行车取力发电系统设计及控制策略

熊军林 刘威 余志敏 王少云 钱开宇

熊军林

毕业于华中科技大学，机械电子专业，本科学历，目前就职于东风越野车有限公司，主要研究新能源电控开发。

摘  要：随着车载上装设备增多，其用电需求向高电压、高功率方向发展，介绍了一种车载发电系统——行车取力发电系统，与PTO驻车取力方式相比，具有不影响驾驶操作的优势。本文说明该系统基本需求，系统组成及工作原理，主要部件基本参数设计，主要论述发电控制策略及算法，在研制过程中能量分配的关键问题和相应的控制策略，最后整套系统搭载整车道路试验验证并通过测试。对车载行车发电控制设计具有指导意义。

关键词：行车取力;控制策略;能量分配

中图分类号：U469.6       文献标志码：A      文章编号：1005-2550（2022）03-0051-05

Driving Power Take-Off System Design and Control Strategy

Xiong Jun-lin， Liu Wei， Yu Zhi-min， Wang Shao-yun， Qian Kai-yu

（Dongfeng Off-Road Vehicle Co.， Ltd， WuHan 430056， China）

Abstract： With the increase in on-board equipment， the demand for electricity is developing towards high voltage and high power. The article introduces an on-board power generation system， the driving power take-off power generation system. Compared with the PTO parking power take-off method， it dose not effect on driving operations. This article explains the basic requirements of the system， system composition and working principle， the basic parameter design of main components. It discusses the power generation control strategy and algorithm， the key issues of energy distribution in the development process and the corresponding control strategy， and finally the whole system is equipped with the whole vehicle road test， passed the test. It has guiding significance for the design of on-vehicle driving power generation control.

Key Words： driving power take-off; control strategy; power distribution

车辆承载平台的发电系统，通常分为主机发电和辅机发电。主机发电是从行驶驱动发动机分出一部分动力驱动电机发电，也称轴带发电。辅机发电是采用自带动力的发电机组发电。从汽车的底盘发动机取力，驱动发电机发电，俗称汽车行车取力发电，也有称自发电，又分为驻车取力发电和行车取力发电。

驻车取力发电，车辆必须在停止状态下取力发电，由发动机转速来稳定输出电压频率，由发电机励磁来稳定电压。技术原理与发电机组相同，只是借用了主机做动力源。

行车取力发电，车辆在行驶中发电，发动机转速宽范围随机变化，输出电压和频率将不稳定，必须通过电力电子技术，对电能进行二次变换才能输出稳定的交流电或直流电。

采用电力电子变换技术的行车取力发电，既可以行车发电，又可以驻车发电，可见行车发电可以覆盖驻车发电。

取力装置设计主要包括取力位置、传动机构、电机布置空间等方面的设计。现有车型绝大多数只考虑了液压取力，不适合发电取力，给取力发电设计造成很大限制。造成行车取力發电系统的难点之一是取力方式和电机布置。常见的取力方式有前置主轴取力、后置主轴取力、变速箱后轴取力等。

a）前置主轴取力，用皮带传动：在工程上实现容易，几乎多数设计方案采用。但由于空间限制传动皮带的规格不能加大，当超负荷应用时，瞬态加功率，皮带会打滑，寿命和可靠性待可靠性试验验证。如果用电功率超过10kW以上，其可靠性堪忧。再者，这种取力方式发电机安装在发动机舱内，空间受限，发电机容量在怠速下不能提供额定功率，需要电池储能补功，增加了系统复杂性和体积重量。

b）中置同轴取力：将变速箱等后移，在变速箱与发动机中间插入发电机，改装工程量较大，但可靠性得到极大提高，在怠速状态下，都可以获得近20kW电功率输出。

c）后轴取力，经离合器变速箱取力，会产生降低转速、换挡掉动力等不利于发电机连续正常工作，一般只能实现驻车发电。同时需要升速装置和蓄电池补功。

故而取力方式的发展方向，在发动机主轴前端或后端飞轮位置，安装盘式电机取代飞轮，将是汽车取力的最佳方案，这种取力方式将依赖于高功率比的盘式电机技术。

1     行车取力发电系统结构组成

本系统采用中置同轴取力方案，系统由底盘发动机及发动机管理系统EMS、发电机、电机控制器MCU、高压配电箱PDM、动力电池及管理系统BMS、发电综合控制器HCM、冷却系统等组成。发电机布置于发动机与离合器之间，并与发动机曲轴同轴连接，发动机带动发电机转子旋转切割磁场感应出三相交流电，经过电机控制器转换为电压稳定高压直流电。动力电池用于补充电能，保证在低速下有足够的功率输出和提供瞬间冲击的超功率。高压配电箱主要管理对外电能输出。发电综合控制器通过CAN总线控制整个系统工作，监测高压用电安全，发送故障信息供仪表显示。行车取力发电系统结构如图1：

2     行车取力发电系统设计

2.1   系统要求

系统对外输出稳态直流电压325±25VDC，瞬态输出325±40VDC，额定输出功率：25kW/（1200r/min），在发动机全转速范围750-2700r/min内，能承受功率40kW持续1s的过载冲击。

