新能源汽车发动机-电机集成动力系统模型分析

鹿 攀，张栋省，2，邓 涛，仇 磊

(1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074;2.广东精进能源有限公司精进能源研究院，广东佛山 528305)

随着汽车保有量的增加和汽车产业的快速增长，汽车工业已经成为我国经济发展的重要支柱产业之一。但由于能源日益短缺、环境污染严重及气候变化失调等各方面因素的影响，人们对更清洁、更环保、来源更丰富的新动力展开探索。以电能为动力的汽车成为近几年的研究热点。在纯电动汽车上，动力电池为整车提供动力。但由于动力电池本身存在的一些问题，比如能量密度低、成本高、具有一定安全风险等，使纯电动汽车快速发展及其大范围应用遇到一定困难。作为一种解决方案，增程式发动机-电机集成系统在一定程度上能解决上述问题［1］。作为一种新型化的起动发电一体机，开关磁阻电机(SRM)具有很广的应用市场，能够实现较大速度范围的高效运行。因此，对发动机-SRM集成系统的研究是十分必要的。

1 发动机起动过程阻力矩模型

发动机在起动过程中受到多种机构的阻力作用。其中最主要的几种有活塞裙部、活塞环、气门机构、缸内气体、活塞组、附属机构。这些机构产生一定的阻力，对应的曲轴受到的阻力矩［2］为Tf、Tfrc、Tv、Tg、Tre、Ta。

1.1 活塞裙部、活塞环阻力矩

在开始起动时，发动机内润滑油黏度大、流动性差，不能立即到达各摩擦部件。在低温情况下，汽缸壁与活塞环、活塞裙部间隙较大，润滑油膜难以形成，此时润滑状态为边界润滑，摩擦因数视为常数［3］。

活塞裙部与气缸壁间摩擦力阻力矩为

活塞环与缸壁的摩擦阻力矩为

式(1)、(2)中:β为连杆与活塞中心线的夹角;mj为活塞组的质量;a为活塞往复运动加速度;Ar为活塞环的受力面积;As活塞裙部受力面积;Pgas为气缸压力Pe为活塞环的安装预紧力;μ为润滑油的运动黏度;r为曲轴半径;α为曲柄转角。

1.2 缸内压缩气体阻力矩

压缩空气作用在活塞顶部，推动活塞往复运动，活塞受到吸气、做功时气体的挤压做正功。排气及压缩行程，缸内气体对活塞做负功。Tg计算公式为［4］

式(3)中:P0为大气压力;D为活塞直径;|K(α)|为转换系数，其大小为

1.3 气门机构

在气门机构的摩擦力研究中，Staron和Willermet认为:在气门机构中，有2组连接件之间存在磨损阻力，分别为凸轮与挺杆、摇臂与气门支点之间［5］，并给出了经验公式。摩擦阻力矩的经验公式为

式(5)中:G为一个气缸内含有的所有气门数;Ls为气门弹簧受到的一定力作用下的载荷;ω为曲轴角速度。

1.4 活塞组往复运动惯性力矩

活塞组在高温高压气体的推动下高速运动，在行程终点速度急剧变化，并反向运行。运动状态的剧烈变化产生很大的惯性力矩，计算公式如下:

1.5 附属机构运行阻力矩

附属机构包括水泵、机油泵、油泵、汽车空调以及其他附属机构。附属机构摩擦力矩具体可表示为［6］

式(7)中a3为附属机构载荷系数。

1.6 发动机起动过程总阻力矩

增程式电动三轮车采用168FB发动机，主要参数见表1。发动机气缸所受的总阻力矩为

表1 168FB型发动机相关参数

通过对发动机起动过程中阻力矩的理论分析，结合168FB汽油机的物理参数，利用Matlab/Simulink建立发动机起动模型，改变环境温度，对发动机起动总阻力矩进行仿真，结果见图1。

图1 不同起动温度下发动机阻力矩

图1所示为发动机在-20～20℃环境下阻力矩的变化曲线。随着温度的上升，发动机阻力呈下降趋势。在-20℃时，阻力矩最大，为15 N·m。

2 发动机起动过程动力学分析

发动机起动过程是指从发动机点火开始，可燃混合气燃烧膨胀做功，通过活塞、曲柄连杆机构带动曲轴高速转动，直到发动机达到一定的转速。在此过程中，起动时间是评判汽车动力性能的重要指标之一。

