微型电动车用增程发电系统控制策略研究

戴佳奇，吴跃乐，许家群

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124）

微型电动车用增程发电系统控制策略研究

戴佳奇，吴跃乐，许家群

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124）

为了提高微型电动车的续行里程，设计了由小功率发动机、永磁同步发电机及PWM整流器组成的增程式发电机系统。根据微型电动车的运行特点，提出双功率点能量管理策略，并进行了系统仿真和实验。研究结果表明，采用的双功率点能量管理策略适用于小功率发动机，有助于提升整车的续行里程。

微型电动车；増程发电系统；能量控制策略

微型电动车成本较低，可以满足基本代步需求，近年来增长快速。但是，低成本要求也使得微型电动车所用电池容量较小，整车续行里程较短。采用由发动机，发电机及其控制器组成的增程发电系统是在低成本基础上提高微型电动车续行里程的有效手段。微型电动车驱动电机系统功率较小，因此，增程发电系统宜选用小功率通用发动机，但其转速不易精确调节。

对于发电机与控制器的连接形式，文献［1-2］采用三相无刷交流发电机连接二极管整流器的结构，通过解耦控制优先调节发动机的转速，再调节发电机的励磁电流，从而实现增程发电系统未到限幅值时恒压输出、达到限幅值时恒功率输出；文献［3-4］采用开关磁阻发电机作为车用发电机，通过电流斩波控制、脉冲宽度控制等方法调节电机励磁电流来实现其发电控制；文献［5］提出了电励磁双凸极发电机连接二极管整流器的结构。本文采用永磁同步发电机连接PWM整流器的系统结构，使发动机工作在万有特性曲线的优化运行区，保证发动机具有较好的排放和油耗，通过检测驱动需求功率，进行永磁同步发电机矢量控制实现能量在增程发电系统、电池、驱动电机之间的有效分配。系统结构如图1所示。

图1　增程发电系统结构图Fig.1　Structure of range-extended generation system

1　能量管理策略

为了保证发动机具有良好的油耗和排放水平，根据发动机工作曲线（见图2），本文选取3 000 r/min作为固定转速，根据发动机推荐使用范围选取PH，PL2个工作点，进行增程发电系统双功率点控制策略。

图2　通用发动机工作曲线Fig.2　Operation curves of general-purpose engine

整车处于不同工况时，通过控制永磁同步发电机的输出功率来分配增程发电系统和蓄电池的输出功率，即可实现对电动汽车系统母线上功率流动的分配。

不同的工况下母线上各系统之间的能量流动方式决定了3种工作模式。

1）纯电动模式。当蓄电池电量比较充足时，整车作为纯电动汽车行驶，增程发电系统不工作。整车处于低速、中速、高速等工况时，由蓄电池单独提供功率。

2）增程发电系统+蓄电池联合驱动模式。当蓄电池电量较低时，增程发电系统开始工作。当整车运行于低速时，驱动电机系统需求功率小于PL，增程发电系统不输出功率，由蓄电池提供功率；整车运行于中速时，驱动电机系统需求功率大于PL、小于PH，增程发电系统输出功率PL，不足的部分由蓄电池提供；整车运行于高速时，驱动电机系统需求功率大于PH，增程发电系统输出功率PH，不足的部分由蓄电池提供。

3）增程发电系统充电模式。增程式发电系统启动后，当整车制动时，驱动电机系统需求功率为零，而此时增程发电系统的输出功率大于驱动电机系统需求功率，则增程发电系统给蓄电池短时充电。

当整车的驱动电机系统需求功率长时间低于PL，或者为零时，则增程发电系统停机；当蓄电池电压低于下限值Udcmin时，蓄电池SOC已经极低，整车驱动电机控制器已停止工作，增程发电系统停机。

2　增程发电系统性能仿真

增程发电系统在不同车速等级下的性能仿真框图如图3所示。

图3　增程发电系统仿真模型Fig.3　Simulation model of range-extended generation system

图4a、图4b所示方框分别为整车运行于低速时母线电压Udc、驱动电流Iload的波形。驱动功率Pload=Udc×Iload=0.7 kW，小于1.5 kW，根据控制策略，增程发电系统不输出功率。

