CN110182069B - 一种电动汽车增程器发电功率闭环控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车增程器发电功率闭环控制方法，该方法包括机械功率预测、机械功率修正、机械功率解耦、迁移轨迹控制、机械功率实现和发电功率反馈六个步骤；本发明方法同时对增程器***实施前馈预测和反馈闭环，既保留了前馈控制响应快的优点，又继承了反馈控制输出稳定，控制精度高的特点，从而减少增程器目标发电功率和实际发电功率之间的误差，确保增程器高效、稳定地运行。本发明设置了最佳运行轨迹线和轨迹控制线，使增程器在稳态及瞬态发电功率调节过程中，其转速和扭矩尽可能地沿最佳运行轨迹线调整迁移，从而使增程器在得以响应不同大小的请求功率的同时，其效率和排放达到理想状态，有效保证了增程器的可控性和运行性能。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种电动汽车增程器发电功率闭环控制方法，属于新能源汽车领域，主要用于对电动汽车增程器的发电功率进行控制，使发电功率响应速度快、稳态误差小，且可沿最佳运行轨迹线动态迁移，使增程器不但能对发电功率进行动态响应，且可在响应过程中保证其高效率，低排放。
背景技术
受限于当前电池的技术水平和制造成本，增程式电动汽车是目前传统汽车向未来纯电动汽车过渡的最理想车型之一。增程式电动汽车通过在传统电动汽车平台上增加一套内燃机发电或燃料电池发电装置，不仅保留了纯电驱动节能高效和绿色环保的特点，又解决了现有纯电动车存在的动力电池能量密度小、纯电动续航里程短、充电不方便、充电等候时间长等问题。
目前电动汽车所用增程装置普遍采用发电机与内燃机一体化耦合设计，通过逆变和可控整流技术，实现内燃发电增程装置的按需起停和输出电压、输出电流、输出功率及功率因数的主动调整。增程器发电功率的控制精度和响应速度、不同发电工况间的迁移策略是影响增程式电动汽车动力性、经济性和排放性能的关键。
常用电动汽车增程器发电功率控制方法包括前馈控制和反馈控制。前馈控制通常根据事先采集的数据，对功率输出量做一定的修正，具有简便、响应速度快等优点，但控制效果不佳；反馈控制将增程器输出的功率与所期望的功率相比较，根据产生的偏差值进行调节，具有输出稳定、控制效果好的优点，但其响应速度较慢。
此外，电动汽车增程器在实际运行时，为保证高效率，通常仅在某几个工况点上运行。该运行方法的优点是可以维持增程器的高效率和低排放，缺点是缺乏动态响应性，能实现的功率范围较小。
发明内容
本发明针对目前电动汽车增程器发电功率控制方法的不足，提出了一种基于增程器最佳工况运行轨迹、采用前馈和反馈复合控制方式的增程器发电功率闭环控制方法。
本发明提及的机械功率，是指在增程器运行时，在发动机和发电机之间传递的功率，又称为轴上功率，其实际值通常根据增程器的转速和扭矩计算得出，实际输出机械功率的计算公式如下：
Pmo＝Tmo*nmo/9550
式中：Pmo为增程器实际输出机械功率，单位为kW；nmo为增程器实际输出转速，单位为转/min；Tmo为增程器实际输出扭矩，单位为N*m；
本发明提及的发电功率，是指在单位时间内增程器以电能的形式输出的能量大小，其实际值通常在测量输出的电压和电流之后计算得出。由于增程器输出的电能由机械能转化而来，在磨损、铁耗、铜耗等因素影响下，增程器发电功率总是小于机械功率。
本发明提出的电动汽车增程器发电功率闭环控制方法，包括以下步骤：
(1)机械功率预测。在该步骤中，本发明对发电功率进行前馈控制和计算。RCU首先通过CAN通信获取目标发电功率，随后根据事先测量得到的不同工况下的发电机发电效率表，进行前馈计算，获取增程器运行所用的目标机械功率；
