增程发动机冷启动及稳定运行的控制策略研究

时间：2024-06-19

赵金星，王寒，席庆圆

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

汽车市场的高速增长带来了巨大的能源消耗和严重的环境污染。电动汽车渗透率，是关系“双碳”目标达成的关键指标。目前制造纯电动汽车的成本高，电量的大规模消耗会导致在发电过程中带来更严重的碳排放，电池安全性不够，这些现实问题依旧困扰着消费者。增程式电动汽车不仅具有纯电动汽车结构简单、排放性好、动力性强的特点，同时电池用电量进一步减少，可以有效节能减排，因此成为目前新能源汽车发展的主要方向之一［1-2］。

增程式电动汽车在车载辅助供电系统的作用下，可以对驱动电机供能并且为电池充电，在增程模式下发动机不参与车辆的直接驱动，可以始终工作在高效区间，因而经济性、排放性能以及动力性都有保障。增程发动机在冷启动时，内部混合气浓度过稀，汽油无法充分燃烧，影响发动机的经济性和稳定性［3-5］。研究电动汽车增程发动机的控制策略，可以提高增程器的控制效果，改善增程发动机冷启动性能，在保证动力性满足需求的基础上，减少污染物排放。

增程式电动汽车如要真正实现节能环保，关键在于增程器的控制效果。李永亮等［6］基于粒子群算法对增程式电动汽车的动力参数进行多目标优化，结果表明，优化后的控制参数可以提高整车性能以及电池使用寿命。贺俊杰等［7］研究了电动汽车增程器能量管理策略，在满足电动汽车动力性的同时兼顾动力电池组的稳定性，有效改善了增程器效率。牛继高等［8］对发动机的启停时刻进行了优化分析，主要目标是尽可能减少增程器系统的运行时间。结果表明，控制策略优化后，随着发动机运行时间的减少，油耗和电池的充放电损失也相应减少。福特试验室的POWELL等［9］建立了一个增程式电动汽车的动态模型对增程器进行了控制研究。结果显示，在干扰信号的作用下，系统响应迅速，发动机节气门响应及时，发动机转速可以较好地稳定在目标转速附近，系统鲁棒性较强。

虽然相关学者对于增程发动机系统的控制方法已经做了大量研究工作，但考虑冷启动及稳定运行时增程发动机系统的相关控制策略仍需进一步研究。本文基于软件在环的方法，建立电动汽车增程器的模块化控制仿真开发平台，分别研究基于传统PID控制和模糊PID控制在增程发动机冷启动和稳定运行期间的空燃比及转速控制，以保证发动机在高效点稳定运行，减少发动机在工作时污染物的排放。

1 增程发动机冷启动要求

增程式电动汽车是在纯电动汽车的基础上进行开发的，发动机的作用是驱动发电机，为电池、电动机和汽车上的其他设备供电。增程式电动汽车的发动机转速不需要与路况匹配，可以使发动机保持在热效率最高的区域内工作，提升电动汽车的经济性能［10］。

发动机在低温状态下启动时，进入发动机的气体温度较低，不易被点燃，可以适当地增加混合气的浓度，使发动机更容易启动。增程发动机在冷启动时采用开环控制，一般通过查询脉谱表的方式来控制发动机喷油脉宽［11-12］。

本文基于发动机万有特性曲线的相关理论，在2 s时刻启动机开始拖动发动机，约4.5 s时刻发动机转速稳定至目标转速800 r/min，发动机完成启动的时间约为2.6 s。实际应用中，发动机每次启动的情况基本一致，所以发动机启动控制一般利用试验的标定数据进行开环控制。发动机的一般转速在1 000～3 500 r/min之间，在3 000 r/min的转速时，发动机可以达到最大的输出转矩，此时发动机可以在保证汽车动力性的同时具有较好的燃油经济性［13］。因此，发动机的最佳工作点在3 000 r/min左右，本文将研究如何使发动机启动后直接至最佳工作点运行。

2 增程器控制仿真平台建立

2.1 原机模型建立

建立了增程器系统控制仿真平台，使用GTPower软件建立增程发动机仿真模型，将GT-Power中的接口模块与Simulink进行耦合，在Matlab/Simulink模块中建立转速和空燃比的控制模型和增程式电动汽车整车的联合仿真模型。联合仿真模型建立的过程，如图1所示。

图1 联合仿真模型建立过程

本文仿真模型的参数是基于某型增程发动机，其具体的指标见表1。电子节气门的装配，可以对发动机的相关参数进行有效控制，该发动机还具备独立进排气的双VVT系统，叶片操作范围为40 °CA。

