CN101546352A - 一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型方法 - Google Patents

Abstract

一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型方法，属于混合动力汽车技术领域。该方法选择辅助动力单元的发动机油耗特征：包括电机参数确定，定义混合比概念；发电机选取等；APU发电机电压特性的确定：包括确定APU最大功率及混合比；选择不同配置的蓄电池组；APU电压与另一种动力源电压的匹配；确定APU电压模型；确定发电机线电压模型；确定发电机额定电流值；确定发电机最高线电压值；选择整流器最大通过功率等；APU中发动机与发电机效率匹配的验证方法。本发明还可以通过APU的整体性能测试来间接计算发电机+整流桥的效率MAP。本发明可以快速确定串联式混合动力系统APU的选取；缩短开发周期；提升该类APU的实用性。

Description

一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型方法

技术领域

一种串联式混合动力车辆辅助动力单元(APU)的选型方法，属于混合动力汽车技术领域。

背景技术

随着电子技术和控制技术的飞速发展，发电系统在汽车、舰船和飞机上的应用日益广泛。特别是在汽车领域，为解决日益严峻的能源问题和环境污染问题，开发新型的混合动力汽车显得尤为重要。串联式混合动力车辆中的辅助动力单元(Auxliary Power Unit，简称APU))是一种新型的车用发电装置，它由动力源(内燃机或者汽轮机)、发电机和整流装置组成；也可以由燃料电池或者其他蓄能装置和电压变换装置组成，其构成如图1所示。一般混合动力系统中只采用其中的一种APU，与混合动力车辆的另外一种动力源(蓄电池组或者超级电容组)一起，为驱动电机提供驱动电能，其中系统中的另外一种动力源可以直接与动力总线耦合，也可以通过DC/DC变换器与动力总线进行能量交换；驱动电机也可以利用车辆的制动动能，在发电模式下对蓄电池组或者超级电容组充电。

对于采用内燃机或者汽轮机的APU，其发动机的油耗特征和发电机系统选择及电压变换装置的参数，都将直接影响到整车经济性和排放性能的优劣。目前车用APU中采用永磁同步发电机的产品较多，但是由于目前中国市场的大功率永磁同步发电机价格较高，且需要可控的AC/DC变换装置，使得整个APU系统的成本居高不下。因此，在开发中选择了普通的民用它励式三相同步发电机+不可控二极管整流桥组，代替永磁同步发电机+可控功率变换装置。发动机的飞轮盘直接和发电机的联结盘用螺栓对接，而发电机输出的三相交流电的三根线直接接到不可控整流桥上。但采用这种不可控整流桥，使得APU和串联式混合动力系统中的另外一种动力源电压存在着直接耦合关系，因此，该APU发电机的电压选择是一个难点。

故APU选型是非常困难的工作，而且通常情况下都凭借经验数据进行选择的，为整车的动力性、经济性和排放性能达标带来一定的不确定性，设计一套完整的车用APU选型方法是必要的。

发明内容

本发明针对由内燃机+它励式三相同步发电机+二极管不可控整流桥组成的APU，目的在于建立上述类型APU的选型方法，以减小传统APU选择方法带来的不确定因素。

该选型方法的技术特征具体包括三点：

选择适用于APU的发动机油耗特征；

APU电压与另一种动力源(蓄电池)电压的匹配方法；

APU中发动机与发电机效率匹配的验证方法。

一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型方法，该方法包括以下步骤：

(1)选择适用于APU的发动机油耗特征

(1.1)电机参数确定

首先确定给定道路循环下驱动电机的输出转速和输出转矩，然后由驱动电机效率图算出此时驱动电机控制器输入的电功率；并基于工况确定出驱动电机在循环过程中的平均功率和驱动电机需要的最大电功率P_motor。

(1.2)定义混合比概念

为方便APU功率等级的选取，设APU最大能够发出的电功率为P_APU，定义混合比的概念为：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{HR}}_1=\frac{P_{\mathrm{APU}}}{P_{\mathrm{motor}}}& 0<{\mathrm{HR}}_1<1\end{array}---\left(1\right)$

(1.3)发电机选取

由于发动机应用在APU中所允许的最大转速和相应的P_APU、HR₁都与发电机有关，下面说明发电机的选取方法。

一般来说，发电机的选择应满足三个条件：发电机效率在整个工作区间内约为0.9(该数字为大量实车数据统计结果)；发电机的转速范围必须能够包括发动机的最小油耗率区域；发电机最大转矩特性线高于发动机转矩外特性线，以避免发电机在发动机输出最大转矩时损坏。

(1.4)确定APU最大功率及混合比

对于任一给定的发动机，由其全特性图可以知道其最低油耗区域。根据发电机的选择条件，可以选定一个转速作为APU中发电机的最大转速，也即允许发动机工作的最大转速。取该转速下发动机的外特性功率乘以发电机+整流桥，即为APU最大输出功率P_APU，而对应的混合比HR₁就可以确定出来。驱动电机最大输入功率P_motor一定时，通过选择不同机型的柴油发动机与发电机组合，可以得到不同的P_APU与相应的混合比HR₁。

(1.5)选择不同配置的蓄电池组

对于每一种不同配置的蓄电池组，其功率限制条件为：

P_bat≥P_motor-P_APU            (2)

P_bat为蓄电池组最大输出功率，由蓄电池组单节电池(12V)时的峰值功率与蓄电池组串联节数的乘积得到。并根据蓄电池型号，选取电池的最佳工作SOC区间。

(1.6)设定APU控制策略

使得发动机轨迹点保持在最佳油耗区间内。同时，使得电池组或者超级电容SOC在循环前后保持平衡，以方便统计循环油耗。发动机的最小油耗区域被发电机的工作区域包含后，APU的油耗主要取决于发动机的油耗MAP和发动机的工况点选择。优化程序能自动搜索APU工作区间，找出发动机最优工况点，故每一个混合比下的发动机都处于最佳工作状态。

