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CN103204069B - 一种电动汽车增程器及控制方法 - Google Patents

一种电动汽车增程器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车增程器及控制方法，由发动机、发动机ECU、电子节气门控制器、直流起动机、发动机转速传感器、交流永磁同步电机、三相全控整流器、滤波电容、电压采样电阻、电流传感器、续流二极管和三相全控整流调压移相触发器组成。发动机由起动机启动后拖动交流永磁同步电机发电输出三相交流电压到晶闸管三相全控整流器，整流器输出的直流脉动电压经两个串联滤波电容滤波后，三相全控整流调压移相触发器采集增程器输出电压和电流得到输出功率，并根据功率调整导通角实现的功率闭环控制。电子节气门控制器采集发动机转速，调整节气门开度，实现发动机转速的闭环控制。本发明公开的电动汽车增程器及控制方法具有成本低、控制精度高的优点。

Description

一种电动汽车增程器及控制方法
技术领域
本发明主要涉及一种电动汽车技术，特指一种电动汽车增程器及其控制方法。
背景技术
随着石油资源的日益枯竭以及人们对环境要求的不断提高，电动汽车由于不消耗石油。清洁无污染正逐步成为世界汽车市场的发展方向。但是受限于电池的能量密度、充电速度以及成本，电动汽车的价格比普通内燃机汽车要高出很多，并且续驶里程也很有限，因此电动汽车的消费者接受度还很低，很大程度上限制了电动汽车的发展。
为了解决由电池技术造成的续驶里程问题，增程式电动汽车作为一种既能兼顾日常行驶的电动化、零排放要求与远程出行的长续驶里程，并且成本较低的车型，正逐步成为各大汽车厂商和研究机构的要求热点。
现有的增程式电动汽车的机构如图2所示，主要由增程器、动力电池和电驱动系统构成。动力电池的容量一般远小于普通电动汽车，能够满足绝大多数的日常行驶里程需求；电驱动系统包括主驱动电机、主驱动电机控制器，主驱电机构成了车辆行驶的直接动力来源；当电池容量下降到一定值时，增程器启动，为车辆提供额外的电力来源。
现有的增程器一般包括发动机、ISG(Integrate Starter&Generator 汽车起动发电一体机)电机、ISG电机控制器、发动机ECU(Electronic Control Unit 电子控制单元)和增程器控制单元。发动机是增程器的动力来源，一般选用小功率的汽油机；ISG电机一般采用三相永磁同步电机，该电机即可以工作于电动机模式，负责发动机的启动，又可以工作于发电机模式，负责增程器的发电；ISG电机控制器主要负责对ISG电机的控制，ISG电机控制器即可工作于逆变模式，用于控制ISG电机拖动发动机的启动，又可以工作于整流模式，用于对ISG电机发出的三相交流电压的整流；和传统的发动机ECU一样，增程器的发动机ECU负责发动机内部各传感器信号的采集和喷油量、点火时间等的计算；增程器控制单元主要用于接收整车控制器指令，协调发动机ECU和ISG电机控制器的工作。
增程器工作时整车控制器发送增程器启动信号给增程器控制单元，增程器控制单元发送启动指令给发动机ECU和ISG电机控制器，发动机ECU采集发动机内各传感器信号做好发动机的启动准备，此时ISG电机控制器工作于逆变模式、ISG电机工作于电动机模式，ISG电机拖动发动机至一定的转速发动机启动，发动机启动后，ISG电机控制器工作于整流模式、ISG电机工作于发电机模式，发动机拖动ISG电机， ISG电机发出的三相交流电压经ISG电机控制器整流和滤波处理后输出直流电压，与整车的直流母线相连，为整车提供额外的电能。
现有的电动汽车增程器存在以下缺点：
1、不同于混合动力汽车中的ISG电机经常于电动机模式和发电机模式之间的切换，增程器一般在电动汽车动力电池的容量下降到一定程度后启动，启动后会一直工作于发电机模式，直至本次行驶结束或者动力电池容量达到最大限值，除了启动的瞬间，只有很少时间工作于电动机模式。而对于发动机的启动而言，需要很高的瞬时转矩和瞬时功率，这意味着ISG电机控制器必须有充足的VA(伏安)容量，那么ISG电机控制器的成本势必很高。一台常见的永磁同步电机控制器的电路结构如图3所示，它由六只全控型功率开关管(绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者金属半导体氧化物场效应晶体管(MOSFET))构成的逆变电路、功率开关管驱动电路、微控制器处理电路、两只或者三只霍尔电流传感器、转速/位置检测电路以及开关电源、显示、接口和通信电路组成。电路系统较复杂，精密的转速/位置传感器以及高VA容量要求的大功率全控型功率开关管和霍尔电流传感器的价格都很昂贵，这极大的增加了整车成本。