(2)机械功率修正。本发明选择对发电功率进行反馈闭环控制。RCU将获取发电功率PID调节***实时输出的反馈补偿值，并将该反馈补偿值与当前时刻的目标机械功率进行叠加运算，获得修正后的机械功率，从而使增程器尽快达到目标状态。
(3)机械功率解耦。RCU通过查阅事先标定的增程器最佳运行轨迹线，获取反馈修正后的机械功率对应的目标转速和目标扭矩，完成对增程器修正后机械功率的解耦。
(4)迁移轨迹控制。在获取解耦后的目标扭矩和目标转速数值之后，RCU根据轨迹控制线计算当前扭矩和转速下增程器目标转速和目标扭矩的允许范围，并据此对其加以控制。如果目标转速大小或目标扭矩大小超出轨迹控制线对应的最大值或最小值，则将其大小限制在轨迹控制线范围之内，从而避免增程器实际运行轨迹线过度偏离预先标定的最佳运行轨迹线，使增程器尽可能运行在理想状态，有效提高效率，降低排放。
(5)机械功率实现。在获得修正后的目标转速和目标扭矩之后，RCU通过CAN通信的方式将目标扭矩和目标转速分别发送给ECU和GCU。其中，ECU负责控制发动机实现目标扭矩闭环控制，由GCU负责控制发电机实现目标转速闭环控制。
(6)发电功率反馈。在增程器输出发电功率之后，RCU计算增程器当前时刻实际输出功率，并在计算实际输出功率与下一时刻的目标发电功率的差值之后，将差值输入到发电功率PID调节***中，输出一个反馈补偿值，在下一个时刻与目标机械功率进行叠加运算，完成闭环。
本发明所述的最佳运行轨迹线，是在万有特性曲线图基础上绘制的一维曲线。该轨迹线是在增程器运行前，通过图表计算、台架试验等方法，综合考虑排放、油耗、性能等因素之后设计的最优运行路线，是电动汽车增程器在理想情况下的运行路线。在本发明中，当电动汽车增程器处于理想发电状态时，增程器转速和扭矩将沿着最佳运行轨迹线动态迁移，从而响应不同大小的请求功率。
本发明所述的轨迹控制线是以万有特性曲线图和最佳运行轨迹线为基础设定的两条曲线，分别布置在最佳运行轨迹线的两侧，该曲线规定了增程器的运行工况范围的界限。
本发明的有益效果：
1.本发明所述的控制方法同时对增程器***实施前馈预测和反馈闭环，既保留了前馈控制响应快的优点，又继承了反馈控制输出稳定，控制精度高的特点，从而减少增程器目标发电功率和实际发电功率之间的误差，确保增程器高效、稳定地运行。
2.本发明所述的控制方法设置了最佳运行轨迹线和轨迹控制线，使增程器在稳态及瞬态发电功率调节过程中，其转速和扭矩尽可能地沿最佳运行轨迹线调整迁移，从而使增程器在得以响应不同大小的请求功率的同时，其效率和排放达到理想状态，有效保证了增程器的可控性和运行性能。
附图说明
图1为最佳运行轨迹线和轨迹控制线示意图；
图2为基于前馈和反馈结合的增程器发电功率闭环控制流程图；
图3为目标扭矩迁移轨迹控制流程图；
图4为目标转速迁移轨迹控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提及的电动汽车增程器，包括发动机、发电机、发动机控制器(EngineControl Unit，简称ECU)、发电机控制器(Generator Control Unit，简称GCU)、增程器控制器(Range-extender Control Unit，简称RCU)；所述发动机与发电机之间采用机械同轴方式连接，构成增程器；发电机经发电机控制器输出高压直流电；ECU和GCU均通过CAN总线通信的方式与RCU进行交互。
附图2给出了本发明电动汽车增程器发电功率闭环控制方法的总流程图。该闭环控制方法，可大致分为机械功率预测、机械功率修正、机械功率解耦、迁移轨迹控制、机械功率实现和发电功率反馈六个步骤。
本发明所述的机械功率预测部分，是指在电动汽车增程器运行过程中，RCU通过CAN通信从上级控制器接收功率请求指令，计算出目标发电功率数值大小，然后根据当前电机温度、目标发电功率等变量，通过查阅发电机发电效率表，获取该目标发电功率对应的发电机发电效率，预测并计算出增程器运行所需的目标机械功率，目标机械功率前馈预测计算公式如下：
