汽车发动机电动增压技术研究

许为亮 李 乐 喻 凡 刘 宁(. 上海交通大学 汽车工程研究院底盘所, 0040;. 联合汽车电子有限公司, 上海 006)

汽车发动机电动增压技术研究

许为亮1李 乐1喻 凡1刘 宁2
(1. 上海交通大学 汽车工程研究院底盘所, 200240;2. 联合汽车电子有限公司, 上海 201206)

首先基于文献调研的基础上，对电动增压技术的研究目的、分类、结构布置、和发展现状进行了综述和分析。然后，主要针对电驱动压气机增压应用技术，分析了电动增压器的安装位置及其影响，并对其电源和电机的选型及影响进行了分析。最后，为了提高增压压力的响应速度并同时保证系统的稳定性，提出了一个前馈和反馈相结合的闭环控制策略，并基于所建立的GT-POWER和Matlab/Simulink联合仿真平台，验证了该控制策略的有效性，仿真结果显示系统的瞬态响应性能显著提高，稳态误差也保持在一个合理范围内。

电动增压 控制策略 联合仿真 瞬态响应性能

0 引言

目前发动机小型化已经成为降低CO2排放的主要手段之一。运用涡轮增压技术，可显著提高发动机燃油经济性和动力性。然而，传统的增压技术还具有如下的不足：涡轮增压器在瞬态工况下(特别是在较低发动机转速时)，会存在增压滞后问题[1]。电动增压技术利用高速电机驱动压气机，由于电机的快速响应，发动机低转速时能够无滞后增压，与电动增压器并联一个旁通阀，可以避免非增压工况时的节气损失。由于跟发动机之间无需机械连接，因此电动增压器安装自由度更高。此外，电动增压器无需改变发动机排气端，不会因涡轮的存在而影响催化剂的预热，从而可以改善发动机排放。

由于电动增压器良好的应用前景，近年来学术界对此研究从来没有间断过。S. George等人分别在2003年、2004年对电动增压器的在发动机稳态和瞬态工况做了研究，前者研究电动增压器独立工作，验证了独立工作电动增压器的稳态性能[2]，而后者将电动增压器和涡轮增压器串联，研究瞬态工况增压效果，并提出了根据电路电压、电流以及温度等条件对电动增压器转速限值的概念[3]。同期，Alain Lefebvre等人对电动增压技术做了一系列性能测试，包括对不同参数的电动增压器，还有在变速变载荷工况下电动增压器表现出的瞬态效果[4]。目前国内学术界对电动增压器也做出了一定的研究，如天津大学的姚春德教授，其研究方向主要包括电动增压器设计和改善柴油机动态工况等[5]。

在电动增压器商用方面，很多供应商也从预研迈向了设计开发这一步了，其中具有代表性的公司有法雷奥，博格华纳和皮尔博格等，其开发的电动增压器通常配合传统涡轮增压器，用于克服瞬态工况下的增压迟滞。而Aeristech公司做的电动增压功能更强大，可以在稳态工作，能持续工作的电流和转速也相当高，甚至可以通过单一的电动增压满足发动机动力性需求[6]，但尚仍处于小批量试用阶段。一些整车厂也对这项技术表示感兴趣，奥迪首款运用电动增压器技术的SQ5也已经正式批产了[7]。

基于当前电动增压技术的研究现状，论文针对汽油机介绍了电动增压技术的分类(包括电动涡轮增压和电驱动压气机增压，重点针对电驱动压气机增压技术，分别对电动增压器在发动机进气路中安装位置及其影响分析以及电动增压器的电源和电机选择及其影响进行了分析；提出电动增压器的控制策略，最后通过联合仿真验证了电动增压器对提升发动机瞬态响应性能的有效性。

1 电动增压技术分类和比较

1.1 两种电辅助增压概念

电动增压结构形式是多种多样的，根据电机的位置和作用将电动增压器分为如下两种:电驱动压气机增压器和电动涡轮增压器[8]。电驱动压气机结构如图1所示，电动增压器与涡轮增压器串联，并与一个旁通阀并联，电动增压器工作时，旁通阀关闭，空气经过电动增压器增压进入发动机；电动增压器不工作时，旁通阀打开。而电动涡轮增压器结构如图2所示，其工作原理是：在发动机低速大负荷工况下，废气的能量不能产生足够的增压压力，此时，电机充当电动机提供驱动力；在涡轮增压过度时，电机充当发电机，将多余的能量转化成电能。

图1 电驱动压气机增压器结构图Fig.1 Structure of the electrically driven compressor

图2 电动涡轮增压器结构图Fig.2 Structure of the electrically turbocharger

1.2 两种电辅助增压比较

从如下几个方面对两种电辅助增压概念做了比较：1) 能否提高发动机稳态和瞬态性能、拓宽压气机MAP的潜力，2) 转子的惯性大小,3) 机械和热负荷大小，4) 冷却性能，5) 能量能否回收，6) 安装的便利性。