2、ISG电机控制器控制系统的结构如图4所示，即按转子磁链定向空间矢量PWM（Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制）控制系统。该控制系统通常由转速PI(Proportional Pntegral比例-积分)调节器、直轴电流PI调节器、交轴电流PI调节器、两相旋转坐标系—三相静止坐标系变换(2r/3s变换)、三相静止坐标系—两相旋转坐标系变换(3s/2r变换)、弱磁调节器、空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)实现算法组成。算法流程复杂且涉及较多的浮点数运算，实时性要求高，系统调试复杂，具有很高的开发难度。
3、通常的增程式电动汽车采用增程器恒功率控制算法或者功率跟随控制算法，电动汽车工作时，由于路况、驾驶习惯的不同，以及制动能量回馈的因素，整车的功率需求变化较大，功率需求的波动会造成直流母线电压的波动，通常这种电压波动范围为0.7U N ~1.0 U N ，U N 为直流母线的额定电压。这给增程器的恒定功率输出带来了很大的挑战。ISG电机控制器内部的整流机构为二极管不可控整流，输出功率是通过调整制动转矩实现的，是一种间接控制方法，输出功率的响应速度慢、精度较低。
4、发动机转速采用开环控制，发动机的转速波动较大，造成发动机不能保持在高效工作区域，进一步造成了整车的燃油经济性的降低。
鉴于现有的电动汽车增程器的成本较高、开发难度大、燃油经济性较差等缺点，市场急需一种成本低、结构简单、控制效果优良的电动汽车增程器。
发明内容
本发明提供了一种成本低、结构简单、控制效果优良的电动汽车增程器装置及其控制方法，用于解决现有电动汽车增程器成本高、开发难度大、控制效果差的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种电动汽车增程器，其结构包括发动机、发动机ECU、电子节气门控制器、直流起动机、发动机转速传感器、交流永磁同步电机、三相全控整流器、滤波电容、电压采样电阻、电流传感器、续流二极管和三相全控整流调压移相触发器，其特征在于：直流起动机经由接触器与12V蓄电池连接；发动机和直流起动机、发动机EAC、电子节气门控制器、发动机转速传感器、交流永磁同步电机相连接，电子节气门控制器连接着发动机转速传感器；交流永磁同步电机和三相全控整流器的交流侧相连；三相全控整流器由六只晶闸管构成，其直流侧两端与滤波电容、电压采样电阻，续流二极管并联；滤波电容由两只以上的电解电容构成；电压采样电阻由两只以上电阻构成；三相全控整流调压移相触发器和电压采样电阻相连，并通过电流传感器和滤波电容相连。上述发动机为10KW~30KW的小功率汽油机。
上述发动机为10KW~30KW的小功率汽油机。
上述交流永磁同步电机为三相电机；
上述交流永磁同步电机通过皮带、齿轮和发动机连接，或者和发动机同轴连接；
上述电流传感器为霍尔电流传感器。
上述续流二极管为大容量的肖特基二极管；
上述滤波电容由两只串联的同等耐压值、同等容量的电解电容构成。
上述电压采样电阻由两只电阻构成。
本发明同时提供一种电动汽车增程器恒功率控制方法，其特征在于：采用基于权利要求1-8中任一项所述的电动汽车增程器结构，三相全控整流调压移相触发器采集由电压采样电阻分压得到的系统输出电压和由电流传感器得到的系统输出电流I 1f，系统的输出电压和输出电流I 1f相乘得到系统的输出功率P f，该输出功率P f与设定功率P *的差值作为功率PI(比例-积分)调节器的输入，功率PI调节器的输出为系统的目标输出电流                                                ,电流PI调节器根据系统输出电流I 1f与由功率PI调节器输出的目标输出电流的之间的差值，调整移相触发电路的导通角，构成电流控制内环，实现系统电流的闭环控制, 进而构成功率控制外环，实现三相全控整流器的功率闭环控制，即增程器功率的恒定。