Pm＝Pg/ηg
式中，ηg为发电效率，无量纲参数；Pm为目标机械功率，单位为kW；Pg为目标发电功率，单位为kW。
这是由于发电机在将机械能转化为电能的过程中有一定的损耗，因此必须对目标发电功率进行前馈预测并得出增程器执行所用的目标机械功率，使该功率接近或等于增程器发电时实际所需的机械功率，提高***响应性。此外，该前馈计算过程所需的发电机发电效率表，可通过电机台架试验获得。
本发明所述的机械功率修正，是指RCU将获取发电功率PID调节***实时输出的反馈补偿值，并将该反馈补偿值与当前时刻的目标机械功率进行叠加运算，获得修正后的机械功率。该发电功率PID调节***是根据上一时刻的实际发电功率和当前时刻的目标发电功率之间的差值进行计算的。这是由于发电效率误差，ECU和GCU扭矩转速稳态控制误差等因素影响，增程器实际发电功率与需求发电功率有可能不一致，因此需要根据两者的差值，进行PID调节之后对现有的需求发电功率进行补偿，以使增程器的实际发电功率尽快与目标发电功率相等。
本发明所述的机械功率解耦，是指在计算出增程器运行所需的修正后的机械功率之后，RCU根据最佳运行轨迹线上的最佳运行工况点，查阅目标机械功率对应的目标转速和目标扭矩，最佳运行轨迹线如附图1所示。如果RCU运行工况点在两个最佳运行工况点之间，则使用插值计算的办法获取目标转速和目标扭矩。这是由于在本发明中，发动机和发电机并不能直接接受功率控制，而仅能使用转速控制或扭矩控制，因此，需要将目标机械功率解耦成目标转速和目标扭矩。
本发明所述的迁移轨迹控制，是指在获得目标转速和目标扭矩之后，根据两条轨迹控制线，分别计算当前转速和当前扭矩对应的轨迹控制线上的工况点代表的最大值和最小值，并比较目标转速和目标扭矩是否在各自的最大值和最小值之间。轨迹控制线如附图1所示，扭矩控制和转速控制流程图分别如附图3和附图4所示。如果目标转速大于最大转速值，则将目标转速调整为最大转速值；如果目标转速小于最小转速值，则将目标转速调整为最小转速值；如果目标转速在最大转速值和最小转速值之间，则维持原来的目标转速值不变。同理，如果目标扭矩大于最大扭矩值，或小于最小扭矩值，则将目标扭矩调整为最大扭矩值或最小扭矩值；如果目标扭矩值在最大扭矩值和最小扭矩值之间，则维持原来的目标扭矩值不变。该轨迹控制线设立的目的，是为了控制电动汽车增程器的实际运行轨迹线，使其在偏离较大时，尽可能回归最佳运行轨迹线，以保证增程器尽可能处于预定的理想工作状态，保证增程器的高效和低排放。
本发明所述的机械功率实现，是指RCU在获得修正后的目标扭矩和目标转速之后，将两个控制量别发给ECU和GCU，由他们控制发动机和发电机分别实现。其中，ECU控制发动机实现增程器的扭矩输出，该ECU具有一个带有PID调节功能的闭环反馈***。当目标扭矩与实际输出扭矩不等时，即根据目标与实际扭矩差值，经过该闭环反馈***计算并得出补偿值后，改变发动机的点火提前角、节气门开度、燃油喷射量等控制参数，调整实际输出扭矩使其接近或等于目标控制扭矩。而发电机则控制增程器的转速输出。其内部同样拥有一个带有PID调节小***的闭环反馈***，当目标转速与实际转速不符合时，即通过改变其电机负载、控制电流的方法，使实际输出转速接近或等于目标控制转速。
本发明所述的发电功率反馈，是指在增程器输出功率之后，由相关传感器采集当前时刻发电机输出电流和输出电压，并在通过相乘计算得出电机实际输出电功率之后，将其与下一时刻的目标发电功率进行相减计算，并将计算得出的差值输入到发电功率PID调节***中，并由发电功率PID调节***计算得出发电功率反馈补偿值。随后，发电功率反馈补偿值被输入到机械功率修正环节。如此则发电功率闭环调节完成。