表1 某型增程发动机主要参数

燃烧模型采用预测燃烧模型（SITurb），该模型能够考虑到诸多因素的影响，如发动机的几何参数、混合气成分与温度、燃烧室设计、空燃比、缸内气流运动等［14］。

SITurb燃烧模型的数学表示为：

式中：Me为未燃混合气的质量，kg；ρu为未燃混合气的密度，kg/m3；Ae为边界处的火焰前锋面表面积，mm2；ST为湍流燃烧速度，m/s；SL为层流燃烧速度，m/s；Mb为已燃混合气质量，kg；τ为时间常数；λ为泰勒微尺度长度，μm。

应用SITurb燃烧模型时需要对影响湍流燃烧速率的参数进行调整，稀释效应乘数（Dilution Effect Multiplier，DEM）的数值越大，对燃烧放热率的影响越小；湍流火焰速度乘数（Turbulent Flame Speed Multiplier，TFSM）的数值越大，燃烧速度越快，燃烧过程的持续时间越短。

本文使用GT-Power优化工具箱，以所有工况下的CA10-90（10%到90%燃料完全燃烧对应的曲轴角）、CA50（50%燃烧时刻）以及Pmax（最大缸压）仿真和试验结果之间的差值作为优化目标，通过遗传算法进行全局优化，找到一组DEM、TFSM等参数的组合。其部分参数设置为：DEM设置为1，TFSM设置为0.77。

2.2 原机仿真模型验证

图2和图3分别是在2 000 r/min和4 000 r/min的转速条件下，缸压和放热率的仿真与试验结果的对比，结果表明，不同转速下，所建立模型的缸压和放热率仿真值与试验值相接近；图4为转矩、比油耗的仿真值与试验值对比，可以得出转矩、比油耗的仿真与试验结果的最大误差分别约为4.2%、3.7%，均低于5%。

图2 缸压的仿真与试验结果对比

图3 放热率的仿真与试验结果对比

图4 转矩、比油耗仿真值与试验值对比

综上表明建立的仿真模型与原机具有较好的一致性，可用于基础计算以及开展研究分析。

2.3 增程式电动汽车联合仿真模型建立

在建立的原机模型基础上进行改进，添加外部冷却废气再循环模型，应用缸内直喷代替原先的进气道喷射，将4缸机模型改为3缸机模型，建立小排量增程发动机模型。

基于建立的增程发动机仿真模型，需要建立对应的控制模型使其能在各种工况下稳定运行，通过调节节气门开度实现对转速的控制。发动机启动期间，目标转速是先使发动机稳定启动至怠速转速1 000 r/min，然后再拉升至3 000 r/min的常态工作点下稳定运行；目标空燃比在启动及怠速运转期间适当加浓，常态工作点下控制在1附近。

以上建立了增程发动机在冷启动下的控制策略模型，在此基础上，建立电机和电池模型，添加车身模块并设置具体参数，建立增程式电动汽车的整车联合仿真模型，并根据需要设置了车辆运行过程中加减速的参数，以及发电机在额定工作状态下的转矩等参数。从开始至第17 s，车辆保持某一较低车速，第17 s时开始加速，22 s时加速至某一较高车速并保持车速至27 s，然后开始减速，至32 s时，减速至原始车速并保持。将车速需求转化为驱动电机转速信号，输入至驱动电机速度控制模块中与驱动电机实际速度进行比较，通过控制器控制驱动电机进行转矩调整。设定发电机在额定工作状态运行，转矩95.5 Nm，并加以±5 Nm的干扰信号，通过Simulink-PS转换模块将信号传输至发电机转矩输入，同时通过PSSimulink转换模块传递至发动机转矩输入。增程式电动汽车的整车联合仿真模型如图5所示。

图5 增程式电动汽车的整车联合仿真模型

3 结果与讨论

3.1 冷启动过程仿真结果分析

传统PID控制冷启动时发动机启动、怠速和过渡工况下的转速及空燃比仿真结果，如图6a所示。由图可知，在0.2 s时刻启动机开始拖动发动机启动，转速缓慢上升，1 s内到达怠速转速1 000 r/min并维持在怠速附近，在工况过渡时，5 s时刻发动机开始由怠速向常态工作点运行，期间转速仍有一些抖动。约经过2 s后，在常态工作点3 000 r/min的转速下稳定运行。传统PID控制冷启动时发动机启动、怠速和过渡工况下的空燃比仿真结果，如图6b所示，采用过量空气系数来反映空燃比情况。由图可知，过量空气系数在发动机启动后明显上升，1 s时刻开始出现短暂降低。怠速运转期间过量空气系数波动较大，6 s时刻可达到2.9左右，混合气非常稀薄，燃烧不稳定。过量空气系数在经过一定的波动后，能够稳定在1附近，此时发动机在理想空燃比下运行，控制器性能良好。

