電動汽車增程器啟動技術研究

張蘭紅，呂中正，2，黃陳桃，陳永樓

（1.鹽城工學院電氣工程學院，江蘇鹽城 224051；2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013；3.江蘇友和動力機械有限公司，江蘇鹽城 224031）

目前純電動汽車存在一次充電續行里程短、充電樁少、充電時間長等問題，這些問題容易導致電動汽車駕乘人員產生里程焦慮[1-2]，為了解決電動汽車的里程焦慮問題，加裝了增程器的電動汽車成為了電池技術突破之前由傳統燃油汽車向純電動汽車過渡的理想車型[3-6]。

增程器工作時首先需要完成啟動，然后才能對外發電。增程器由發動機、起動/發電電機(Integrated Starter and Generator，ISG)和控制器組成，其啟動是指發動機在ISG 電機電動狀態驅動下，由靜止到達點火速、再反過來拖動電機發電的過程[7]。增程器啟動過程中涉及到ISG 電機和發動機兩個部件的起動及相互之間的配合，增程器的順利啟動對于增程式電動汽車的安全運行至關重要，因此增程器啟動技術一直是研究人員的關注重點[5-8]。

1 帶有增程器的電動汽車動力系統結構

典型的帶有增程器的電動汽車動力系統結構如圖1 所示[7]。在車載蓄電池電量充足時，由蓄電池給主驅動電機供電；在蓄電池電量不足時，增程器充當輔助發電系統，經直流母線給主驅動電機供電，使汽車繼續保持強勁的行駛動力，同時給蓄電池充電，有效延長電動汽車行駛里程和蓄電池壽命。

圖1 帶有增程器的電動汽車動力系統結構

從圖1 可知，增程器由發動機、ISG 電機和控制器組成。發動機是動力源，但發動機起動時，首先必須由外力將它拖動到點火速度，然后才可以自主旋轉，向外輸出轉矩，帶動電機發電。增程器發動機通常選擇單活塞轉子或兩缸汽油機[9]。

ISG 電機在增程器啟動時處于電動狀態，將蓄電池電能轉變為機械能，拖動發動機旋轉到點火速度；在發動機到達點火速度后，ISG 電機轉為發電狀態，由發動機帶動它旋轉發電，經控制器向直流母線供電。由于增程器安裝在汽車內部，因此對電機的體積、重量與可靠性要求較高。無刷直流電機具有體積小、重量輕、響應快、慣量小、轉矩穩定等優點，成為增程器ISG 電機的較優選擇[9]。

2 無刷直流電機的準閉環起動

為了簡化工藝，增加抗干擾能力，無刷直流電機采用無位置傳感器技術。電機在正常運轉時通過反電勢過零信號獲取轉子換相位置[10]。但在啟動時，電機靜止或低速運行，反電勢信號為零或很小，無法根據反電勢過零信號來判斷轉子換相位置。增程器中的無刷直流電機起動時，需要克服發動機不斷變化的起動阻轉矩，若采用傳統三段式啟動方法[11-13]將難以可靠地保證完成起動發動機的任務。

針對增程器中無刷直流電機的啟動，該文提出一種準閉環起動方法：先利用定子繞組電感隨轉子位置變化的規律，通過施加定子脈沖電壓矢量、比較母線電流的方法實現轉子定位和準閉環加速，當電機轉速加速到一定值時，再切換到根據反電勢過零點判斷轉子位置的狀態。