(1.7)计算发动机的平均状态工作点

上述步骤完成后，对在确定道路循环下的发动机输出功率和转速分别进行累加平均，从而确定出发动机的平均状态工作点，此发动机的平均状态工作点(由发动机工作的平均转速和平均功率确定)，并记录该点的比油耗值和循环总油耗值。

(1.8)重复计算

选择另一发动机和发电机的组合，重复步骤(1.2)～步骤(1.7)过程，计算得到新的循环油耗和发动机平均状态工作点及其油耗。

(1.9)从结果中挑选出符合条件的发动机和发电机组合

从计算的结果中选择最有利的发动机和发电机组合。选择的发动机和发电机组合满足三点内容：一是发动机最低油耗水平要尽可能低；二是由循环工况决定的发动机平均工作状态点必须位于或者接近该发动机的最低油耗区；三是发动机在最小油耗区至少能够发出驱动电机在道路循环下的平均功率。

(2)APU电压与另一种动力源(蓄电池)电压的匹配方法

(2.1)确定蓄电池模型

适合在系统选型初期使用，可以采用算式

P_bat＝(U_{bat_oc}-R_batI_bat)I_bat     (3)

U_bus＝U_{bat_oc}-R_batI_bat         (4)

表示，其中P_bat表示蓄电池组功率；U_{bat_oc}表示蓄电池组开路电压；I_bat表示蓄电池组充电放电电流；R_bat表示蓄电池组内阻，在选型阶段，蓄电池内阻取每个SOC下充电电阻和放电内阻两者中数值大的一个作为电池内阻值；U_bus表示蓄电池组端电压，也即总线电压。

(2.2)确定APU电压模型

APU输出功率和直流电压的平均值是：

P_APU＝U_APUI_APU        (5)

$U_{\mathrm{APU}}=\frac{3\sqrt{2}E}{\mathrm{\&pi;}}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_r-\frac{3}{\mathrm{\&pi;}}{X}_{\mathrm{\&gamma;}}{I}_{\mathrm{APU}}---\left(6\right)$

U_APU为APU输出电压平均值；E为发电机线电压的非畸变电压有效值；I_APU为APU输出电流平均值。

令 $\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{APU}\_\mathrm{OC}}=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\&pi;}}E& R_x=\frac{3}{2\mathrm{\&pi;}}{x}_{\mathrm{\&gamma;}}\end{array}---\left(7\right)$

将式(7)带入式(6)可以得到：

U_APU＝U_{APU_oc}-2R_xI_APU        (8)

(2.3)确定发电机线电压模型

考虑到蓄电池组输出端电压U_bus与APU输出电压U_APU相等关系及串联式混合动力系统总线功率平衡关系，有：

U_bus＝U_APU           (9)

P_mot＝P_bat+P_APU  (10)

由式(9)和(10)联立可以得到，

U_APU(I_APU+I_bat)＝P_mot  (11)

由式(4)、(8)和(9)可以得到，

U_{APU_oc}-2R_xI_APU＝U_{bat_oc}-R_batI_bat  (12)

由式(11)、(12)联立并消去中间的蓄电池组电流IX后，可得：

U_{APU_OC} ²-(4R_xI_APU+R_batI_APU+U_{bat_oc})U_{APU_OC}

                                                                               (13)

+(4R_x ²I_APU ²+2R_xU_{bat_oc}I_APU+R_batP_mot)

式(13)考虑了APU和蓄电池组共同工作时的电压匹配问题。将式(6)代入式(13)，可以得到发电机线电压与串联式混合动力系统其它参数之间的关系。由(13)可以决定在一定电动机需求功率Pmot、蓄电池组SOC状态(SOC值直接决定着蓄电池组的开路电压值和电池内阻值)、APU输出电流值下，APU所需要输出的线电压特性。

(2.4)确定发电机额定电流值

忽略整流桥的效率，APU输出功率P_APU与发电机线电压关系为：

k₁为对APU电流的修正系数。功率因数cos

取标准值0.8。而发电机线电压值则是发动机转速、发电机励磁PWM信号和APU输出电流信号I_APU的函数，表示为：

E＝f_exc(n_e，PWM，I_APU)              (15)

发电机的非畸变相电流有效值I_g与APU电流I_APU值的关系为：

I_g＝k₁I_APU                     (16)

k₁值近似为0.82。当蓄电池SOC为正常工作的低限值，驱动电机需求输入功率为最大值时，取APU输出最大功率时所对应的APU电流值I_{APU_max}。但I_g仅代表非畸变相电流有效值，在发电机相电流中还可能存在谐波电流等。为安全起见，将I_{APU_max}作为发电机额定的相电流值I_{g_max}(A)。

(2.5)确定发电机最高线电压值

首先由式(14)确定当蓄电池SOC为正常工作的高限值、驱动电机需求输入功率为0kW时，APU输出其最大功率值P_{APU_max}对应的APU输出电流值。然后以该APU输出电流值为基础，结合式(13)，确定当蓄电池SOC为正常工作的高限值、驱动电机需求输入功率为0kW时，APU的最高线电压值E_max。这个线电压值是理论上APU以最大功率对蓄电池组充电时的电压值，也是理论上发电机需要输出的最大线电压。

(2.6)确定发电机励磁系统特征

APU线电压的产生由主动输入量转速和励磁信号决定。当APU需要输出同样的电流时，电池的SOC越高，需要APU目标线电压越大。因此必须增加转速或者励磁两者中的一项或两项来实现。也即发电机的励磁系统一定能够使得在不同转速下，发电机的线电压特性满足2.4～2.5条件。