本发明还提供一种电动汽车增程器恒转速控制方法，其特征在于，采用基于权利要求1-8中任一项所述的电动汽车增程器结构，由电子节气门采集发动机转速传感器输出的转速信号，根据转速信号与由增程器的输出功率和发动机的高效工作区域决定的设定转速n *的差值，进行转速PI调节，转速PI调节器输出的节气门开度目标值W *和节气门实际开度W f的差值作为节气门开度PI调节器的输入进行开度调节，节气门开度PI调节器输出的节气门驱动电机电枢目标电流值与实际电流值I 2f之差作为电流PI调节器的输入，电流PI调节器输出的PWM（脉冲宽度调制）占空比信号经过驱动电路与节气门驱动电机相连，实现节气门开度的调节，进而实现发动机转速的恒定。
具体工作方式为：
发动机ECU接收由整车控制器发出的启动信号，电子节气门控制器调整节气门的开度，由和12V蓄电池连接的直流起动机将发动机启动，发动机转速稳定在设定转速之前，三相全控整流调压移相触发器的导通角为90°。
增程器启动时，由连接12V蓄电池的直流起动机拖动发动机启动增程器；
发动机启动后拖动交流永磁同步电机输出三相交流电压到三相全控整流器；
三相全控整流器包括六只半控型晶闸管，六只晶闸管连接成三相全控型整流电路。
三相全控整流器的输出的脉动直流电压经滤波电容进行滤波处理；
三相全控整流调压移相触发器采集由两只电阻分压得到的系统输出电压和由霍尔电流传感器采集到的系统输出电流，由电压和电流得到系统的输出功率，并根据输出功率调整触发器的导通角，实现增程器的恒功率输出；
电子节气门控制器采集发动机的转速传感器输出的转速信号，实现发动机转速闭环控制。
采用上述结构的电动汽车增程器，其发动机转速恒定在由增程器的输出功率和发动机的高效工作区域决定的恒定转速，增程器的功率输出保持在设定的功率点。
本发明有如下有益效果：
本发明提供的电动汽车增程器装置，发动机由传统的12V直流起动机启动，避免了由六只绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者金属半导体氧化物场效应晶体管(MOSFET)等全控型功率器以及两只或者三只霍尔电流传感器、精密转速/位置传感器构成的价格昂贵的ISG电机控制器，有效的降低了系统的硬件成本。
三相交流永磁同步电机输出的交流电压信号经由六只晶闸管构成的三相全控整流、两只同等容量和耐压值的电解电容滤波处理后，输出直流电压，三相全控整流调压移相触发器采集由霍尔电流传感器输出的系统电流信号和由两只电阻分压处理后的电压信号，分别构成电流闭环PI调节和功率PI闭环调节，通过控制六只晶闸管的导通角实现增程器的恒定功率输出，其功率控制精度比现有的ISG电机控制器的功率控制精度有较大的提高。
通过电子节气门对发动机转速的闭环调节，实现了增程器恒功率输出时发动机转速的恒定，发动机恒定保持在其高效区域，降低了发动机转速频繁波动造成的燃油效率降低，提高了整车的燃油经济性。
附图说明
图1是本发明提供的电动汽车增程器装置示意图；
图2是现有的增程式电动汽车动力系统构成示意图；
图3是常见的ISG电机控制器硬件结构示意图；
图4是ISG电机控制器通常采用的按转子磁链定向矢量控制系统示意图；
图5是本发明提供的增程器恒功率输出控制系统示意图；
图6是本发明提供的发动机转速控制系统示意图；
图7是增程器恒功率输出时系统电压和电流关系示意图。
具体实施方式
本发明提供的电动汽车增程器及其控制方法如图1、图5和图6所示。
如图1所示，一种电动汽车增程器，其硬件构成包括发动机、发动机ECU、电子节气门控制器、直流起动机、发动机转速传感器、交流永磁同步电机、三相全控整流器、滤波电容、电压采样电阻、电流传感器、续流二极管和三相全控整流调压移相触发器。
根据车辆配置的不同，发动机一般为10KW~30KW的小功率汽油机；
发动机ECU和传统车辆的ECU一样，由整车控制器发送启动命令，发动机负责ECU采集机油压力、水温、曲轴位置等信号并对喷油量、点火时间等信息进行计算，保证内燃机的正常运行；
电子节气门控制器负责对节气门开度的调节，它接收整车控制器发送的发动机目标转速，并根据实际发动机转速与目标转速的差值进行发动机转速PI调节，实现发动机转速的闭环控制；
直流起动机和普通的汽车起动机一样，经由接触器与12V蓄电池连接，该接触器的控制端子由整车控制器控制，整车控制器发出启动命令时，接触器闭合，起动机将发动机拖到启动转速，完成发动机启动；