2.1 发动机起动性能要求

在发动机-SRM集成系统中要满足发动机的顺利起动必须满足2个条件:①SRM提供足够大的转矩，能在很短的时间内把发动机拖动到预定转速;②发动机点火前达到一定的点火速度并在气缸中形成一定浓度的可燃混合气。

根据发动机顺利起动要求，发动机-SRM集成系统对SRM的转矩需求及相关约束条件为:

式(9)中:Te为开关磁阻电机转矩;TL为负载转矩;J为转动惯量;˙ω为曲轴的角加速度。

2.2 SRM驱动控制策略

根据分析，发动机曲轴上的阻力矩随转角位置和转速的变化而不断变化，SRM要在0.4 s内把发动机带到800 rad/min。本文根据电机低速下的恒扭矩特性，对电机采用最大转矩控制，保证SRM在低速下按最大扭矩运行，满足发动机起动过程的动力性要求。仿真所用电机主要参数见表2。

表2 SRM主要参数表

3 SRM驱动控制与建模

SRM作为一种新型的机电一体化装置，由开关电路和双凸极磁阻电动机组成。在SRM中，调速系统基本框图如图2所示。

图2 SRM调速系统基本框图

3.1 SRM的数学模型

6/4三相SRM是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，绕组电流的非正弦与铁芯磁通密度的高饱和是SRM运行的两大特点［7］。为了便于分析，假定［8］:

1)三相绕组对称，每相的2个线圈作正向串联，忽略空间谐波。

2)不考虑频率和温度变化对绕组的影响。

3)功率开关器件为理想开关，导通时压降为0，关断时电流为0。

4)忽略铁损，不计涡流和磁滞损耗。

①电路方程

在三相SRM中，电压方程为

式(10)中:k=a，b，c;Uk为k相绕组电压;RS为转子相电阻;ik为k相绕组电流;ψk为k相绕组磁链。

磁链ψk可以表示为

式(11)中，Lk为k相绕组电感。

将式(11)代入(10)，可得电压方程为

②机械方程

转子机械运动方程为

式(13)中的 f为摩擦因数。

3.2 SRM驱动控制模型

在SRM中，控制变量一般有4种:相绕组端电压、相电流、开通角、关断角，对应的符号表示分别为± U、i、θon、θoff。对开关磁阻电机的控制，简单的说就是对上述参数的调节。其中，对开通角和关断角的控制称为角度位置控制方式(APC);对电流直接施加控制称为电流斩波控制方式(CCC);在主开关控制信号中加入PWM，调节占空比D达到控制电压有效值的方式为电压斩波控制方式。本文中采用角度位置控制方式，关系图见图3。

4 发动机-SRM综合建模与仿真

起动过程中发动机-SRM综合模型［9-10］如图4所示。

图3 APC控制时相电流波形

图4 发动机-SRM综合模型

根据建立的起动过程中发动机-SRM综合模型，在Matlab/Simulink平台上，进行发动机与SRM动力学仿真，结果见图5～7。

图5 一相电流波形

由于电机控制为角度位置控制方式，电机相电流对开通角θon、关断角θoff的变化很敏感，随角度的变化产生很大的波动。如图5所示，相电流变化幅度为20 A。

图6、7表明:在发动机-SRM集成系统中，SRM在0.15 s之前转矩波动较大，但总体力矩大于发动机阻力矩，能够在起始阶段拖动发动机运转。之后电机力矩趋于稳定，且仍大于发动机阻力矩。在0.17 s时发动机转速达到800 rpm，能够实现快速起动，表明发动机-SRM集成系统满足动力性要求。

图6 电机转矩波

图7 转速响应波形

5 结论

1)通过建立发动机起动动力学模型，得出发动机不同的运行阻力矩公式，在Matlab/Simulink模型中通过改变外界起动温度，得出阻力矩变化曲线。

2)基于发动机-SRM系统起动过程动力性要求，建立了SRM的数学模型，其中电机控制采用恒转矩控制，驱动控制采用角度位置控制。

3)以发动机起动时的各运行阻力矩作为电机输入负载，对SRM起动性能进行仿真。仿真结果表明:集成系统动力性优异，电机能够在很短的时间里实现发动机的快速起动，证明开关磁阻电机在混合动力汽车中作为拖动电机的前景广阔。

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