本发明共有三个闭环调节***，分别为：发动机闭环调节、发电机闭环调节***和增程器功率闭环***，分别由ECU，GCU，RCU控制，分别控制发动机的扭矩闭环，发电机的转速闭环和增程器的功率闭环。这三个闭环调节***共同保障增程发电***的稳定运行。
本发明采用前馈和反馈相结合的复合控制方式对增程器的发电功率进行闭环控制，提高增程器输出功率的控制精度和响应速度，同时限制增程器发电工况的扭矩转速迁移轨迹，保证增程器运行时的高效和低排放，对于增加增程式电动汽车续航里程、降低整车排放和油耗具有重要意义。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种电动汽车增程器发电功率闭环控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)机械功率预测：RCU通过CAN通信获取目标发电功率，根据事先测量得到的不同工况下的发电机发电效率表，进行前馈计算，获取增程器运行所用的目标机械功率；
(2)机械功率修正：RCU将获取发电功率PID调节***实时输出的反馈补偿值，并将该反馈补偿值与当前时刻的目标机械功率进行叠加运算，获得修正后的机械功率；
(3)机械功率解耦：RCU通过查阅事先标定的增程器最佳运行轨迹线，获取反馈修正后的机械功率对应的目标转速和目标扭矩，完成对增程器修正后机械功率的解耦；所述最佳运行轨迹线，是在万有特性曲线图基础上绘制的曲线，该轨迹线是在增程器运行前设计的最优运行路线，是电动汽车增程器在理想情况下的运行路线；当电动汽车增程器处于理想发电状态时，增程器转速和扭矩将沿着最佳运行轨迹线动态迁移，从而响应不同大小的请求功率；如果RCU运行工况点在两个最佳运行工况点之间，则使用插值计算的办法获取目标转速和目标扭矩；
(4)迁移轨迹控制：RCU根据轨迹控制线计算当前扭矩和转速下增程器目标转速和目标扭矩的允许范围，如果目标转速大小或目标扭矩大小超出轨迹控制线对应的最大值或最小值，则将其大小限制在轨迹控制线范围之内；所述轨迹控制线是以万有特性曲线图和最佳运行轨迹线为基础设定的两条曲线，分别布置在最佳运行轨迹线的两侧，该曲线规定了增程器的运行工况范围的界限；如果目标转速大于最大转速值，则将目标转速调整为最大转速值；如果目标转速小于最小转速值，则将目标转速调整为最小转速值；如果目标转速在最大转速值和最小转速值之间，则维持原来的目标转速值不变；如果目标扭矩大于最大扭矩值，或小于最小扭矩值，则将目标扭矩调整为最大扭矩值或最小扭矩值；如果目标扭矩值在最大扭矩值和最小扭矩值之间，则维持原来的目标扭矩值不变；ECU控制发动机实现目标扭矩闭环控制，该ECU具有一个带有PID调节功能的闭环反馈***，当目标扭矩与实际输出扭矩不等时，即根据目标与实际扭矩差值，经过该闭环反馈***计算并得出补偿值后，改变发动机的控制参数，调整实际输出扭矩使其接近或等于目标控制扭矩；GCU控制发电机实现目标转速闭环控制，该GCU具有一个带有PID调节功能的闭环反馈***，当目标转速与实际转速不符合时，即通过改变电机控制参数，使实际输出转速接近或等于目标控制转速；
(5)机械功率实现：RCU通过CAN通信的方式将目标扭矩和目标转速分别发送给ECU和GCU，通过ECU控制发动机实现目标扭矩闭环控制，通过GCU控制发电机实现目标转速闭环控制；
(6)发电功率反馈：在增程器输出发电功率之后，RCU计算增程器当前时刻实际输出功率，并在计算实际输出功率与下一时刻的目标发电功率的差值之后，将差值输入到发电功率PID调节***中，输出一个反馈补偿值，在下一个时刻与目标机械功率进行叠加运算，完成闭环。
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