交流永磁同步电机一般为三相电机，在本发明提供的电动汽车增程器中作为发电机使用，由发动机拖动，一般由皮带、齿轮和发动机连接，或者和发动机同轴连接；
三相全控整流器由六只晶闸管构成，交流侧连接交流永磁同步电机发出的三相交流电压，直流侧两端与滤波电容相连；
滤波电容负责对三相全控整流器输出的直流脉动电压进行滤波处理。滤波电容采用两只串联的同等耐压值、同等容量的电解电容构成，采取串联结构可以解决单只电容耐压不足的问题，同时也可以避免电解电容击穿短路造成的系统短路；
电压采样电阻由两只电阻经过分压构成，经分压处理后得到的电压值一般为0~5V，因此要根据系统电压的波动区间合理的选择分压电阻；
电流传感器为霍尔电流传感器，这种传感器能够实现采集电路与功率电路的隔离，同时具有采样精度高的优点；
续流二极管为大容量的肖特基二极管，具有反向恢复时间短的优点，为系统的阻感负载提供反向电流通道；
三相全控整流调压移相触发器为三相全控整流电路提供触发脉冲，与其他移相触发器不同的是，这里它通过对系统输出电压和电流的采集，调整触发脉冲的导通角，实现整流电路的功率闭环控制，进而实现增程器的恒功率输出；
增程器的给定功率是由整车控制器根据整车控制策略发给三相全控整流调压移相触发器的，常见的控制策略包括恒功率策略和功率跟随策略。恒功率策略即增程器工作时，其功率保持恒定输出，该功率值一般为由增程器的工作转速和发动机的高效运行区域共同决定的某一功率值，该值同时要略小于或者等于动力电池的额定充电功率，并且当车辆制动能量回馈时，该值要根据制动能量回馈的功率适当的减小，以避免充电功率过大对动力电池造成的损伤或者寿命缩短；功率跟随策略即增程器的输出功率跟随着整车的功率波动输出，采用功率跟随策略可以降低频繁充放电对动力电池造成的损害，但是由于整车运行区间功率波动范围较大，整车功率需求计算模型复杂，很难取得良好的控制效果。
当整车控制器根据整车的控制策略要求增程器启动时，首先向发动机ECU、电子节气门控制器以及三相全控整流调压移相触发器发送启动命令，此时电子节气门控制器将节气门调整至启动开度、三相全控整流调压移相触发器将三相全控整流桥的导通角设置为90°，并将起动机接触器吸合，起动机将发动机的拖到启动转速后，完成发动机的启动。待发动机转速稳定至设定转速后，三相全控整流调压移相触发器开始启动功率闭环控制。
增程器工作过程中，由于电动汽车的整车需求功率不断变化，造成直流母线电压的波动，通常这种电压波动范围为0.7U N ~1.0 U N ，U N 为直流母线的额定电压，这种电压波动造成使得三相全控整流调压移相触发器只有通过不断的调整三相全控整流桥的导通角度才能使增程器输出功率恒定。
三相全控整流调压移相触发器功率闭环控制系统的结构如图5所示，三相全控整流调压移相触发器采集由电压采样电阻分压得到的系统输出电压和由电流传感器得到的系统输出电流I 1f，系统的输出电压和输出电流I 1f相乘得到系统的输出功率P f，该输出功率P f与设定功率P *的差值作为功率PI调节器的输入，功率PI调节器的输出为系统的目标输出电流,电流PI调节器根据系统输出电流I 1f与由功率PI调节器输出的目标电流值的之间的差值，调整移相触发电路的导通角，构成电流控制内环，实现系统电流的闭环控制, 同时也构成了功率控制外环，实现三相全控整流器的功率闭环控制。
这种功率闭环本质上是当整车直流母线波动时，通过调整三相全控整流电路的导通角，进而调整增程器的输出电压Uout，更近一步的调整增程器的输出电流Iout，从而达到输出功率恒定的目的。增程器输出电压Uout、电流Iout以及功率之间的关系如图7所示。
发动机的工作转速由整车控制器根据系统配置发给电子节气门控制器，电子节气门控制器采集发动机的转速，调整节气门的开度，实现对发动机转速的闭环控制。这里的工作转速n由动力电池的标称电压U C 、永磁同步电机的反电势常数E R 以及发动机的经济运行转速区间决定。一般取，并且应合理设计U C 和E R 使n位于发动机的经济运行转速区域。