(2.7)确定发电机额定伏安数和转速

按照功率因数为定值0.8计算发电机额定伏安数，

根据柴油机最佳油耗区间所在的转速范围，确定合适的发电机额定转速等级。

(2.8)选择整流器最大通过功率

按照APU最大功率P_{APU_max}的2倍确定整流桥二极管的最大通过功率。

在发动机和发电机都选定后，需要测试发动机和发电机的效率，以确定出发动机和发电机效率是否匹配。

(3)APU中发动机与发电机效率匹配的验证方法

(3.1)固定PWM信号下发电机+整流桥效率测试

首先选择将发电机转速固定在某一转速下，然后向发电机的励磁系统给定一个确定的PWM信号，例如10％的占空比，并改变发电机的输出电阻，使得发电机+整流桥的输出电流按照一定的间隔(例如10A)变化，记录下发电机转速稳定时，整流桥输出电压和电流，并记录发电机的转速和输入转矩；通过逐次改变发电机的转速，并记录整流桥输出的电压和电流，同时记录发电机的转速和输入转矩，得到同一PWM励磁信号下载发电机工作转速区域内发电机+整流桥的效率η_gen，可以由公式(18)完成计算。

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gen}}=9.549\frac{U_{\mathrm{APU}}{I}_{\mathrm{APU}}}{T_e{n}_e}\&times;100\%---\left(18\right)$

(3.2)不同PWM信号下发电机+整流桥效率测试

依次改变发电机的励磁PWM信号，并重复3.1中发电机+整流桥效率测试步骤，得到不同发电机的励磁PWM信号下，发电机+整流桥的效率MAP。

(3.3)发电机+整流桥效率测试替代方法

若不能单独进行发电机+整流桥的测试，可以通过APU的整体性能测试来间接计算发电机+整流桥的效率MAP。首先将APU转速固定在某一转速下(通过调节发动机油门开度完成)，然后向发电机的励磁系统给定一个确定的PWM信号，例如10％的占空比，并改变发电机的输出电阻，使得发电机+整流桥的输出电流按照一定的间隔(例如10A)变化，记录下APU恢复至稳态时整流桥输出的电压和电流，并记录发动机的转速和油门开度；通过逐次改变发电机的转速，记录下APU恢复至稳态时整流桥输出的电压和电流，并记录发动机的转速和油门开度；

根据本效率测试前已有的发动机的转速、油门开度和转矩数据，建立发动机的二维转矩MAP；

采用插值方法，以效率测试中记录的转速和油门开度信号为输入量，通过查发动机的二维转矩MAP，间接得到发电机+整流桥效率测试中的发电机输入转矩值。并由式(18)得到同一PWM励磁信号下载发电机工作转速区域内发电机+整流桥的效率η_gen。

依次改变发电机的励磁PWM信号，并重复3.3中发电机+整流桥效率测试步骤，得到不同发电机的励磁PWM信号下，发电机+整流桥的效率MAP。

(3.4)发动机与发电机效率+整流桥效率区间对比

将发动机的最佳油耗区域和每一个PWM励磁信号下的同步发电机+整流桥效率MAP进行对比，看在常用的PWM信号区间内，发动机的最佳油耗区域是否和同步发电机+整流桥效率MAP相重叠，如果基本重叠，则认为发动机和发电机+整流桥的效率匹配。

若发动机和发电机+整流桥的效率MAP在常用PWM信号区域内差别较大，则需要重复1.8～3.3过程，直到满足3.4条件为止。

即得到一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型。

辅助动力单元(Auxliary Power Unit，简称APU)在汽车、潜艇和飞机上都有应用，本发明提出的一种串联式混合动力车辆中的APU选型方法也值得其他APU应用场合借鉴，其核心在于通过对APU运行特性的计算，判断APU中发动机的油耗特征、发电机的工作电压，进而确定出APU中各个部件的参数。

利用本发明，可以快速确定串联式混合动力系统在前期选型过程中APU的参数选取，有利于缩短开发周期，并能有效较少采用该型APU时可能出现的油耗选择、电压匹配和效率选择失败的风险，从而提升该类APU的实用性。

附图说明

图1串联式混合动力系统及APU组成示意图。

图2中国公交客车典型城区道路工况示意图。

图3典型道路工况下驱动电机的需求功率和需求转速示意图。

图4混合比为0.42的3号方案发动机转速范围及油耗特征示意图。

图5不同混合比下的串联式混合动力燃料消耗示意图。

图6发动机平均油耗率与整车油耗率的关系示意图。

图7用于系统选型的APU模型和蓄电池模型示意图。

图8两种SOC下的APU电压比较示意图；其中，

(a)SOC值为0.2时发电机线电压特性

(b)SOC值为0.8时发电机线电压特性。

图9两种SOC下的APU功率比较示意图；

(a)蓄电池SOC为0.2时的APU输出功率特性，

(b)蓄电池SOC为0.8时的APU输出功率特性。

图10选定的发动机与发电机效率曲线示意图。

图11APU选型方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式说明本发明。

在进行其参数选择前，运行整车性能仿真的软件，如在MATLAB环境中运行的ADVISOR、PSAT或者自己在MATLAB/SIMULINK下编写的整车性能仿真程序。这些程序运行前需要具备的工作内容包括：

1)：建立道路工况的数据序列；

2)：建立汽车的整车动力学模型，包括整车行驶阻力模型、简易轮胎模型、减速器模型。

3)：建立驱动电机模型；

4)：建立蓄电池组或者超级电容组及DC/DC模型；

5)：建立APU基于油耗MAP的经验数据模型。

具备上述条件后，还需要收集不同类型的发动机或者汽轮机特性数据，尤其是万有特性图数据；以及蓄电池组的特性数据(包括SOC、端电压、内阻等)，以进行多种APU组合的工况验证与选择。