图6 启动、怠速和过渡工况下转速及过量空气系数结果

采用模糊PID控制方法进行研究时，将发动机的理想空燃比14.7作为目标，系统两个输入误差E、误差变化率EC的论域分别设为［-9，15］和［-22，14］，系统的3个输出ΔKp、ΔKi和ΔKd的论域分别设为［-14，14］、［-7，7］和［-2.1，2.1］。空燃比和转速控制的模糊控制器中输入量E、EC和输出量ΔKp、ΔKi和ΔKd的分布关系分别如图7和图8所示。

图7 空燃比模糊控制器输出与输入变量的关系分布

图8 转速模糊控制器输出与输入变量的关系分布

在联合仿真模型中，模糊PID控制器输出的节气门开度和喷油量作为模型的输入，模型的输出为实际转速和空燃比，发动机由启动至怠速1 000 r/min再拖至常态工作点3 000 r/min。

模糊PID控制冷启动时起动、怠速和过渡工况下的转速仿真结果，如图9a所示，在发动机启动期间转速迅速增加，1 s时刻发动机到达怠速转速1 000 r/min。怠速区间内发动机的转速有微弱波动，并维持在怠速附近。5 s时刻发动机开始由怠速向常态工作点运行，运行过程中发动机转速能平稳地增加。约经过1.4 s后，在常态工作点3 000 r/min的转速下稳定运行。

模糊PID控制冷启动时启动、怠速和过渡工况下的空燃比仿真结果，如图9b所示，发动机启动后空燃比开始增大，此时混合气中燃油偏浓而得不到充分燃烧。1 s至5.8 s内，发动机处于怠速状态，空燃比存在一定的波动，约在5.8 s时刻过量空气系数达到最大值1.6左右，远小于采用传统PID控制的峰值。6.2 s时刻后，过量空气系数稳定在1左右，控制器性能良好。

图9 启动、怠速和过渡工况下转速及过量空气系数结果

综上所述，相较于传统PID控制，模糊PID控制在经历一开始较大的超调后，误差相对较小，响应时间较短。在对转速的控制方面，模糊PID控制没有剧烈的抖动，较为平稳，系统稳定后误差更小；对于空燃比来说，二者在启动及怠速期间过量空气系数均存在一定的波动，但采用模糊PID控制时的峰值较低，发动机的燃烧更充分，可以提高发动机燃油经济性。

3.2 稳定运行仿真结果分析

在建立好的增程发动机仿真模型，以及空燃比和转速的模糊控制器的基础上，研究增程发动机在常态工作点的稳定运行状态下的空燃比和转速控制。

利用上述搭建的整车仿真模型进行仿真分析，首先对车速进行设置，从开始至第17 s，车辆保持车速54 km/h，第17 s时开始加速，22 s时加速至72 km/h并保持车速至27 s，然后开始减速，至32 s时，减速至原始车速54 m/h并保持。然后设定发电机在额定工作状态运行，转矩95.5 Nm，并加以±5 Nm的干扰信号。增程发动机稳定运行时传统PID控制以及模糊PID控制下的转速与过量空气系数的仿真结果对比，如图10所示。发动机启动并拖至常态工作点后，始终稳定地驱动发电机发电，由于转矩设置了波动值，发动机转速也相应波动。由图可知，相较于传统PID，在模糊PID控制器的作用下，转速能较快地稳定在常态工作点3 000 r/min附近，转速响应较好；过量空气系数的峰值更小，能快速收敛到期望的当量空燃比，在当量空燃比下，燃烧效率更高，控制器性能良好。

图10 稳定运行时转速及过量空气系数结果

由图11可知，无论车辆是在加速、减速或是匀速运行状态下，发动机功率始终在30 kW左右，与发电机的额定工况相匹配。发动机工况始终保持不变，不随车辆运行工况的变化而变化，这也表明了增程发动机只驱动发电机发电，不参与驱动车辆，保证了发动机始终工作在最佳工况点，从而实现高效节能。还可以看到，第5 s车辆加速时，由于车速较低，车辆功率需求较小，发电机提供的电能满足驱动电机的需求，多余的电能便给蓄电池进行充电，可以看到，加速过程完成后，蓄电池充电功率稳定在20 kW左右；随后当车辆减速时，充电功率随车辆减速有较大的波动，减速过程结束后功率稳定在30 kW左右。

图11 增程发动机和动力电池功率