CN102267366A - 一种串联混合动力客车的辅助功率单元及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种串联混合动力客车的辅助功率单元及控制方法，其特征在于：它包括柴油发动机，永磁同步发电机，三相不可控整流器和辅助功率单元控制器，辅助功率单元控制器包括前馈控制器和PID控制器；柴油发动机的输出端连接永磁同步发电机，永磁同步发电机的输出端连接三相不可控整流器，三相不可控整流器输出端并联连接一电压传感器、串联连接一电流传感器；将电压传感器采集到的直流电压与混合动力客车整车控制器发出的目标功率信号，通过计算得到的目标电流输入前馈控制器，将电流传感器采集到的实际输出电流与目标电流之间的电流误差输入PID控制器，前馈控制器的输出值与PID控制器的输出值相加后作为喷油量输入柴油发动机。本发明可以广泛用于混合动力客车中。

Description

一种串联混合动力客车的辅助功率单元及控制方法

技术领域

本发明涉及一种客车的辅助功率单元及控制方法，特别是关于一种串联混合动力客车的辅助功率单元及控制方法。

背景技术

串联混合动力客车的功率源一般是由车载发电***11和动力电池12两部分组成(如图1所示)。车载发电***11也称为辅助功率单元，辅助功率单元由发动机13、发电机14、整流器15构成，用于向动力总线输送电能量给牵引电机16，并为动力电池12充电。辅助功率单元可以广泛应用于混合动力客车中，其低成本、高效率和低排放是混合动力客车总的发展趋势，且辅助功率单元本身的控制一直以来也是研究的难点问题之一。目前在串联混合动力客车中，辅助功率单元大都采用柴油发动机+电励磁发电机+不可控整流器的构型，但是由于电励磁发电机的功率密度和效率较低，因此影响了整个辅助功率单元的体积和效率。辅助功率单元也有采用柴油发动机+永磁同步发电机+PWM整流器的构型，通过***的解耦，可以方便地对柴油发动机转速、柴油发动机转矩和永磁同步发电机转矩进行控制，使柴油发动机工作在高效率区，可以在很大程度提高辅助功率单元的效率和燃油经济性，但是PWM整流器却增加了辅助功率单元的成本。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种功率密度大、效率高、成本低的串联混合动力客车的辅助功率单元及控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种串联混合动力客车的辅助功率单元，其特征在于：它包括柴油发动机，永磁同步发电机，三相不可控整流器和辅助功率单元控制器，所述辅助功率单元控制器包括前馈控制器和PID控制器；所述柴油发动机的输出端连接所述永磁同步发电机，所述永磁同步发电机的输出端连接所述三相不可控整流器，所述三相不可控整流器输出端并联连接一电压传感器、串联连接一电流传感器；将所述电压传感器采集到的直流电压与混合动力客车整车控制器发出的目标功率信号，通过计算得到的目标电流输入所述前馈控制器，将所述电流传感器采集到的实际输出电流与所述目标电流之间的电流误差输入所述PID控制器，所述前馈控制器的输出值与所述PID控制器的输出值相加后作为喷油量输入所述柴油发动机。

所述柴油发动机是高压共轨柴油发动机。

所述永磁同步发电机是高效稀土永磁同步发电机。

所述三相不可控整流器由功率二极管组成。

上述辅助功率单元的控制方法，包括以下步骤：1)将由混合动力客车整车控制器发出的目标功率信号与由三相不可控整流器输出端采集的直流电压信号进行计算，得到辅助功率单元的目标电流：目标电流＝目标功率/三相不可控整流器输出的直流电压；2)将步骤1)得到的目标电流和由三相不可控整流器3输出端采集的实际输出电流信号进行电流误差计算：电流误差＝目标电流-实际输出电流；3)将由步骤2)求取的电流误差输入PID控制器，将由步骤1)得到的目标电流I输入前馈控制器，利用预置在前馈控制器中的计算公式m_f＝f(I)，得到前馈控制器的输出值m_f；4)将前馈控制器的输出值和PID控制器的输出值相加作为柴油发动机的喷油量。