1.确定APU发动机需要具备的油耗特征

1.1 电机参数确定

首先确定在给定道路循环(如图2所示)下驱动电机的输出转速和输出转矩，然后由驱动电机效率图算出此时驱动电机控制器输入的电功率；基于工况确定出驱动电机需要的最大电功率P_motor；

得出驱动电机的需求功率及驱动转速示例如图3所示。其中电机转速考虑了不同变速比对电机转速需求的影响。

1.2 定义混合比

设APU最大能够发出的电功率为P_APU，为方便APU功率等级的选取，定义混合比的概念为：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{HR}}_1=\frac{P_{\mathrm{APU}}}{P_{\mathrm{motor}}}& 0<{\mathrm{HR}}_1<1\end{array}---\left(1\right)$

驱动电机最大输入功率P_motor一定时，而通过选择不同机型的柴油发动机与发电机组合，可以得到不同的P_APU与相应的混合比HR₁。在混合比不同的多种APU组合方案中，找出最有利的发动机与发电机组合。表1列出了初选的6种发动机及其应用在APU中的最大转速和相应的混合比HR₁，以及匹配一定容量与节数的蓄电池(例如60A·h，32节NiMH电池串联)时整车的重量和附件功率。这6种发动机的全特性数据存储在仿真软件中。通过对这6种发动机用于APU时的整车性能仿真比较可以得出一些选型原则，然后再结合目前国内可供选择的实际机型做出最终选择。

表1 仿真比较的六种APU方案及相关参数

1.3 发电机选取

由于发动机应用在APU中所允许的最大转速和相应的P_APU、HR₁都与发电机有关，下面说明发电机的选取方法。

一般来说，发电机的选择应满足三个条件：发电机效率在整个工作区间内约为0.9(该数字为大量实车数据统计结果)；发电机的转速范围必须能够包括发动机的最小油耗率区域；发电机最大转矩特性线高于发动机转矩外特性线，以避免发电机在发动机输出最大转矩时损坏。但考虑到本文中选取的发电机为无刷励磁同步发电机，而目前现有的单级对无刷励磁同步发电机最高转速为3000r/min，多极对无刷励磁同步发电机的额定转速低于2000r/min，因此在本研究中还要限定发电机的工作转速最大不能超过3000r/min。

1.4 确定APU最大功率及混合比

对于任一给定的发动机，由其全特性图可以知道其最低油耗区域。再根据发电机的选择条件，可以选定一个转速作为APU中发电机的最大转速，也即允许发动机工作的最大转速。取该转速下发动机的外特性功率乘以发电机效率0.9(整流桥损失可忽略不计)，即为APU最大输出功率P_APU，而对应的混合比HR₁就可以确定出来。

例如，图4给出了3号APU方案中发动机的全特性。该发动机的最大转速为4500r/min，但根据发电机转速<3000r/min，并且发电机转速范围应包含发动机最低油耗区域的限制条件，决定发动机只在2600r/min以下的区域内工作，在此工况区域内发动机的最大功率点对应2600r/min下的最大转矩点，算出该点的发动机功率P_e，乘以发电机效率0.9，得到APU最大输出功率P_APU为63kW，进而确定出方案3的混合比，当驱动电机最大需求功率P_motor为150kW时，混合比约为0.42。

1.5 选择不同配置的蓄电池组

选择不同配置的蓄电池组。对于每一种不同配置的蓄电池组，其功率限制条件为：

P_bat≥P_motor-P_APU   (2)

P_bat为蓄电池组最大输出功率，由蓄电池组单节电池(12V)时的峰值功率与蓄电池组串联节数的乘积得到。并根据蓄电池型号，选取电池的最佳工作SOC区间，在表2中所示的四种蓄电池组，其峰值功率对表1种的所有6种初选方案都满足式(2)所给出的条件。

表2 选取的电池组参数

1.6 设定APU控制策略

根据上述参数，设定APU控制策略，使得发动机轨迹点保持在最佳油耗区间内(如图4中的黑粗线)。同时，使得电池组或者超级电容SOC在循环前后保持平衡，以方便统计循环油耗。发动机的最小油耗区域被发电机的工作区域包含后，APU的油耗主要取决于发动机的油耗MAP和发动机的工况点选择。采用跟随式功率分配策略进行仿真时，优化程序自动搜索APU工作区间，找出发动机最优工况点。APU中的发动机从能量管理角度看，每一个混合比下的发动机都处于最佳工作状态。采用蓄电池SOC维持策略，仿真开始时刻和结束时刻蓄电池SOC基本相同。

1.7 计算发动机的平均状态工作点

计算发动机在循环中的平均功率，此发动机的平均工作状态点(由发动机工作的平均转速和平均功率确定)，该点尽量落在发动机最佳油耗区间内，并记录该点的比油耗。

1.8 重复计算

以一定间隔改变混合比，重复步骤(1.2)～(1.7)过程，计算得到新的循环油耗和发动机平均功率点及其油耗。最终得到例如图5所示的图形。

1.9 从结果中挑选出符合条件的发动机和发电机组合

例如，根据图5中所示的24组仿真结果可以看出，采用混合比为0.42时的3号APU配置方案的整车燃油消耗率最低。同时，选择NiMH蓄电池组时，整车油耗比选择铅酸电池组时的整车油耗低0.5升左右。

此外，采用60A·h，30节串联的NiMH电池模拟结果还得出表3所示的APU发动机和电动机平均功率及循环油耗，发现电动机平均功率与发动机工作的平均功率相近(发电机平均效率取0.9)。将道路循环中发动机转速和发动机功率分别取平均值后，以该(n_{e_aver}，P_{e_aver})点(参考图4)的油耗作为发动机的平均油耗。