相比于电动涡轮增压机，电驱动压气机增压器可以拓宽增压特性图，叶片转动惯量小，而且机械和热负荷也相对较低。两者都需要更大的安装空间或者其他零件。电驱动废气涡轮增压器在可能量回收这一方面较有优势，但此功能比较复杂，其有效性仍需要验证。因此博格华纳更倾向于电驱动压气机增压概念。目前，一些公司已经对于这种电动增压器的结构形式做了很多研究了，比如法雷奥(electric supercharger)、博格华纳(eBooster)、皮尔博格(electric air charger)等。

2 电动增压器安装位置影响分析

电动增压器位于发动机的进气端，与废气涡轮增压器串联，所以电动增压器安装位置至少可以分为两种，一种是将电动增压器放置于涡轮增压器前段，另一种是放置其后段。

法雷奥和皮尔博格针对电动增压器安装位置分析时考虑了以下几种影响因素，并得到了相似的结论：1) 对于瞬态工况扭矩提升而言，电动增压器安装位置越靠近进气歧管，其响应性则越好。2) 对于安装便利性，因为涡轮增压器上游的管路比下游的管路长，所以涡轮增压器上游安装电动增压器的自由度更高。3) 对于电动增压器热负荷而言，电动增压器直接放置于涡轮增压器之后的这种情况的热负荷是最大的，直接放置于中冷器之后热负荷最小。4) 对于涡轮增压器的热负荷而言，当新鲜空气直接进入涡轮增压器时，热负荷是最小的，若是经过电动增压器增压过的空气再经过涡轮增压器，则涡轮增压器的热负荷会比较高。5) 对于对电动增压器可能会产生的腐蚀而言，在电动增压器直接放置于涡轮增压器之后的这种情况下，其腐蚀性最高，放置于前腐蚀性最低，其次，放置后面，离得越远，腐蚀性就越小。图3是皮尔博格对电动增压器各种布置位置的分析。

CharacteristicPosition4321Transientbehaviourofcombustionengine+++00Averagecompressorefficiency+++-0Enablerforemissionreduction+++0-Riskoffouting/corrosion/formationoftacquer0-+++Thermomechanicalstress0-+++

图3 电动增压器安装位置效果对比
Fig.3 Comparison of locations of the electric supercharger

皮尔博格优先选择电动增压器位于下游的布置方式。博格华纳也做了大量类似的研究，选择了将电动增压器放在下游且位于中冷器上游的布置方式。

在整车应用方面，使用法雷奥电动增压的奥迪已经将电动增压技术应用到其TDI型RS5试验车上，其结构位于二级涡轮增压的下游，且也在中冷器的下游[9]。

3 电动增压器电源和电机

博格华纳、法雷奥和皮尔博格目前都提供有48V和12V两种电压配置的电动增压器，相应的，电池电压越高，同等功率的情况下电路电流也就相对较低。由于电动增压器的高功率，48V系统是首选。48V系统具有如下的优势：1) 电能回复快；2) 电机功率增加。Kazuhiro Nishiwaki等人对48V电压做了有关研究得到：48V电压不仅可以更快速的响应，达到更高的压比，而且连续工作的时间更长。此外，48V电动增压器可以达到更高的功率，因此可以覆盖更广阔的压气机特性区域[10]。奥迪在其电动增压器试验车上配置48V电压系统。如图4所示，12V电池通过DC/DC给48V电池充电，由48V电池直接给电机供电。

图4 12 V转48 V系统电路Fig.4 Circuit of the 12 V/48 V system

电动增压器需要在短时间内迅速将发动机达到一个较高的增压比，电机转速相当高，所以必须选用高速电机。由于机械换向器高速时存在不稳定性，使得这种电机不能作为电动压气机的驱动。因此，只有电控换向的电机适用于这种场合，比如永磁同步电机(PMSM),磁阻电机(SRM)或者异步电机(ASM)，如图5所示。

永磁同步电机可以无损提供激励磁场，所以效率比较高，而且对于空气隙设计不敏感。它的缺点是即使没有负荷，不断的激励也会产生干扰，而且会有涡流损耗。

开关磁阻电机结构简单，制造成本较低。它的静子线圈容易制造，能够放置沟槽而跟静子连接一起。它的转子的转动惯量非常低，所以可以在很短的时间内到达一个较高的转速。

铝做的鼠笼型异步电机是相当稳定的，制造方便，并且不需要特定的位置传感器。但由于鼠笼上的电流而会产生热量，所以这部分热量需要有效控制。

法雷奥的电动增压器采用的电机是开关磁阻电机，开关磁阻电机惯性较小，有助于提高响应速度。皮尔博格的电动增压器采用永磁同步电机，而博格华纳的1代和2代电动怎gay器使用的电机都是交流异步电机。这几种电机各有优势和缺点，具体选用哪个电机需要根据需求做出决定。

