CN109849818A - 一种车用辅助动力单元起动发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车用辅助动力单元起动发电系统，在发动机起动过程中，对永磁电机进行恒转矩控制，带动发动机点火，当发动机转速到达怠速转速时，控制永磁电机的输出转矩为零；在发电过程中，根据系统的发电功率请求以及发动机的万有特性曲线查表得到发动机的运行转速指令以及永磁电机的转矩指令值。发动机根据查表得到的转速指令值进行闭环控制，通过实时调节发动机油门开度大小实现发动机转速的稳定。永磁电机根据转矩指令值查表得到转矩电流指令值，通过PI调节器实现电流闭环控制。本发明起动转矩平稳，能够确保发动机成功起动；发电时电能质量高，并且发动机的燃油经济性好。
Description
技术领域
本发明涉及采用辅助动力单元的纯电动或者混合动力车辆领域，尤其涉及一种辅助动力单元起动发电系统及其控制方法。
背景技术
混合动力车辆通过电动助力、制动能量回收等技术实现了优化排放、降低发动机燃油消耗的目的，其核心部分为辅助动力单元起动/发电系统，将此系统设计好是混合动力的重点。所谓起动/发电是依据电机的可逆运行原理，将电机一机两用，作为起动/发电机。在发动机起动阶段，电机作为电动机运行，将电能转化为机械能，带动发动机运行至怠速，起动成功后，发动机能够反过来带动电机运行，将机械能转化为电能，此时电机作为发电机运行。起动/发电使得混合动力系统的体积以及重量减轻，效率得到提高。永磁电机采用高剩磁、高矫顽力、高磁能积的永磁体进行励磁，具有功率密度高、起动转矩大、过载能力强的优点，适合作为起动/发电系统中的电机。日本丰田的“Prius”、本田的“思域”混合动力汽车采用了永磁电机；国产红旗、比亚迪“秦”汽车的混合动力系统也是采用永磁同步电机。永磁电机虽然性能优良，也存在着一些缺点如早期的永磁体价格较高，并且永磁体在高振动、高速、高温的条件下可能出现不可逆退磁的问题，但随着市场需求量增大及永磁材料技术的发展，这些问题已经基本解决。
我国从十五期间863计划开始投入包括混合动力汽车在内的电动汽车研究。针对串联混合动力汽车以及增程式电动汽车进行了一定的研究，取得了一些科研成果。串联混合动力汽车车轮由驱动电机直接驱动，驱动电机的电能依靠动力电池联合辅助动力单元(Auxiliary Power Unit，APU)提供，辅助动力单元由发动机和发电机组成。在该结构中，整车及发动机可以完全解耦运行，使得发动机工况在很大程度上得到优化。但是，发动机输出的机械能经过两次能量转换才到达驱动电机，能量损耗较大，效率较低。因此，为了提高行驶过程中电能利用率，增程式电动汽车逐渐发展起来。增程式电动汽车是指配有地面充电和车载供电功能的纯电驱动的电动汽车，整车在纯电工作模式下可达到其所有的动力性能，而当动力电池无法满足续驶里程要求时，APU开始投入工作，为动力电池充电，以达到延长续驶里程的目的，此时，整车进入混合动力模式。增程式电动车的发动机不参与车轮的驱动，整车结构比较简单，并且动力电池组容量较大，能最大程度的使汽车运行在纯电动模式下。然而，无论是串联混合动力汽车还是增程式电动汽车，都遇到了发动机改进困难的问题，而且混合动力汽车还遇到了油耗高、发动机使用寿命低等问题。
因此，在保证汽车动力性、燃油经济性以及排放性的前提下，需要合理调整辅助动力单元与动力电池之间的能量流动，在设计APU起动发电系统时，应根据发动机的万有特性曲线确定发动机运行高效区，同时避免发动机转速波动太大以及发动机频繁起停，从而减小油耗和尾气排放，提高燃油经济性。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提供一种车用辅助动力单元起动发电系统，能够提高发动机的燃油经济性和系统的工作效率，避免永磁电机转速模式和转矩模式的切换。