所述计算公式m_f＝f(I)为辅助功率单元在稳态平衡条件下，通过试验得到的柴油发动机喷油量和辅助功率单元输出电流的关系，进而拟合出以辅助功率单元目标电流I为自变量，以柴油发动机喷油量m_f为因变量的相应关系。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的辅助功率单元由于采用柴油发动机+永磁同步发电机+不可控整流器的构型，同时在不可控整流器的输出端设置了电压传感器和电流传感器，因此可以将实时得到的电压和电流信号反馈给辅助功率单元控制器，随时对柴油发动机的喷油量进行调整，使本发明的辅助功率单元的功率密度大、效率高、成本低。2、本发明的控制方法采用以柴油发动机喷油量作为控制变量的单变量控制方法，设计前馈+PID反馈控制算法对辅助功率单元的输出功率进行调节，因此有效地保证了辅助功率单元功率输出的动态特性。本发明可以广泛用于混合动力客车中。

附图说明

图1是一般功率源的组成形式

图2是本发明结构示意图

图3是本发明的辅助功率单元的控制方法流程示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2、图3所示，本发明的辅助功率单元包括柴油发动机1，永磁同步发电机2，三相不可控整流器3和辅助功率单元控制器4。辅助功率单元控制器4包括前馈控制器41和PID控制器42。柴油发动机1输出端通过联轴器5连接永磁同步发电机2，永磁同步发电机2输出端通过三根电缆6连接三相不可控整流器3，三相不可控整流器3输出端并联连接一电压传感器7、串联连接一电流传感器8，电压传感器7的另一端连接地线，电流传感器8另一端连接动力电池9以及牵引电机。将所述电压传感器7采集到的直流电压信号与混合动力客车整车控制器发出的目标功率信号，通过计算得到的目标电流输入前馈控制器41，将电流传感器8采集到的实际输出电流与目标电流之间的电流误差输入PID控制器42中，将前馈控制器41的输出值与PID控制器42的输出值相加后作为喷油量输入柴油发动机1。

上述实施例中，本发明的柴油发动机1可以采用高压共轨柴油发动机(仅以此为例，但不限于此)，柴油发动机1喷油量用于控制柴油发动机1的输出功率，进而实现以柴油发动机1喷油量作为辅助功率单元控制变量的单变量控制。本发明的永磁同步发电机2可以采用高效稀土永磁同步发电机(仅以此为例，但不限于此)。三相不可控整流器3可以由功率二极管组成(仅以此为例，但不限于此)。

本发明的串联混合动力客车辅助功率单元控制方法，包括以下步骤：

1)将由混合动力客车整车控制器发出的目标功率信号与由三相不可控整流器3输出端采集的直流电压信号进行运算，得到辅助功率单元的目标电流：

目标电流＝目标功率/三相不可控整流器输出直流电压；

2)将由步骤1)得到的目标电流与由三相不可控整流器3输出端采集的实际输出电流信号进行误差求取：

电流误差＝目标电流-实际输出电流；

3)将由步骤1)得到的目标电流送入前馈控制器41，利用预置在前馈控制器41中的计算公式m_f＝f(I)，得到前馈控制器的输出值，其中I为某一时刻的目标电流值，m_f是在该目标电流I下对应的喷油量值；同时将由步骤2)求取的电流误差输入PID控制器42，得到一个PID控制器42输出值，该数值为一针对电流误差的补偿喷油量值；

4)将前馈控制器41的输出值和PID控制器42的输出值相加，共同决定柴油发动机1的喷油量。

上述步骤3)中，计算公式m_f＝f(I)为辅助功率单元在稳态平衡条件下，通过试验得到的柴油发动机喷油量与辅助功率单元输出电流的关系，从而拟合出以辅助功率单元目标电流I为自变量，以柴油发动机喷油量m_f为因变量的方程式m_f＝f(I)。将该方程式作为前馈控制器算法预置在前馈控制器41中，在辅助功率单元的动态工作中，该前馈控制器41以辅助功率单元目标电流作为输入，以前馈控制器输出值作为柴油发动机喷油量的前馈控制量，利用前馈控制解决动态过程中非线性耦合问题，加快目标指令的跟踪速度，利用PID反馈控制消除稳态跟踪误差。