表3 不同混合比下APU和驱动电机的平均功率

从图6可以看出，串联式混合动力车辆上，由上述方法得到的发动机平均油耗值高低直接决定了整车的油耗水平。所以选择发动机的油耗特征能够确定出来，一是发动机最低油耗水平要尽可能低；二是由循环工况决定的发动机平均工作状态点必须位于或者接近最低油耗区；三是发动机在最小油耗区至少能够发出驱动电机在道路循环下的平均功率。这三点也可以从图4中得到体现。从图4可以看到，3号方案中的发动机平均工作点位于208g/(kW·h)油耗线上，而且发动机优化工作曲线穿越208g/(kW·h)油耗线所包围的区域，同时发动机在最小油耗区内一定能够发出驱动电机的平均功率。

而6号方案中，虽然发动机最小油耗率为206g/(kW·h)，但是其发动机的平均工况点的油耗率为237g/(kW·h)，发动机的低油耗区域在采用功率跟随策略下不能得到充分利用，因此百公里油耗结果较差。

根据最后确定的最佳混合比选择APU系统的最大功率P_APU。

2.APU发电机电压特性的确定

从图1中可以看出，APU发电机输出的交流电由不可控整流桥整流成直流电，与蓄电池组输入输出的直流电共用总线连到逆变器的入口端。这意味着APU电压、蓄电池组电压、驱动电机电压三者之间必须时刻保持良好的匹配，混合动力系统才能保持良好的工作状态。如果APU系统的工作电压范围与蓄电池系统不相匹配，则APU无法正常输出预期的目标功率。为此需要进行APU中发电机电压特性的确定。

2.1 确定蓄电池模型

已有的蓄电池组模型有Rint模型，RC模型等多种类型。其中Rint模型具有结构简单，参数易于获取的特点，适合在系统选型初期使用，可以采用算式

P_bat＝(U_{bat_oc}-R_batI_bat)I_bat   (3)

U_bus＝U_{bat_oc}-R_batI_bat  (4)

表示，其中P_bat表示蓄电池组功率；U_{bat_oc}表示蓄电池组开路电压；I_bat表示蓄电池组充电放电电流；R_bat表示蓄电池组内阻，在选型阶段，蓄电池内阻取每个SOC下充电电阻和放电内阻两者中数值大的一个作为电池内阻值；U_bus表示蓄电池组端电压，也即总线电压。

2.2 确定APU电压模型

在系统选型的初期，还需要有一个简单的但是能够从系统角度反映APU直流电压工作特性的APU模型。

根据二级管整流桥的整流特性，设定发电机输出额定功率时，二级管工作在第一种换向特性内。此时二级管控制角α_r为零。图7给出APU在第一换向状态的简化示意图。由于发电机线圈具有较大的电感特性，因此在二级管整流桥换向过程中，会出现一个等效的换向阻抗X_γ，这个值和发电机直轴、交轴超瞬变电抗有关，而发电机的相电阻则忽略不计，APU输出功率和直流电压的平均值则是：

P_APU＝U_APUI_APU      (5)

$U_{\mathrm{APU}}=\frac{3\sqrt{2}E}{\mathrm{\&pi;}}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_r-\frac{3}{\mathrm{\&pi;}}{X}_{\mathrm{\&gamma;}}{I}_{\mathrm{APU}}---\left(6\right)$

U_APU为APU输出电压平均值；E为发电机线电压的非畸变电压有效值；I_APU为APU输出电流平均值。

令 $\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{APU}\_\mathrm{OC}}=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\&pi;}}E& R_x=\frac{3}{2\mathrm{\&pi;}}{x}_{\mathrm{\&gamma;}}\end{array}---\left(7\right)$

将式(7)带入式(6)可以得到：

U_APU＝U_{APU_oc}-2R_xI_APU        (8)

2.3 确定发电机线电压

考虑到蓄电池组输出端电压U_bus与APU输出电压U_APU相等关系及串联式混合动力系统总线功率平衡关系，有：

U_bus＝U_APU        (9)

P_mot＝P_bat+P_APU    (10)

由式(9)和(10)联立可以得到，

U_APU(I_APU+I_bat)＝P_mot             (11)

由式(4)、(8)和(9)可以得到，

U_{APU_oc}-2R_xI_APU＝U_{bat_oc}-R_batI_bat  (12)

由式(11)、(12)联立并消去中间的蓄电池组电流I_bat后，可得：

U_{APU_OC} ²-(4R_xI_APU+R_batI_APU+U_{bat_oc})U_{APU_OC}

                                                                             (13)

+(4R_x ²I_APU ²+2R_xR_batI_APU ²+2R_xU_{bat_oc}I_APU+R_batP_mot)＝0

式(13)考虑了APU和蓄电池组共同工作时的电压匹配问题。将式(6)代入式(13)，可以得到发电机线电压与串联式混合动力系统其它参数之间的关系。为说明在一定电动机需求功率P_mot、蓄电池组SOC状态(SOC值直接决定着蓄电池组的开路电压值和电池内阻值)、APU输出电流值下，APU所需要输出的线电压，对式(13)进行模拟求解。下面通过举例对发电机电压确定方法进行说明。

从图8所示的模拟结果可以看出，在同一驱动电机需求功率下，随着APU输出电流增大，APU线电压也在增大。例如在电机需求功率为120kW时，APU输出电流从0增大到100A时，相应需要的APU线电压从255V增加到287V。见图8(a)。

在蓄电池组SOC状态一定、APU输出电流一定的情况下，随着电机需求功率增大，所需的APU线电压减小。例如当蓄电池SOC为0.8、APU输出电流为40A时，驱动电机所需驱动功率从60kW增大到150kW，所需的APU线电压从319V下降到257V，见图8(b)。

在不同SOC下，当APU输出电流相同、电机需求功率相同时，APU所需线电压随SOC值增大而增大，这是电池SOC增加对总线电压的影响结果。

忽略整流桥的效率，APU输出功率P_APU与发电机线电压关系为：

k₁为对APU电流的修正系数。功率因数cos

取标准值0.8。而发电机线电压值则是发动机转速、发电机励磁PWM信号和APU输出电流信号I_APU的函数，可以表示为：

E＝f_exc(n_e，PWM，I_APU)        (15)