技术方案：一种车用辅助动力单元起动发电系统，包括：永磁电机、双向变换器、控制电路、电子控制单元、动力电池、采集电机转子位置信号的旋转变压器、电气负载、采集电机电枢绕组电流的电流传感器、采集直流侧电压的电压传感器；所述旋转变压器、电流传感器检测到的电机转子位置信号、电机电枢绕组电流信号分别发送至控制电路；所述动力电池连接至直流母线两端，提供发动机起动时所需电能以及发电时存储电能，所述电气负载通过开关连接至动力电池两端，所述电子控制单元控制发动机燃油喷射以及发动机点火。
进一步的，所述控制电路包括发动机起动控制、永磁电机发电控制、起动发电切换控制，采用矢量控制算法，输出双向变换器开关管控制信号、发动机油门开度信号以及发动机电子控制单元上电信号。
进一步的，所述发动机起动控制包括：当收到发动机起动指令时，发动机进入起动模式，首先发动机油门开度信号保持为怠速水平，然后给发动机电子控制单元发送上电信号；永磁电机工作在转矩模式，根据实际的发动机起动转矩指令值查电机转矩电流表得到起动状态时的转矩电流指令值，并通过PI调节器实现转矩电流闭环控制，实现恒转矩带动发动机起动，当永磁电机转速超过发动机怠速值时，通过PI调节器实时调整永磁电机输出转矩大小，维持永磁电机转速恒定。
进一步的，所述永磁电机发电控制包括：根据发电功率请求以及发动机万有特性曲线得到发动机转速指令值以及发电时永磁电机转矩指令值，根据发动机转速指令值和永磁电机实测的转速大小，通过PI调节器实时改变发动机油门开度大小，使永磁电机转速跟随发动机转速指令值；根据发电时永磁电机转矩指令值查电机的转矩电流表得到发电状态时的转矩电流指令值，并通过PI调节器实现转矩电流闭环控制，当直流侧母线侧电压超过母线电压限制值时，通过PI调节器实时调整发电状态时的转矩电流指令值，维持直流母线侧电压的恒定。
进一步的，所述起动发电切换控制包括：在发动机起动模式下，发动机油门开度信号为零，对永磁电机进行恒转矩控制，带动发动机点火，永磁电机的转矩电流指令值由发动机起动转矩指令值查表得到；当发动机转速到达怠速转速时，控制永磁电机的输出转矩为零；当有发电功率请求时，根据发电功率请求以及发动机的万有特性曲线查表得到永磁电机发电转速指令值以及永磁电机转矩指令值，发动机加速到发电转速，此时发动机转速PI调节器的输出为油门开度信号；当发电功率请求降为零时，永磁电机的转矩电流指令值首先降为零，然后发动机油门开度信号降为零，发动机进入起动模式，发动机转速维持在怠速状态；当发动机起动指令关闭时，永磁电机的转矩电流指令值首先降为零，然后发动机油门开度信号降为零，最后发动机电子控制单元下电。
进一步的，还包括故障检测和保护控制，包括：在发动机起动过程中，若60s内没有接收到发动机起动成功指令，则报发动机起动超时故障，此时发动机电子控制单元下电，双向变换器的开关管驱动信号关闭；若检测到的电机转速和发动机正常起动时的转速方向相反，且电机转过了一定的角度，则报发动机反转故障，此时发动机电子控制单元下电，双向变换器的开关管驱动信号关闭；在发动机起动或者发电的过程中，若发动机转速超过设定阈值，则报超速故障，在发电过程中，若发动机转速低于一阈值，则报欠速故障，对于超速和欠速故障的处理为功率请求降为零，油门开度信号降为零，电子控制单元下电以及关闭双向变换器的开关管驱动信号。
有益效果：1、本发明的车用辅助动力单元起动发电系统，发动机以恒转矩起动，当发动机起动成功后，永磁电机脱开，输出转矩为零，提高了系统工作效率，且发动机起动带有限速功能，避免了发动机飞车。
2、本发明的车用辅助动力单元起动发电系统，根据发电功率请求和发动机的万有特性曲线查表得到永磁电机发电转速，且通过实时调节发动机油门开度来维持发动机转速的恒定，能够确保发动机的燃油经济性。
3、本发明的车用辅助动力单元起动发电系统，发电模式下具有限压功能，当直流母线侧电压超过一定值时，通过补偿转矩电流指令值，实时调整直流母线侧电压，避免直流母线电压过高。