2.2   主要部件基本参数

柴油直列6缸发动机：额定功率220kW/（2700r/min），额定扭矩850N.m/（1200r/min-2000r/min）。

发电机：盘式永磁同步电机，液冷，额定功率25kW/（1200r/min），峰值功率57kW/（1200r/min）。发电机额定能力如图2：

动力电池：钛酸锂电池，额定电压325V，容量3Ah，额定充放电功率25kW，峰值充放电功率65kW。

2.3   稳压发电PI控制

发动机启动后带动发电机转子旋转，发电机感应输出三相交流电，其输出电压随转速变化而变化，在发动机全转速范围内输出交流电压幅值约AC100～600V，需要通过电机控制器，对电能进行逆变，才能输出325VDC直流稳压电。电机控制器采用电压闭环PI反馈控制及FOC矢量控制IGBT通断，从而达到稳压控制输出。

电压闭环PI控制根据实际电压与参考电压的差值经过PI计算得到需求扭矩，当实际电压小于参考电压时，增加输出扭矩，提高发电功率，使电压回到参考电压;当实际电压高于参考电压时，减少输出扭矩，降低发电功率，使电压回到参考电压。控制流程如图3所示：

详细步骤如下：

（1）电机控制器MCU低压上电后系统等待发动机运行;

（2）采集电机控制器输出电压u;

（3）计算电压差值err=|325-u|，取绝对值;

（4）由于err较小，为保证控制精度，需要进行标幺化处理，引入系统参数Pu，计算ERR，ERR=Pu×err;

（5）通过分别查表Kp，Ki，计算相应Up，Ui，Up=ERR×Kp，Ui=ERR×Ki;

（6）计算PI控制结果Upi，Upi=Up+Ui;

（7）为防止积分饱和，对PI计算结果进行积分限值;

（8）进行反标幺化处理，计算Te_PI，Te_PI=Upi/Pu;

（9）增加电机扭矩限制，用于功率分配管理。

（10）考虑过热或过温等保护，引入功率保护系数K，K值大小与故障等级有关，如3级严重故障K=0，2级故障K取0.8，1级故障K取1。最终输出Te_out，Te_out=Te_PI×K，进入到FOC矢量控制算法中，得到稳定的电压输出控制。

2.4   电机FOC矢量控制

FOC称为磁场定向控制，主要是通过对IGBT控制实现对发电机转矩（电流）、速度、位置的控制。

电压闭环调节PI计算目标扭矩Te_out通过查表转矩电流表，得到目标电流id、iq，通过内部PID及坐标转化Clark、Park变换输出控制IGBT通断，达到稳定电机控制器输出电压目的。如图4所示：

2.5   功率分配

由于发电机额定功率只有25kW/1200r/min，在发动机工作在低转速区时，发电机输出功率不足，不能满足负载需求。即使在高转速区，也不能满足瞬间40kW过载冲击，因此需要动力电池补偿能量。

如下图整车工况处于连续降档过程中，25～27s这段时间内，发动机转速较低，已低于800r/min，此时上装设备刚好要求40kW，此时发电机输出功率已无法满足电负载要求，为保护IGBT过流二损坏，电机控制器处于保护模式，关断IGBT，功能失效。

为此需要合理分配发电机与动力电池工作。由于动力电池电流难以控制，主要通过限制发电机功率，电池自动适配负载来实现发电机与动力电池功率分配。当负载功率要求超过发电机输出功率时，由电池放电以提供额外的功率补充;否则就由发电机单独提供输出满足负载要求，超出负载要求部份提供给电池充电。如下图所示：

当上装电负载位于不同区域时，策略如下：

P1：完全由电池提供负载输出

P2：由发电机提供

P3：由发电机、电池共同提供，发电机输出限制到额定输出功率，延红色曲线运行，剩余功率由电池补充

P4：完全由发电机提供

P3→P2：电负载减小至发电机额定运行区域，此时由发电机进入电压闭环调节控制，提供输出给负载，同时电池由于P3放电，电压下降，电池开始充电直到充满。

P2→P3：电负载增大超出发电机额定运行区域，此时电压闭环无法进入，电压下降，发电机以额定功率运行，同时电池开始放电，以提供额外功率补充负载需求。

控制流程图7：

发动机启动完成后，根据发动机转速，查表发电机功率，计算发电机允许最大输出扭矩。得到的扭矩限制进入到PI控制的扭矩限值中，从而限制发电机功率输出。

3    试验验证

整套系统搭载整车进行道路试验验证。

稳态测试：发动机转速从750-2700r/min，每个转速稳定一段时间，加载25KW电负载，系统输出电压310-338V，满足稳态设计指标325±25V。

瞬态测试：车辆加速从1档逐步换至最高档6档，再减速从最高档降至最低档情况下进行路试，加电负载0kW-25kW-40kW，其中25kw持续30s，40kw加载3s，测试输出电压287V-330V，满足瞬态设计要求325±40VDC。

4    总结

1）从整车测试结果看本系统能完成高压直流供电，证明系统方案是可行的。

2）连续的瞬间过载冲击试验中也出现系统电压低于325V以下，主要原因为连续冲击导致电池电能不足，电压下降，如果频繁瞬间大功率，需加大电池容量。

3）系统还具有冷启动能力，发电机成为启动电机。采用恒转速PI调节，控制电机驱动扭矩，从而带动发动机快速启动。

参考文献：

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