2.4 确定发电机额定线电流

电机需求功率对APU的输出能力产生重要的影响，这种影响可以从功率图9上可看出。当蓄电池SOC为正常工作的低限值0.2而驱动电机需求输入功率为最大值150kW时，APU输出的最大功率60kW所对应的APU电流值为150A，见图9(a)。而发电机的非畸变相电流有效值Ig与APU电流I_APU值的关系为：

I_g＝k₁I_APU         (16)

k₁值近似为0.82。但I_g仅代表非畸变相电流有效值，在发电机相电流中还可能存在谐波电流等。为安全起见，将150A作为发电机额定的相电流值(A)。

2.5 确定发电机最高线电压

当蓄电池SOC为正常工作的高限值0.8、驱动电机需求输入功率为0kW时，APU输出其最大功率值60kW对应的APU输出电流为115A，见图9(b)。而从图8(b)的对应曲线上可以找到该电流对应的APU线电压为365V。这个线电压值是理论上APU以最大功率60kW对蓄电池组充电时的电压值，也是理论上发电机需要输出的最大线电压。

2.6 确定发电机励磁系统特征

APU线电压的产生由主动输入量转速和励磁信号决定。当APU需要输出同样的电流时，电池的SOC越高，需要APU目标线电压越大。因此必须增加转速或者励磁两者中的一项或两项来实现。

当APU采用变转速控制时，发电机励磁系统应该具备下列特性

在图(10)的曲线中，要满足在对应的A转速下，励磁系统在励磁占空比为80％时，在任何总线电压下，满足APU输出功率要求；在B转速下，励磁系统在励磁占空比为80％时，满足APU输出功率要求。励磁系统的能力确定完毕。

2.7 确定发电机额定伏安数和转速

按照功率因数为定值0.8来计算，发电机额定功率不低于60/0.8＝75kVA，选择高于75kW的交流同步发电机。根据柴油机最佳油耗区间所在的转速范围，确定合适的发电机额定转速。

2.8 确定整流桥最大通过功率

至此，发电机额定功率、额定线电流、最高线电压和额定转速均已确定。同时，由于上述模型计算中一直以APU输出电压和蓄电池组端电压相等为前提条件，解决了发电机和蓄电池组工作电压的匹配问题。为保证二级管工作的安全性，选择二级管的额定功率为发电机额定功率的2倍，即120kW。

3.测定发电机+整流桥的效率，判断发动机与发电机+整流桥效率的匹配

(3.1)首先选择将发电机转速固定在某一转速下，然后向发电机的励磁系统给定一个确定的PWM信号，例如10％的占空比，并改变发电机的输出电阻，使得发电机+整流桥的输出电流按照一定的间隔(例如10A)变化，记录下发电机转速稳定时，整流桥输出电压和电流，并记录发电机的转速和输入转矩；通过逐次改变发电机的转速，并记录整流桥输出的电压和电流，同时记录发电机的转速和输入转矩，得到同一PWM励磁信号下载发电机工作转速区域内发电机+整流桥的效率η_gen，可以由公式(17)完成计算。

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gen}}=9.549\frac{U_{\mathrm{APU}}{I}_{\mathrm{APU}}}{T_e{n}_e}\&times;100\%---\left(17\right)$

(3.2)依次改变发电机的励磁PWM信号，并重复(3.1)中发电机+整流桥效率测试步骤，得到不同发电机的励磁PWM信号下，发电机+整流桥的效率MAP。

(3.3)若不能单独进行发电机+整流桥的测试，可以通过APU的整体性能测试来间接计算发电机+整流桥的效率MAP。首先将APU转速固定在某一转速下，然后向发电机的励磁系统给定一个确定的PWM信号，例如10％的占空比，并改变发电机的输出电阻，使得发电机+整流桥的输出电流按照一定的间隔(例如10A)变化，记录下APU恢复至稳态时整流桥输出的电压和电流，并记录发动机的转速和油门开度；通过逐次改变发电机的转速，记录下APU恢复至稳态时整流桥输出的电压和电流，并记录发动机的转速和油门开度；

根据本效率测试前已有的发动机的转速、油门开度和转矩数据，建立发动机的二维转矩MAP；

采用插值方法，以效率测试中记录的转速和油门开度信号为输入量，通过查发动机的二维转矩MAP，间接得到发电机+整流桥效率测试中的发电机输入转矩值。并由式(17)得到同一PWM励磁信号下载发电机工作转速区域内发电机+整流桥的效率η_gen。

(3.4)依次改变发电机的励磁PWM信号，并重复(3.3)中发电机+整流桥效率测试步骤，得到不同发电机的励磁PWM信号下，发电机+整流桥的效率MAP。

(3.5)将发动机的最佳油耗区域和每一个PWM励磁信号下的同步发电机+整流桥效率MAP进行对比，看在常用的PWM信号区间内，发动机的最佳油耗区域是否和同步发电机+整流桥效率MAP相重叠，如果基本重叠，则认为发动机和发电机+整流桥的效率匹配。

(3.6)若发动机和发电机+整流桥的效率MAP在常用PWM信号区域内差别较大，则需要重新进行发动机或者发电机选型，直到满足(3.5)条件为止。

这样，利用本发明，可以快速确定串联式混合动力系统中APU的选取，利于缩短开发周期。

Claims (3)

1、一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型方法，其特征在于，该方法包括步骤：

(1)选择辅助动力单元的发动机油耗特征

(1.1)电机参数确定

确定给定道路循环下驱动电机的输出转速和输出转矩，然后由驱动电机效率图算出此时驱动电机控制器输入的电功率；并基于工况确定出驱动电机在循环过程中的平均功率和驱动电机需要的最大电功率P_motor；