4、本发明的车用辅助动力单元起动发电系统，在起动模式和发电模式下，永磁电机均工作在转矩模式，避免了转速模式和转矩模式的切换，电机控制简单，有效。
附图说明
图1为本发明的辅助动力单元起动发电系统框图；
图2为控制电路原理图；
图3为发动机起动控制原理图；
图4为发动机限速控制原理图；
图5为永磁电机发电控制原理图；
图6为直流母线侧限压控制原理图；
图7为PI调节器原理图；
图中标号说明：T1、T2、T3、T4、T5、T6为带有反并联二极管的开关管，PWMT1～T6为开关管控制信号，C1为直流侧滤波电容，Ha、Hb、Hc为霍尔电流传感器，ia、ib、ic为三相电枢电流，θ为转子位置角，Udcfdb为实际直流侧母线电压，Engstate、Engstart、Powercmmd分别为发动机状态反馈信号、发动机起动信号、发电功率请求信号，它们均由整车控制单元发出，oilpercent、ECUPoweron/off分别为实际的发动机油门开度信号、发动机电子控制单元上电/下电信号。isqref、igqref分别为起动状态和发电状态时的转矩电流指令值，iqref、idref则分别为实际的转矩电流和励磁电流指令值，iqfdb、idfdb分别为实测的转矩电流和励磁电流，Uq、Ud为交、直轴电压指令值，Oilpers、Oilperg分别为起动状态和发电状态时的发动机油门开度信号，nfdb为实测的电机转速，Fault_Flags为发动机故障类别。Tst为发动机起动转矩参考值，Tref为实际的发动机起动转矩指令值，Tcmp为发动机进入限速后，起动转矩补偿值。nrefss为发动机限速指令值。nref为永磁电机发电转速指令值，Tgen为发电时永磁电机转矩指令值，iqgen为发电时永磁电机转矩电流参考值，iqcmp为直流母线侧电压进入限压后，转矩电流补偿值。Udcref为直流母线侧电压限制值。Xin为PI调节器的输入误差信号，Yout为PI调节器的输出控制信号，kp为比例系数，ki为积分系数，1/s表示积分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
图1显示了本发明的起动发电机系统的一个优选实例的结构图，如图所示，包括：永磁电机、双向变换器、控制电路、电子控制单元(ECU)、动力电池、采集电机转子位置信号的旋转变压器、电气负载、采集电机电枢绕组电流的霍尔电流传感器、采集直流侧电压的电压传感器。该永磁电机的电枢绕组采用星形连接方式，电枢绕组输出端连接至双向变换器的桥臂中点。动力电池连接至直流母线两端，提供发动机起动时所需电能以及发电时存储电能，电气负载通过开关连接至动力电池两端。霍尔电流传感器Ha～Hc、旋转变压器、电压传感器分别检测永磁电机电枢绕组相电流ia～ic、永磁电机转子位置信号以及直流母线侧电压Udcfdb，检测到的信号传输至控制电路，电子控制单元控制发动机燃油喷射以及发动机点火。当收到发动机起动指令Engstart时，控制电路进入起动模式，此时由动力电池通过双向变换器向永磁电机供电，永磁电机做电动运行，带动发动机起动，同时控制电路发出电子控制单元上电信号以及发动机油门开度信号。当收到发电功率请求指令Powercmmd时，控制电路进入发电模式，此时永磁电机发出的三相电经过双向变换器整流后向动力电池充电。
图2为控制电路原理图，如图所示，包括发动机起动控制、永磁电机发电控制、起动发电切换控制以及故障检测和保护。采用励磁电流等于零的矢量控制，在发动机起动模式下，永磁电机实际的转矩电流指令值iqref为isqref，发动机油门开度信号Oilpercent为Oilpers＝0；在发电模式下，永磁电机实际的转矩电流指令值iqref为igqref，发动机油门开度信号Oilpercent为Oilperg，发动机加速到发电转速。检测到的三相电流ia、ib、ic经过坐标变换得到dq轴电流反馈值idfdb、iqfdb，dq轴电流通过PI调节器实现电流闭环控制。当电子控制单元收到发动机起动成功信号时，iqref为零，永磁电机输出转矩为零，发动机工作在怠速状态。根据发动机转速、电机角度以及发动机状态信号进行故障检测、故障类型识别以及故障保护。