图4　增程发电系统低速运行工况Fig.4　Low-speed condition of range-extended generation system

图5a、图5b所示方框分别为整车运行于中速时母线电压Udc、驱动电流Iload的波形。驱动功率为Pload=Udc×Iload=2.2 kW，大于1.5 kW且小于3 kW，根据控制策略，增程发电系统输出功率1.5 kW，蓄电池输出额外的0.7 kW功率，增程发电系统输出功率占驱动功率的68.2%，提供大部分的驱动功率。

图5　增程发电系统中速运行工况Fig.5　Middle-speed condition of range-extended generation system

图6a、图6b所示方框分别为整车运行于高速时母线电压Udc、驱动电流Iload的波形。驱动功率为Pload=Udc×Iload=3.4 kW，大于3 kW，根据控制策略，增程发电系统输出功率为3 kW，蓄电池输出额外的0.4 kW功率。增程发电系统输出功率占驱动功率的88.2%，提供主要的驱动功率。

图6　增程发电系统高速运行工况Fig.6　High-speed condition of range-extended generation system

3　增程发电系统实验

实验平台以异步电动机模拟通用发动机，采用72 V/200 A·h蓄电池组，用功率电阻作为负载模拟整车驱动电机系统的功率需求。

电阻由3.2 Ω切换到母线断开状态来模拟整车低速行驶或滑行工况，实验波形如图7所示。Udc，ig，ia，ib，分别为母线电压、增程发电系统输出电流、A相电流、B相电流。负载切换后增程发电系统进入不可控整流状态，输出电流ig和相电流迅速减小为零。由于电阻负载切换瞬间增程发电系统输出功率给电池充电，导致母线电压短暂上升。

图7　模拟低速实验波形图Fig.7　Experiment waveforms in low-speed condition

电阻由3.2 Ω来模拟整车中速行驶工况，实验波形如图8所示。由于增程发电系统母线与蓄电池并联，增程发电系统输出功率瞬间母线电压Udc较平稳。稳态下增程发电系统实际输出电流ig为20.1 A，母线电压Udc为74.4 V，相电流有效值为19.82 A，可计算出发电机输出功率为1.5 kW。电阻负载功率Pload为1 730 W，增程发电系统的输出功率占总负载功率的86.4%，蓄电池电量消耗明显减少。

图8　模拟中速实验波形图Fig.8　Experiment waveforms in middle-speed condition

电阻负载1.6 Ω模拟整车高速行驶工况，实验波形如图9所示。电阻切换瞬间，母线电压略有降低，增程发电系统开始大功率输出后母线电压恢复。稳态下增程发电系统实际输出电流ig为40.14 A，母线电压Udc为75.2 V，相电流有效值为38.57 A，计算出发电机输出功率为3 kW。电阻负载总负载功率Pload为3 534 W，增程发电系统的输出功率占总负载功率的85.4%，蓄电池输出功率仅占14.6%，蓄电池的电量消耗减少。

图9　模拟高速实验波形图Fig.9　Experiment waveforms in high-speed condition

4　结论

微型电动车增程发电系统所用通用发动机的转速难以精确调节，宜采用固定发动机转速的永磁同步发电机矢量控制输出功率调节方式。增程发电系统的输出功率根据整车工况来控制，应尽可能避免单独给蓄电池充电的工况，有助于提升整车续行里程。

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Control Strategy of Range-extended Generation System for Micro Electric Vehicle

DAI Jiaqi，WU Yuele，XU Jiaqun
（College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China）

In order to improve the continued mileage of the micro electric vehicle，a range-extended generation system composed of a small power engine，a permanent magnet synchronous generator and a PWM rectifier was designed.According to the operating characteristics of the micro electric vehicle，the energy management strategy of the dual power point was proposed，and carried out the system simulation and experiment.The results show that the dual power point energy management strategy used is suitable for small power engine，which will help to improve the vehicle′s continued mileage.

micro electric vehicle；range-extended generation system；energy control strategy

TM351

A

2015-09-15

修改稿日期：2016-01-19

戴佳奇（1991-），男，硕士研究生，Email：xjq@bjut.edu.cn