(1.2)定义混合比概念

设APU最大能够发出的电功率为P_APU，定义混合比的概念为：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{HR}}_1=\frac{P_{\mathrm{APU}}}{P_{\mathrm{motor}}}& 0<{\mathrm{HR}}_1<1\end{array}---\left(1\right)$

(1.3)发电机选取

发电机的选择应满足三个条件：

1)发电机效率在整个工作区间内约为0.9；

2)发电机的转速范围必须能够包括发动机的最小油耗率区域；

3)发电机最大转矩特性线高于发动机转矩外特性线；

(1.4)确定APU最大功率及混合比

对于任一给定的发动机，由其全特性图可以知道其最低油耗区域；根据发电机的选择条件，选定一个转速作为APU中发电机的最大转速，也即允许发动机工作的最大转速；取该转速下发动机的外特性功率乘以发电机+整流桥，即为APU最大输出功率P_APU，确定对应的混合比HR₁；驱动电机最大输入功率P_motor一定时，通过选择不同机型的柴油发动机与发电机组合，得到不同的P_APU与相应的混合比HR₁；

(1.5)选择不同配置的蓄电池组

对于每一种不同配置的蓄电池组，其功率限制条件为：

P_bat≥P_motor-P_APU              (2)

P_bat为蓄电池组最大输出功率，由蓄电池组单节电池时的峰值功率与蓄电池组串联节数的乘积得到；并根据蓄电池型号，选取电池的最佳工作SOC区间；

(1.6)设定APU控制策略

使得发动机轨迹点保持在最佳油耗区间内；同时，使得电池组或者超级电容SOC在循环前后保持平衡；

(1.7)计算发动机的平均状态工作点

上述步骤完成后，对在确定道路循环下的发动机输出功率和转速分别进行累加平均，从而确定出发动机的平均状态工作点，并记录该点的比油耗值和循环总油耗值；

(1.8)重复计算

选择另一发动机和发电机的组合，重复步骤(1.2)～步骤(1.7)过程，计算得到新的循环油耗和发动机平均状态工作点及其油耗；

(1.9)从结果中挑选出符合条件的发动机和发电机组合

从计算的结果中选择最有利的发动机和发电机组合；选择的发动机和发电机组合满足三点内容：一是发动机最低油耗水平要尽可能低；二是由循环工况决定的发动机平均工作状态点必须位于或者接近该发动机的最低油耗区；三是发动机在最小油耗区至少能够发出驱动电机在道路循环下的平均功率；

(2)APU电压与另一种动力源电压的匹配方法

(2.1)确定蓄电池模型

采用算式

P_bat＝(U_{bat_oc}-R_batI_bat)I_bat            (3)

U_bus＝U_{bat_oc}-R_batI_bat                  (4)

其中，P_bat表示蓄电池组功率；U_{bat_oc}表示蓄电池组开路电压；I_bat表示蓄电池组充电放电电流；R_bat表示蓄电池组内阻，在选型阶段，蓄电池内阻取每个SOC下充电电阻和放电内阻两者中数值大的一个作为电池内阻值；U_bus表示蓄电池组端电压，也即总线电压；

(2.2)确定APU电压模型

APU输出功率和直流电压的平均值是：

P_APU＝U_APUI_APU                            (5)

$U_{\mathrm{APU}}=\frac{3\sqrt{2}E}{\mathrm{\&pi;}}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_r-\frac{3}{\mathrm{\&pi;}}{X}_{\mathrm{\&gamma;}}{I}_{\mathrm{APU}}---\left(6\right)$

U_APU为APU输出电压平均值；E为发电机线电压的非畸变电压有效值；I_APU为APU输出电流平均值；

令 $U_{\mathrm{APU}\_\mathrm{OC}}=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\&pi;}}E$   $R_x=\frac{3}{2\mathrm{\&pi;}}{x}_{\mathrm{\&gamma;}}---\left(7\right)$

将式(7)带入式(6)可以得到：

U_APU＝U_{APU_oc}-2R_xI_APU                           (8)

(2.3)确定发电机线电压模型

考虑到蓄电池组输出端电压U_bus与APU输出电压U_APU相等关系及串联式混合动力系统总线功率平衡关系，有：

U_bus＝U_APU                                    (9)

P_mot＝P_bat+P_APU                                (10)

由式(9)和(10)联立得到，

U_APU(I_APU+I_bat)＝P_mot                          (11)

由式(4)、(8)和(9)可以得到，

U_{APU_oc}-2R_xI_APU＝U_{bat_oc}-R_batI_bat                (12)

由式(11)、(12)联立并消去中间的蓄电池组电流I_bat后，得：

U_{APU_OC} ²-(4R_xI_APU+R_batI_APU+U_{bat_oc})U_{APU_OC}

                                             (13)

+(4R_x ²I_APU ²+2R_xR_batI_APU ²+2R_xU_{bat_oc}I_APU+R_batP_mot)＝0

式(13)考虑了APU和蓄电池组共同工作时的电压匹配问题；将式(6)代入式(13)，得到发电机线电压与串联式混合动力系统其它参数之间的关系；由(13)决定在一定电动机需求功率P_mot、蓄电池组SOC状态，SOC值直接决定着蓄电池组的开路电压值和电池内阻值，APU输出电流值下，APU所需要输出的线电压特性；

(2.4)确定发电机额定电流值

忽略整流桥的效率，APU输出功率P_APU与发电机线电压关系为：

k₁为对APU电流的修正系数；功率因数cos

取标准值0.8；而发电机线电压值则是发动机转速、发电机励磁PWM信号和APU输出电流信号I_APU的函数，表示为：

E＝f_exc(n_e，PWM，I_APU)                     (15)