图3所示为发动机起动控制原理框图。当收到发动机起动指令时，发动机进入起动模式，首先发动机油门开度信号保持为怠速水平，即发动机油门开度信号Oilpers为零，然后给发动机电子控制单元发送上电信号。永磁电机工作在转矩模式，根据实际的发动机起动转矩指令值Tref查电机转矩电流表得到起动状态时的转矩电流指令值isqref，Tref由发动机起动转矩参考值Tst和起动转矩补偿值Tcmp两部分组成，当发动机进入限速状态后，Tcmp开始作用。图4所示为限速控制原理框图，若电机实际转速nfdb小于发动机限速指令值nrefss，PI调节器的输出为一正值，由于单极性限幅的作用，Tcmp为零，当nfdb大于nrefss时，PI调节器的输出为一负值，Tcmp为一负值，该补偿值能够减小发动机起动转矩，从而减小发动机转速。同时，单极性限幅的最大值为Tst，其目的是为了防止Tcmp大于Tst，使发动机起动转矩指令值为负，造成发动机反转。上述过程中，通过PI调节器实现转矩电流闭环控制，实现恒转矩带动发动机起动，当永磁电机转速超过发动机怠速值时，通过PI调节器实时调整永磁电机输出转矩大小，维持永磁电机转速恒定。
图5所示为永磁电机发电控制原理框图。根据发电功率请求Powercmmd以及发动机万有特性曲线查表得到永磁电机发电转速指令值nref，根据电机实际转速nfdb，通过PI调节器实时调整发动机油门开度信号Oilperg，使永磁电机转速跟随发动机转速指令值，维持发电机发电转速的稳定。根据Powercmmd以及nref计算得到发电状态时永磁电机转矩指令值Tgen，然后查表得到此时的转矩电流参考值iqgen，iqgen减去转矩电流补偿值iqcmp然后反相得到发电状态时的转矩电流指令值igqref，反相是因为发电时永磁电机的转矩为阻转矩，和电动时刚好相反。
图6所示为限压控制原理框图，若直流母线侧实际电压Udcfdb小于直流母线侧电压限制值Udcref，PI调节器的输出为一正值，由于单极性限幅的作用，iqcmp为零，当Udcfdb大于Udcref时，PI调节器的输出为一负值，iqcmp为一负值，该补偿值能够减小发电状态时永磁电机的阻转矩，从而减小直流侧母线电压。同时，单极性限幅的最大值为iqgen，其目的是为了防止iqcmp大于iqgen，使得发电状态时永磁电机的输出转矩为驱动转矩，造成发动机转速波动以及直流侧母线电压震荡。上述过程中，通过PI调节器实现转矩电流闭环控制，当直流侧母线侧电压超过母线电压限制值时，通过PI调节器实时调整发电状态时的转矩电流指令值，维持直流母线侧电压的恒定。
图6所示为PI调节器结构图，采用串联结构形式，并带有抗积分饱和功能，输出误差Xin分别经过比例、积分运算后求和，然后经过限幅模块后输出控制量Yout。
当发电功率请求降为零时，永磁电机的转矩电流指令值首先降为零，然后发动机油门开度信号降为零，发动机进入起动模式，发动机转速维持在怠速状态；当发动机起动指令关闭时，永磁电机的转矩电流指令值首先降为零，然后发动机油门开度信号降为零，最后发动机电子控制单元下电。
故障检测和保护控制包括：在发动机起动过程中，若60s内没有接收到发动机起动成功指令，则报发动机起动超时故障，此时发动机电子控制单元下电，双向变换器的开关管驱动信号关闭。若检测到的电机转速和发动机正常起动时的转速方向相反，且电机转过了一定的角度，则报发动机反转故障，此时发动机电子控制单元下电，双向变换器的开关管驱动信号关闭。