上述计算公式m_f＝f(I)基于以下原理：设发动机的有效输出功率为：

$P_e=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{et}}\·B\·H_u}{3600}$

式中，P_e为有效功率，η_et为燃料能量转换的总效率，B为整机燃料消耗率，H_u为燃料低热值；当发动机工作在稳态过程中，η_et、H_u不变，则发动机有效输出功率只与整机燃料消耗率有关系；

而整机燃料消耗率B是指单位时间发动机消耗的总燃料质量：

$B=\frac{120i\·n\·g_b}{\mathrm{\τ}}$

式中，i为气缸数，n为转速，g_b为单缸每循环燃料消耗量，τ为冲程系数，发动机确定后，气缸数i、冲程系数τ即确定，当辅助功率单元输出端连接大容量电池时，即当辅助功率单元输出电压近似不变时，发动机转速n近似不变，因此总燃料质量B仅与循环燃料消耗量g_b有关系，即仅与发动机喷油量相关。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和操作步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种串联混合动力客车的辅助功率单元，其特征在于：它包括柴油发动机，永磁同步发电机，三相不可控整流器和辅助功率单元控制器，所述辅助功率单元控制器包括前馈控制器和PID控制器；所述柴油发动机的输出端连接所述永磁同步发电机，所述永磁同步发电机的输出端连接所述三相不可控整流器，所述三相不可控整流器输出端并联连接一电压传感器、串联连接一电流传感器；将所述电压传感器采集到的直流电压与混合动力客车整车控制器发出的目标功率信号，通过计算得到的目标电流输入所述前馈控制器，将所述电流传感器采集到的实际输出电流与所述目标电流之间的电流误差输入所述PID控制器，将所述前馈控制器的输出值与所述PID控制器的输出值相加后作为喷油量输入所述柴油发动机。

2.如权利要求1所述的一种串联混合动力客车的辅助功率单元，其特征在于：所述柴油发动机是高压共轨柴油发动机。

3.如权利要求1所述的一种串联混合动力客车的辅助功率单元，其特征在于：所述永磁同步发电机是高效稀土永磁同步发电机。

4.如权利要求2所述的一种串联混合动力客车的辅助功率单元，其特征在于：所述永磁同步发电机是高效稀土永磁同步发电机。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种串联混合动力客车的辅助功率单元，其特征在于：所述三相不可控整流器由功率二极管组成。

6.如权利要求1～5任一项所述的所述辅助功率单元的控制方法，包括以下步骤：

1)将由混合动力客车整车控制器发出的目标功率信号与由三相不可控整流器输出端采集的直流电压信号进行计算，得到辅助功率单元的目标电流：

目标电流＝目标功率/三相不可控整流器输出的直流电压；

2)将步骤1)得到的目标电流和由三相不可控整流器输出端采集的实际输出电流信号进行电流误差计算：

电流误差＝目标电流-实际输出电流；

3)将由步骤2)求取的电流误差输入PID控制器，将由步骤1)得到的目标电流输入前馈控制器，利用预置在前馈控制器中的计算公式m_f＝f(I)，得到前馈控制器的输出值m_f；

4)将前馈控制器的输出值和PID控制器的输出值相加作为柴油发动机的喷油量。

7.如权利要求6所述的一种串联混合动力客车的辅助功率单元的控制方法，其特征在于：所述计算公式m_f＝f(I)为辅助功率单元在稳态平衡条件下，通过试验得到的柴油发动机喷油量和辅助功率单元输出电流的关系，进而拟合出以辅助功率单元目标电流I为自变量，以柴油发动机喷油量m_f为因变量的相应关系。

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