2.1 基于定子繞組電感變化的轉子定位原理

無刷直流電機主電路拓撲結構如圖2(a)所示，圖中六個功率開關T1-T6 有三三導通和兩兩導通兩種方式，兩種方式下主電路等效電路如圖2(b)所示[14]。

圖2 無刷直流電機主電路及等效電路

圖2(b)中等效電路的電壓方程為：

式（1）中，Ud、id為直流母線電壓與電流，Rs、Ls與es為定子繞組的等效電阻、電感與反電勢。在電機靜止和低轉速情況下，es可忽略，式(1)可簡化為：

直流母線電流id為：

式（3）中，τ=Ls/Rs，對式（3）進行泰勒級數分解，得到id的一次項為：

設定子繞組匝數為N，電機磁導為Λm，電感Ls與定子磁導Λm的關系為：

式（5）中，Λm=μFeA/l，μFe為定子鐵芯磁導率，A為磁路截面積，l為磁路長度。由式（4）和（5）可知，母線電流id與電機等效電感Ls成反比，即和磁導率μFe成反比。若在同樣時間內在定子繞組上施加一系列幅值相等而方向不同的脈沖電壓矢量，母線電流id幅值就不一樣，當所施加的電壓矢量方向和轉子N極方向相同時，磁路最飽和，磁導率最小，對應的電感值最小，母線電流峰值將達到最大值[14]。通過在定子繞組施加短時脈沖電壓矢量，在轉子沒有旋轉的情況下，檢測母線電流峰值，可以判斷出轉子的初始位置。

2.2 轉子初始位置的確定

圖2(a)所示電路中，T1-T6 兩兩導通時有六種有效開關狀態，用電壓矢量V1-V6表示；T1-T6 三三導通時也有六種有效開關狀態，用電壓矢量V1s-V6s表示。將功率開關T1-T6 的導通和關斷分別用1 和0 表示。T1-T6 兩兩導通和三三導通時共有12 個電壓矢量，在αβ平面內如圖3 所 示，其 中，12 個電壓矢量可將αβ平面等分為Ⅰ-Ⅻ共12 個區間，每個區間為30°。

圖3 電壓矢量在αβ平面內的分布圖

電機正常旋轉時若施加Vn后轉子可以剛好轉到下一次導通的換相位置，便于加速控制，若施加Vns后轉子轉到離換相點30°的位置[14]，因此選擇施加三三導通電壓矢量Vns來實現對轉子的定位，選擇兩兩導通電壓矢量Vn來實現轉子的加速與旋轉。為了減小轉子在大起動負載下的轉動角度，采用三步定位法：

步驟1：60°范圍預定位。為在轉子定位時僅檢測母線電流脈沖大小，而不使轉子轉動，施加三三導通短時 電壓矢 量脈沖：V1s→V4s→V2s→V5s→V3s→V6s，脈沖時長小于電路時間常數，上述電壓矢量作用后對應的母線電流分別為I1、I4、I2、I5、I3、I6。定子磁勢Fs離轉子N 極越近，母線電流峰值越大。找出I1-I6中峰值的最大值，就可以確定轉子N 極。

步驟2：30°范圍預定位。若階段1 定位只有一個電流為最大值，此時需要繼續定位。以I1最大為例，比較V1s相鄰的V2s和V6s所對應的母線電流I2和I6：若I2=I6，轉子N 極在V1s矢量方向上；若I2＜I6，則轉子N極 處于區間XII 內；若I2＞I6，則轉 子N 極 處于區間I內。以此類推可得轉子所在區間與母線峰值電流的對應關系。

步驟3：精確定位。預定位完成后，根據轉子所在區間施加表1 所示兩兩導通的電壓矢量對轉子進行精確定位。如轉子在扇區Ⅰ或Ⅱ，施加足夠大的電壓矢量V1(100001)，將轉子強拉至V1方向，為轉子的加速提供準確的初始位置。

表1 轉子所在區間與所施加的電壓矢量對應表

采用短時脈沖電壓矢量實現轉子定位，保證了定位階段轉子轉過的最大角度不超過30°，保證在帶載情況下定位成功。

2.3 轉子準閉環加速

在轉子位置確定后，需要按照一定規律給定子繞組通電，驅動電機加速旋轉，保證起動成功，該文在加速過程中采用交替施加兩兩導通與三三導通脈沖電壓矢量，其中兩兩導通電壓矢量設為長時脈沖，用于換相與加速，三三導通脈沖電壓矢量設為短時脈沖，用于定位，便于實時根據轉子位置進行加速過程中的換相。短時脈沖時間寬度小于等效電路的時間常數，長時脈沖時間寬度為等效電路的時間常數的2～3 倍[14]。