在发动机起动或者发电的过程中，若发动机转速超过设定阈值，则报超速故障，在发电过程中，若发动机转速低于设定阈值，则报欠速故障，对于超速和欠速故障的处理为功率请求降为零，油门开度信号降为零，电子控制单元下电以及关闭双向变换器的开关管驱动信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种车用辅助动力单元起动发电系统，其特征在于，包括：永磁电机、双向变换器、控制电路、电子控制单元、动力电池、采集电机转子位置信号的旋转变压器、电气负载、采集电机电枢绕组电流的电流传感器、采集直流侧电压的电压传感器；所述旋转变压器、电流传感器检测到的电机转子位置信号、电机电枢绕组电流信号分别发送至控制电路；所述动力电池连接至直流母线两端，提供发动机起动时所需电能以及发电时存储电能，所述电气负载通过开关连接至动力电池两端，所述电子控制单元控制发动机燃油喷射以及发动机点火。
2.根据权利要求1所述的车用辅助动力单元起动发电系统，其特征在于，所述控制电路包括发动机起动控制、永磁电机发电控制、起动发电切换控制，采用矢量控制算法，输出双向变换器开关管控制信号、发动机油门开度信号以及发动机电子控制单元上电信号。
3.根据权利要求2所述的车用辅助动力单元起动发电系统，其特征在于，所述发动机起动控制包括：当收到发动机起动指令时，发动机进入起动模式，首先发动机油门开度信号保持为怠速水平，然后给发动机电子控制单元发送上电信号；永磁电机工作在转矩模式，根据实际的发动机起动转矩指令值查电机转矩电流表得到起动状态时的转矩电流指令值，并通过PI调节器实现转矩电流闭环控制，实现恒转矩带动发动机起动，当永磁电机转速超过发动机怠速值时，通过PI调节器实时调整永磁电机输出转矩大小，维持永磁电机转速恒定。
4.根据权利要求2所述的车用辅助动力单元起动发电系统，其特征在于，所述永磁电机发电控制包括：根据发电功率请求以及发动机万有特性曲线得到发动机转速指令值以及发电时永磁电机转矩指令值，根据发动机转速指令值和永磁电机实测的转速大小，通过PI调节器实时改变发动机油门开度大小，使永磁电机转速跟随发动机转速指令值；根据发电时永磁电机转矩指令值查电机的转矩电流表得到发电状态时的转矩电流指令值，并通过PI调节器实现转矩电流闭环控制，当直流侧母线侧电压超过母线电压限制值时，通过PI调节器实时调整发电状态时的转矩电流指令值，维持直流母线侧电压的恒定。
5.根据权利要求2所述的车用辅助动力单元起动发电系统，其特征在于，所述起动发电切换控制包括：在发动机起动模式下，发动机油门开度信号为零，对永磁电机进行恒转矩控制，带动发动机点火，永磁电机的转矩电流指令值由发动机起动转矩指令值查表得到；当发动机转速到达怠速转速时，控制永磁电机的输出转矩为零；当有发电功率请求时，根据发电功率请求以及发动机的万有特性曲线查表得到永磁电机发电转速指令值以及永磁电机转矩指令值，发动机加速到发电转速，此时发动机转速PI调节器的输出为油门开度信号；当发电功率请求降为零时，永磁电机的转矩电流指令值首先降为零，然后发动机油门开度信号降为零，发动机进入起动模式，发动机转速维持在怠速状态；当发动机起动指令关闭时，永磁电机的转矩电流指令值首先降为零，然后发动机油门开度信号降为零，最后发动机电子控制单元下电。
6.根据权利要求2-5任一所述的车用辅助动力单元起动发电系统，其特征在于，还包括故障检测和保护控制，包括：在发动机起动过程中，若60s内没有接收到发动机起动成功指令，则报发动机起动超时故障，此时发动机电子控制单元下电，双向变换器的开关管驱动信号关闭；若检测到的电机转速和发动机正常起动时的转速方向相反，且电机转过了一定的角度，则报发动机反转故障，此时发动机电子控制单元下电，双向变换器的开关管驱动信号关闭；在发动机起动或者发电的过程中，若发动机转速超过设定阈值，则报超速故障，在发电过程中，若发动机转速低于设定阈值，则报欠速故障，对于超速和欠速故障的处理为功率请求降为零，油门开度信号降为零，电子控制单元下电以及关闭双向变换器的开关管驱动信号。
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