氣系數(shù)結(jié)果
采用模糊PID控制方法進(jìn)行研究時(shí),將發(fā)動(dòng)機(jī)的理想空燃比14.7作為目標(biāo),系統(tǒng)兩個(gè)輸入誤差E、誤差變化率EC的論域分別設(shè)為[-9,15]和[-22,14],系統(tǒng)的3個(gè)輸出ΔKp、ΔKi和ΔKd的論域分別設(shè)為[-14,14]、[-7,7]和[-2.1,2.1]。空燃比和轉(zhuǎn)速控制的模糊控制器中輸入量E、EC和輸出量ΔKp、ΔKi和ΔKd的分布關(guān)系分別如圖7和圖8所示。

圖7 空燃比模糊控制器輸出與輸入變量的關(guān)系分布

圖8 轉(zhuǎn)速模糊控制器輸出與輸入變量的關(guān)系分布
在聯(lián)合仿真模型中,模糊PID控制器輸出的節(jié)氣門開度和噴油量作為模型的輸入,模型的輸出為實(shí)際轉(zhuǎn)速和空燃比,發(fā)動(dòng)機(jī)由啟動(dòng)至怠速1 000 r/min再拖至常態(tài)工作點(diǎn)3 000 r/min。
模糊PID控制冷啟動(dòng)時(shí)起動(dòng)、怠速和過渡工況下的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果,如圖9a所示,在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間轉(zhuǎn)速迅速增加,1 s時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)怠速轉(zhuǎn)速1 000 r/min。怠速區(qū)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有微弱波動(dòng),并維持在怠速附近。5 s時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)開始由怠速向常態(tài)工作點(diǎn)運(yùn)行,運(yùn)行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能平穩(wěn)地增加。約經(jīng)過1.4 s后,在常態(tài)工作點(diǎn)3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。
模糊PID控制冷啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)、怠速和過渡工況下的空燃比仿真結(jié)果,如圖9b所示,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后空燃比開始增大,此時(shí)混合氣中燃油偏濃而得不到充分燃燒。1 s至5.8 s內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài),空燃比存在一定的波動(dòng),約在5.8 s時(shí)刻過量空氣系數(shù)達(dá)到最大值1.6左右,遠(yuǎn)小于采用傳統(tǒng)PID控制的峰值。6.2 s時(shí)刻后,過量空氣系數(shù)穩(wěn)定在1左右,控制器性能良好。

圖9 啟動(dòng)、怠速和過渡工況下轉(zhuǎn)速及過量空氣系數(shù)結(jié)果
綜上所述,相較于傳統(tǒng)PID控制,模糊PID控制在經(jīng)歷一開始較大的超調(diào)后,誤差相對(duì)較小,響應(yīng)時(shí)間較短。在對(duì)轉(zhuǎn)速的控制方面,模糊PID控制沒有劇烈的抖動(dòng),較為平穩(wěn),系統(tǒng)穩(wěn)定后誤差更小;對(duì)于空燃比來說,二者在啟動(dòng)及怠速期間過量空氣系數(shù)均存在一定的波動(dòng),但采用模糊PID控制時(shí)的峰值較低,發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒更充分,可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。
在建立好的增程發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型,以及空燃比和轉(zhuǎn)速的模糊控制器的基礎(chǔ)上,研究增程發(fā)動(dòng)機(jī)在常態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的空燃比和轉(zhuǎn)速控制。
利用上述搭建的整車仿真模型進(jìn)行仿真分析,首先對(duì)車速進(jìn)行設(shè)置,從開始至第17 s,車輛保持車速54 km/h,第17 s時(shí)開始加速,22 s時(shí)加速至72 km/h并保持車速至27 s,然后開始減速,至32 s時(shí),減速至原始車速54 m/h并保持。然后設(shè)定發(fā)電機(jī)在額定工作狀態(tài)運(yùn)行,轉(zhuǎn)矩95.5 Nm,并加以±5 Nm的干擾信號(hào)。增程發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳統(tǒng)PID控制以及模糊PID控制下的轉(zhuǎn)速與過量空氣系數(shù)的仿真結(jié)果對(duì)比,如圖10所示。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并拖至常態(tài)工作點(diǎn)后,始終穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,由于轉(zhuǎn)矩設(shè)置了波動(dòng)值,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)波動(dòng)。由圖可知,相較于傳統(tǒng)PID,在模糊PID控制器的作用下,轉(zhuǎn)速能較快地穩(wěn)定在常態(tài)工作點(diǎn)3 000 r/min附近,轉(zhuǎn)速響應(yīng)較好;過量空氣系數(shù)的峰值更小,能快速收斂到期望的當(dāng)量空燃比,在當(dāng)量空燃比下,燃燒效率更高,控制器性能良好。

圖10 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速及過量空氣系數(shù)結(jié)果
由圖11可知,無論車輛是在加速、減速或是勻速運(yùn)行狀態(tài)下,發(fā)動(dòng)機(jī)功率始終在30 kW左右,與發(fā)電機(jī)的額定工況相匹配。發(fā)動(dòng)機(jī)工況始終保持不變,不隨車輛運(yùn)行工況的變化而變化,這也表明了增程發(fā)動(dòng)機(jī)只驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,不參與驅(qū)動(dòng)車輛,保證了發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳工況點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。還可以看到,第5 s車輛加速時(shí),由于車速較低,車輛功率需求較小,發(fā)電機(jī)提供的電能滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求,多余的電能便給蓄電池進(jìn)行充電,可以看到,加速過程完成后,蓄電池充電功率穩(wěn)定在20 kW左右;隨后當(dāng)車輛減速時(shí),充電功率隨車輛減速有較大的波動(dòng),減速過程結(jié)束后功率穩(wěn)定在30 kW左右。

圖11 增程發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池功率
本文基于軟件在環(huán)的方法,建立電動(dòng)汽車增程器的模塊化控制仿真開發(fā)平臺(tái),分別研究基于傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行期間的空燃比和轉(zhuǎn)速控制,結(jié)論如下:
(1)增程發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí),對(duì)比發(fā)現(xiàn)模糊PID控制在目標(biāo)轉(zhuǎn)速和空燃比的響應(yīng)速度和誤差方面均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。
(2)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),在模糊PID控制器的作用下,增程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終穩(wěn)定在常態(tài)工作點(diǎn)3 000 r/min附近,功率始終在30 kW左右,轉(zhuǎn)速和空燃比均穩(wěn)定在目標(biāo)值附近,有利于降低排放和改善燃油經(jīng)濟(jì)性。