发动机工作时，由于负载的波动和整车振动等外界干扰，容易造成转速的波动。转速的波动使发动机经常工作于瞬态过程，造成了发动机效率的降低。为了克服发动机的转速波动，采取发动机转速闭环控制，控制系统结构如图6所示。电子节气门采集发动机转速传感器输出的转速信号，根据转速信号与由增程器的输出功率和发动机的高效工作区域决定的设定转速n *的差值，进行转速PI(比例-积分)调节，转速PI调节器输出的节气门开度目标值W *和节气门实际开度W f的差值作为节气门开度PI调节器的输入进行开度调节，节气门开度PI调节器输出的节气门驱动电机电枢目标电流值与实际电流值I 2f之差作为电流PI调节器的输入，电流PI调节器输出的PWM占空比信号经过驱动电路与节气门驱动电机相连，实现节气门开度的调节，进而实现发动机转速的恒定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电动汽车增程器，其结构包括发动机、发动机ECU、电子节气门控制器、直流起动机、发动机转速传感器、交流永磁同步电机、三相全控整流器、滤波电容、电压采样电阻、电流传感器、续流二极管和三相全控整流调压移相触发器，其特征在于：直流起动机经由接触器与12V蓄电池连接；发动机和直流起动机、发动机EAC、电子节气门控制器、发动机转速传感器、交流永磁同步电机相连接，电子节气门控制器连接着发动机转速传感器；交流永磁同步电机和三相全控整流器的交流侧相连；三相全控整流器由六只晶闸管构成，其直流侧两端与滤波电容、电压采样电阻，续流二极管并联；滤波电容由两只以上的电解电容构成；电压采样电阻由两只以上电阻构成；三相全控整流调压移相触发器和电压采样电阻相连，并通过电流传感器和滤波电容相连。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述发动机为10KW~30KW的小功率汽油机。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述交流永磁同步电机为三相电机。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述交流永磁同步电机通过皮带、齿轮和发动机连接，或者和发动机同轴连接。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述电流传感器为霍尔电流传感器。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述续流二极管为大容量的肖特基二极管。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述滤波电容由两只串联的同等耐压值、同等容量的电解电容构成。
8.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述电压采样电阻由两只电阻构成。
9.一种电动汽车增程器恒功率控制方法，其特征在于：采用基于权利要求1-8中任一项所述的电动汽车增程器结构，三相全控整流调压移相触发器采集由电压采样电阻分压得到的系统输出电压和由电流传感器得到的系统输出电流I 1f，系统的输出电压和输出电流I 1f相乘得到系统的输出功率P f，该输出功率P f与设定功率P *的差值作为功率PI(比例-积分)调节器的输入，功率PI调节器的输出为系统的目标输出电流                                               ,电流PI调节器根据系统输出电流I 1f与由功率PI调节器输出的目标输出电流的之间的差值，调整移相触发电路的导通角，构成电流控制内环，实现系统电流的闭环控制, 进而构成功率控制外环，实现三相全控整流器的功率闭环控制，即增程器功率的恒定。
10.一种电动汽车增程器恒转速控制方法，其特征在于，采用基于权利要求1-8中任一项所述的电动汽车增程器结构，由电子节气门采集发动机转速传感器输出的转速信号，根据转速信号与由增程器的输出功率和发动机的高效工作区域决定的设定转速n *的差值，进行转速PI调节，转速PI调节器输出的节气门开度目标值W *和节气门实际开度W f的差值作为节气门开度PI调节器的输入进行开度调节，节气门开度PI调节器输出的节气门驱动电机电枢目标电流值与实际电流值I 2f之差作为电流PI调节器的输入，电流PI调节器输出的PWM（脉冲宽度调制）占空比信号经过驱动电路与节气门驱动电机相连，实现节气门开度的调节，进而实现发动机转速的恒定。
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