4 控制策略和仿真结果分析

4.1 电路保护控制策略

电动增压器在启动阶段，由于电机需要在短时间内快速达到一个很高的转速，从而需要较大功率。电动增压器在启动阶段，峰值电流可达到350 A，对应的功率是4.2 kW(12 V)，这对电路安全造成很大威胁，因此需要考虑到电路的温度过热、电池压降过高等问题。

基于电动增压器的介入造成电路电压大幅下降，S.George等人为此设计了电路隔离系统，在电动增压器工作时，将电动增压器和车上其他用电设备相互隔离，电动增压器由车载电池供电，其他用电设备则由车上交流发电机供电。相反，当电动增压器不工作时，车上其他用电设备完全由电池供电。

4.2 电动增压器控制策略

电动增压器工作原理决定它至少需要这两个方面的控制：1.电机的转速，2.旁通阀的开闭。在为了获得最优的性能，控制系统中必须要考虑必要的限制条件，包括电机转速、电机温度、电池SOC和系统压降等。在电动增压器系统中，当驾驶员通过踩踏板表示需要更多扭矩时，为了给电机提供即时的压气机速度需求，前馈控制可以克服系统内部的滞后，提高响应速度。但是前馈控制容易受到外界干扰的影响而导致控制不稳定，因此前馈控制需要和反馈控制相结合，如图6所示。

图6 电动增压控制策略Fig.6 Control strategy of the electric supercharger

当需求压比高于实际压比一定值时，电动增压器旁通阀打开，根据折合流量和目标增压压比查MAP得到电动增压器需求转速，再加上压比之差PID反馈控制转速输出给电机；否则，旁通阀打开，电机转速维持怠速5000RPM。

另外，为了保证电机能够安全工作且有较长的寿命，需要在某些情况使电动增压器适当降低输出，比如当电池的SOC低于某个阈值或者电动增压器温度高于某个阈值时，系统将逐步减少最终停止其工作。

4.3 电动增压器仿真结果分析

根据前文提及的控制策略，通过基于GT-power和Matlab/simulink联合仿真得到如图7所示的结果。

(a)

(b)

当目标增压压力从1.2bar变成1.4bar时，在没有电动增压器的情况下，需要1.5s的时间才能达到目标增压压力，而在装有电动增压器的情况下，只需要0.1s即可达到目标增压压力，响应性得到了很大提升，稳态误差也在合理范围内。

6 总结

(1) 电动增压器分类有两种，即电辅助压气机增压器和电辅助涡轮增压器。调研结果表明：从增压效果、热负荷、能量能否回收等方面相比较，特别是针对汽油机而言前者优点更明显，其应用也更为广泛。

(2) 电动增压器在进气管路中安装位置有很多选择，本文从提升发动机动态性能、安装复杂性和增压器热负荷等方面做出了分析，具体采用哪种安装位置需视具体需求而定；

(3) 由于电动增压器工作转速需求非常高，因此需要采用电控换向高速电机，如开关磁阻电机、永磁同步电机和交流异步电机。采用48V电池可以更好地发挥电动增压器的效果。

(4) 对电动增压器的控制包括其电机转速和旁通阀的开闭控制，前者需要通过前馈预控和反馈联合控制。此外，为了保证系统的安全，需要考虑电路温度和电池SOC等因素，在必要的时候降级甚至完全停止电动增压器的工作。通过这种控制方法进行仿真，仿真结果表明电动增压器可以明显提高增压压力的响应速度。

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Research of the Electric Supercharger Technology of Vehicle Engine

XuWeiliang1LiLe1YuFan1LiuNing2
(1.SchoolofMechanicalEngineeringofShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240; 2.UnitedAutomotiveElectronicSystemsCo.,Ltd.Shanghai201206)

First, this article reviews the background, function, classification, package, and the current development situation of the electric supercharger. Focus on and analyse the package location and its effect based on the electrically driven compressor, and the influence of the battery and motor is also analysed. The response time is decreased and the system stability is enhanced due to the control strategy including the feed-forward and back-forward control of the speed of the electric supercharger; At last, the coupled simulation platform is built based on the software GT-POWER and Matlab/Simulink to realize control strategy，and the simulation results verify that the transient response is much improved and the steady error is acceptable.

Electric supercharger Control strategy Coupled simulation Transient response

1006-8244(2017)01-014-04

U464.135+.4

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