发电机的非畸变相电流有效值I_g与APU电流I_APU值的关系为：

I_g＝k₁I_APU                        (16)

k₁值近似为0.82；当蓄电池SOC为正常工作的低限值，驱动电机需求输入功率为最大值时，取APU输出最大功率时所对应的APU电流值I_{APU_max}；将I_{APU_max}作为发电机额定的相电流值I_{g_max}(A)；

(2.5)确定发电机最高线电压值

由式(14)确定当蓄电池SOC为正常工作的高限值、驱动电机需求输入功率为0kW时，APU输出其最大功率值P_{APU_max}对应的APU输出电流值；然后以该APU输出电流值为基础，结合式(13)，确定当蓄电池SOC为正常工作的高限值、驱动电机需求输入功率为0kW时，APU的最高线电压值E_max；

(2.6)确定发电机励磁系统特征

APU线电压的产生由主动输入量转速和励磁信号决定；当APU需要输出同样的电流时，电池的SOC越高，需要APU目标线电压越大；因此必须增加转速或者励磁两者中的一项或两项来实现；也即发电机的励磁系统一定能够使得在不同转速下，发电机的线电压特性满足步骤(2.4)、(2.5)条件；

(2.7)确定发电机额定伏安数和转速

按照功率因数为定值0.8计算发电机额定伏安数，

根据柴油机最佳油耗区间所在的转速范围，确定发电机额定转速等级；

(2.8)选择整流器最大通过功率

按照APU最大功率P_{APU_max}的2倍确定整流桥二极管的最大通过功率；

在发动机和发电机都选定后，需要测试发动机和发电机的效率，以确定出发动机和发电机效率是否匹配；

(3)APU中发动机与发电机效率匹配的验证方法

(3.1)固定PWM信号下发电机+整流桥效率测试

选择将发电机转速固定在某一转速下，然后向发电机的励磁系统给定一个确定的PWM信号，并改变发电机的输出电阻，使得发电机+整流桥的输出电流按照一定的间隔变化，记录下发电机转速稳定时，整流桥输出电压和电流，并记录发电机的转速和输入转矩；通过逐次改变发电机的转速，并记录整流桥输出的电压和电流，同时记录发电机的转速和输入转矩，得到同一PWM励磁信号下载发电机工作转速区域内发电机+整流桥的效率η_gen，由公式(18)计算；

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gen}}=9.549\frac{U_{\mathrm{APU}}{I}_{\mathrm{APU}}}{T_e{n}_e}\&times;100\%---\left(18\right)$

(3.2)不同PWM信号下发电机+整流桥效率测试

依次改变发电机的励磁PWM信号，并重复步骤(3.1)中发电机+整流桥效率测试步骤，得到不同发电机的励磁PWM信号下，发电机+整流桥的效率MAP；

(3.3)发动机与发电机效率+整流桥效率区间对比

将发动机的最佳油耗区域和每一个PWM励磁信号下的同步发电机+整流桥效率MAP进行对比，在常用的PWM信号区间内，发动机的最佳油耗区域是否和同步发电机+整流桥效率MAP相重叠，如果基本重叠，则认为发动机和发电机+整流桥的效率匹配；

若发动机和发电机+整流桥的效率MAP在常用PWM信号区域内差别较大，则需要重复步骤(1.8)～(3.3)过程，直到满足(3.3)条件为止；

这样，就得到一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型。

2、根据权利要求1所述的一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型方法，其特征在于，所述发电机的工作转速最大不能超过3000r/min。

3、根据权利要求1所述的一种串联式混合动力车辆辅助动力单元的选型方法，其特征在于，用步骤“

(3.1)发电机+整流桥效率测试替代方法

通过APU的整体性能测试来间接计算发电机+整流桥的效率MAP；

将APU转速固定在某一转速下，然后向发电机的励磁系统给定一个确定的PWM信号，并改变发电机的输出电阻，使得发电机+整流桥的输出电流按照一定的间隔变化，记录下APU恢复至稳态时整流桥输出的电压和电流，并记录发动机的转速和油门开度；通过逐次改变发电机的转速，记录下APU恢复至稳态时整流桥输出的电压和电流，并记录发动机的转速和油门开度；

根据本效率测试前已有的发动机的转速、油门开度和转矩数据，建立发动机的二维转矩MAP；

采用插值方法，以效率测试中记录的转速和油门开度信号为输入量，通过查发动机的二维转矩MAP，间接得到发电机+整流桥效率测试中的发电机输入转矩值；并由式(18)得到同一PWM励磁信号下载发电机工作转速区域内发电机+整流桥的效率η_gen；

(3.2)依次改变发电机的励磁PWM信号，并重复3.3中发电机+整流桥效率测试步骤，得到不同发电机的励磁PWM信号下，发电机+整流桥的效率MAP；”代替步骤“

(3.1)固定PWM信号下发电机+整流桥效率测试

选择将发电机转速固定在某一转速下，然后向发电机的励磁系统给定一个确定的PWM信号，并改变发电机的输出电阻，使得发电机+整流桥的输出电流按照一定的间隔变化，记录下发电机转速稳定时，整流桥输出电压和电流，并记录发电机的转速和输入转矩；通过逐次改变发电机的转速，并记录整流桥输出的电压和电流，同时记录发电机的转速和输入转矩，得到同一PWM励磁信号下载发电机工作转速区域内发电机+整流桥的效率η_gen，由公式(18)计算；

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gen}}=9.549\frac{U_{\mathrm{APU}}{I}_{\mathrm{APU}}}{T_e{n}_e}\&times;100\%---\left(18\right)$

(3.2)不同PWM信号下发电机+整流桥效率测试

依次改变发电机的励磁PWM信号，并重复3.1中发电机+整流桥效率测试步骤，得到不同发电机的励磁PWM信号下，发电机+整流桥的效率MAP；”。

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