用圖4 來說明長時與短時脈沖電壓矢量作用下的轉子準閉環加速過程。圖4(a)中轉子初始位置位于XII 區間，設電機逆時針旋轉，給電機施加長時脈沖電壓矢量V2，隨后加短時脈沖電壓矢量V1s和V2s，比較母線電流I1和I2，即可檢測出轉子位置。設ΔI為換相電流閾值，若|I1-I2|＞|ΔI|說明還未到換相位置，繼續施加該區間的加速脈沖。當電流差值滿足|I1-I2|≤|ΔI|時，說明轉子已到達圖4(b)所示的V1矢量方向，改為施加長時脈沖電壓矢量V3，繼續加速。通過判斷與一對短時脈沖電壓矢量相對應的電流峰值之差是否小于電流閾值，從而判斷電機是否達到換相條件，實現電機加速過程中實時進行準閉環換相，提高帶載加速過程中換相的成功率。

圖4 轉子準閉環加速過程中的定位示意圖

當轉子加速到一定速度后，將切換到自同步運行狀態，電機運行于兩兩導通方式，根據反電勢過零點來獲取電機換相點，實現電機的無位置傳感器運行。

3 環境溫度對增程器發動機起動的影響及優化

增程器啟動時，若外界環境溫度過低，會導致發動機無法點火，導致增程器啟動失敗。外界環境溫度對增程器發動機起動的影響為[15-16]：

機體溫度過低。發動機在運行前機體溫度與外界環境溫度一致，如果外界溫度過低，混合氣體在接觸缸壁后將變冷，使得燃油混合氣體質量降低，導致增程器啟動失敗。

進氣溫度過低。進氣氣體包括氧氣和可燃氣體，環境溫度過低導致進入發動機氣缸的氣體溫度降低，無法達到燃燒溫度，導致增程器啟動失敗。

(1)算法針對的是多站多外輻射源場景，對于單站多外輻射源場景和多站單外輻射源場景同樣適用，具有較高的通用性.

燃油溫度過低。增程器使用的燃油為汽油，汽油粘稠度隨著溫度降低而變大，粘稠度越大，產生可燃氣體的速度越慢，不充分的可燃氣體將無法使發動機成功起動。發動機多次啟動失敗將導致缸內壁產生大量的汽油成滴物，進一步影響氣體的有效排出，更加惡化了發動機的啟動過程。

為了改善由于環境溫度過低導致的機體溫度、進氣溫度與燃油溫度對增程器發動機起動的影響，可分別對增程器機體進行預熱、進氣預熱與燃油預熱。增程器機體可以采用熱水進行預熱，將增程器機體放入熱水中，用電能對水進行加熱，增程器機體加熱后，燃油和潤滑劑升溫，啟動性能將得到改善；進氣預熱可以通過電熱塞加熱進氣溫度；燃油預熱通過加熱燃油，直接提高燃油混合氣體霧化效果，改善增程器發動機啟動性能。

4 實驗研究

江蘇友和動力機械有限公司生產了系列化增程器，以其中的YH3000 增程器作為實驗對象，其參數如表2 所示。

表2 YH3000增程器參數表

4.1 無刷直流電機準閉環起動實驗

增程器無刷直流電機轉子在定位步驟1是注入順序為V1s→V4s→V2s→V5s→V3s→V6s的短脈沖電壓矢量，圖5(a)和圖5(b)為轉子處于不同位置時的母線峰值電流。圖5(a)中V2s矢量對應的母線電流I2峰值最大，可以確定轉子初始位置在V2s附近±30°范圍內，繼續比較與V2s相鄰的兩個電壓矢量V1s、V3s對應的母線峰值電流I1、I3，由圖可見I3＞I1，通過定位步驟2可以將轉子定位在Ⅲ區間。圖5(b)中同時出現兩個母線電流峰值最大值，這種情況直接將轉子初始位置定位在V2矢量方向上。

圖5 定位階段不同電壓矢量對應的母線峰值電流

轉子定位結束進入加速階段，施加一組交替的長時與短時脈沖電壓矢量實現加速與換相定位，此時母線電流波形如圖6 所示，當兩個短時脈沖矢量施加后母線電流差值達到換相電流閾值后，可以施加下一區間的長時加速脈沖，使轉子加速成功。

4.2 不同環境溫度下增程器整機啟動實驗

對增程器在不同溫度下的啟動進行了對比實驗，選擇-20 ℃和20 ℃兩種環境溫度，進行增程器啟動實驗。將增程器放入冰柜中，模擬-20 ℃低溫環境，用室內空調模擬20 ℃溫度環境。以無刷直流電機a 相相電流為檢測量，對不同溫度下的啟動性能進行了測試。

1）-20 ℃增程器啟動實驗

圖7 環境溫度為-20 ℃啟動時電機a相電流波形

對增程器使用預熱裝置進行預熱，啟動成功，圖7(b)所示是電機a 相電流波形，啟動瞬間產生40 A電流，發動機被電機拖動旋轉，當發動機被拖動到點火速度后，可以自主旋轉，發動機反過來帶動電機旋轉發電，經過0.6 s怠速運行階段，此時電機電流為5 A，然后發動機加速到額定轉速附近，電機發電電流增大到15 A，發動機轉速穩定后，電機a相電流降為4 A。

2）20 ℃增程器正常啟動

20 ℃正常溫度下，增程器可以穩定啟動，無需進行預熱，相電流波形如圖8 所示，與采取預熱措施后-20 ℃冷啟動下狀態基本相同，此時發動機的阻轉矩小于-20℃環境溫度時的阻轉矩，電機相電流最大值變小，為30 A。

圖8 環境溫度為20 ℃啟動時電機a相電流波形

4.3 增程器從啟動到發電全過程實驗

增程器從啟動到發電全過程中直流母線電壓與無刷直流電機a 相電流的對應波形如圖9 所示，增程器啟動時，由于要拖動發動機這個大負載，直流母線電壓將下降，下降幅值為4～5 V，持續時間為0.3 s 左右。發動機被拖動到點火速之后，電機將轉為發電狀態，怠速運行0.6 s 之后發動機加速，此時電機所發電壓高于72 V 直流母線電壓5～6 V，將對蓄電池進行充電，持續時間為0.4 s 左右，之后電機進入發電階段，電機采用轉速和電壓雙閉環控制策略，所發電壓略高于蓄電池電壓，直流母線以較小的電流對蓄電池充電，增程器完成從啟動到發電的全部過程。

圖9 啟動/發電全過程中直流母線電壓Ud與電機相電流ia

5 結論

增程器的啟動涉及到無刷直流電機和發動機兩個部件的啟動及相互之間的配合。針對無刷直流電機啟動過程中需克服發動機變化阻轉矩的特點，在傳統三段式啟動方法基礎上，提出一種準閉環起動方法：利用定子繞組電感隨轉子位置不同而變化的規律，通過施加定子脈沖電壓矢量、比較母線電流幅值大小的方法，實現轉子30°小范圍轉動初始位置定位和帶載準閉環加速起動；當電機轉速增加到一定值時，再切換到以反電勢過零點判斷轉子位置的狀態。針對發動機起動易受低溫環境影響的特點，對增程器機體、進氣和燃油提出了有效的預熱措施。對增程器中無刷直流電機起動和增程器整機啟動進行了實驗研究，實驗結果表明，無刷直流電機準閉環起動方案方便有效，增程器整機啟動可靠，增程器可以從啟動順利進入發電狀態。該文的研究可為研發高性能電動汽車增程器提供借鑒，促進我國電動汽車產業的可持續發展。