基于ISG的军用混合动力车辆发动机启动性能仿真

边浩然，徐正飞，曾繁琦，资新运，张英锋

(1.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.陆军军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

● 车辆工程VehicleEngineering

基于ISG的军用混合动力车辆发动机启动性能仿真

边浩然1，徐正飞2，曾繁琦1，资新运2，张英锋2

(1.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.陆军军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

为研究军用混合动力车辆发动机启动性能，针对基于启动发电一体化电机(ISG)的混合动力车辆，建立气压差阻力矩和活塞惯性阻力矩数学模型；通过分析三相永磁同步电机矢量控制原理，建立电机数学模型；以Simulink为仿真平台，搭建基于ISG的混合动力车辆的发动机启动模型，得出了启动过程发动机阻力矩的变化情况和转速变化曲线。仿真结果表明，所采用的ISG电机及控制策略满足发动机快速稳定启动的要求。

Simulink；启动发电一体化电机；混合动力；启动性能

Abstract: To study the start-up performance of military hybrid vehicle engine, the paper firstly establishes mathematical models of pressure difference resistance moment and piston inertia resistance moment according to hybrid vehicle based on ISG. Then, it establishes a motor mathematical model by analyzing vector control principle of three-phase permanent magnet synchronous motor (PMSM). Finally, it sets up an engine start-up model of hybrid vehicle based on ISG with Simulink as simulation platform, and obtains the changing situation of resistance moment and rotation change curve. The simulation result shows that the ISG and its control strategy can meet the requirements of engine starting quickly.

Keywords: Simulink; integrated starter/generator (ISG); hybrid; start-up performance

基于启动发电一体化电机(integrated starter/generator，ISG)的混合动力车辆通过怠速启停、电动助力、制动能量回收等技术实现了优化排放、降低燃油消耗率的目的[1-2]。军用车辆是军队重要机动平台，战时油料需求巨大。开发基于ISG的军用混合动力车辆有利于降低单车燃油消耗，减轻油料保障压力，具有重要的应用价值。

怠速启停技术是指停车时，控制器分析车辆状态、驾驶员动作意图，当满足一定条件时，自动关停发动机，取消其怠速运转，达到节油的目的。传统车辆发动机启动时喷油转速较低，达到喷油转速后，通过加浓喷油的方式使发动机快速达到怠速转速；而混合动力车辆通过ISG提高发动机启动转速，取消加浓喷油过程，从而优化了启动过程排放[3-4]。发动机停机不能影响驾驶员正常驾驶，因此要求发动机能够快速启动，一般为0.5 s。李红朋等[5]分析了基于ISG的发动机启动过程阻力，讨论了电机控制策略，并进行了仿真，但仿真过程将发动机阻力设为定值，未体现发动机启动过程阻力矩的动态变化。田硕[6]分析了ISG柴油发动机启动阻力矩，并进行了理论与试验结果对比，但未对活塞的惯性阻力矩进行分析，且推导过程较为简略。

本文分析了基于ISG的发动机启动阻力矩，并在仿真中建立了启动阻力矩动态模型，力求仿真结果更接近真实情况。

1 动力系统方案

基于ISG的发动机启动系统，整体方案如图1所示，主要包括ISG电机、发动机、电机控制器、发动机控制器等，发动机曲轴与ISG转子刚性连接，同速转动。

图1 发动机启动系统整体方案

发动机启动过程为启动电机克服发动机阻力矩做功，将发动机转速带至启动转速。因此启动过程主要包括发动机阻力分析和ISG电磁转矩控制。

2 发动机启动过程阻力分析

发动机启动过程的阻力组成复杂，文献[5]对发动机启动阻力进行了较为详细的分析，研究了汽缸压缩阻力、活塞环摩擦阻力、活塞裙部摩擦阻力、气门机构摩擦阻力、活塞往复惯性力以及附属部件运行阻力，得出了启动过程各部分阻力作用在曲轴上的总阻力矩为T=f(α，ω),其中，α为曲轴转角，ω为曲轴转速。实际上，发动机启动过程是一个动态复杂的过程，对模型进行适当简化后，发动机启动阻力矩包括摩擦力矩Τf、气压差力矩Tgas、惯性力阻力矩Ts。简化后发动机启动阻力如图2所示。

图2 发动机启动阻力分析

图中，v和ω分别为该时刻活塞运动速度和曲轴角速度，Τf为摩擦力矩，P1为汽缸内空气压力，P0为大气压力，G为活塞自身重力，F1为连杆作用于活塞销的力，α、β分别为连杆与曲柄转角。

2.1摩擦力矩

摩擦力矩包括活塞与汽缸壁之间的摩擦力、连杆与活塞销间的摩擦力、曲轴与连杆间摩擦力、气门凸轮机构摩擦力，以及附属部件如空调压缩机、水泵等产生的摩擦力矩等。对于启动电机，上述摩擦阻力矩可转化到曲轴上，合成与曲轴转速方向相反的阻力矩Tf。根据已有研究，摩擦阻力矩为转速的二次多项式[6-7]，且随温度下降，摩擦阻力矩增大。

考虑到摩擦部件数量大、种类多，且模型中存在大量不易测得的系数，建立数学模型复杂且不准确，该摩擦力矩可通过特定条件下的倒拖试验获得。

2.2气压差力矩

如图3所示，对于4缸发动机，曲柄转角互差180°，任意时刻均存在进气、压缩、做功、排气4个进程，需要说明的是，此时的做功行程为被压缩的空气做功，而非燃气。

图3 气压差阻力矩分析

对于启动压差阻力矩，由于进气与排气两个冲程汽缸内空气压力变化较小，因此只对压缩和做功两个冲程的汽缸压力进行分析。

汽缸内空气满足气体状态方程：

(1)

式中：Va为汽缸总容积；V(α)为汽缸瞬时容积；k为绝热系数。

由图3所示发动机工作过程几何关系可知，汽缸瞬时容积满足下式：

V(α)=Vc+S·x(α)

(2)

(3)

式中：Vc为燃烧室容积；S为汽缸横截面积；x(α)为活塞由上止点向下走过的距离；R为汽缸半径；L为活塞行程。

因此，气压差阻力矩为

Τgas(α)=Tgas压(α)+Tgas功(α)=

Tgas压(α)+Tgas压(α+π)=

(P1(α)-P0)S·R·K(α)+

(P1(α+π)-P0)S·R·K(α+π)

(4)

式中：K(α)为转换系数：

(5)

考虑发动机启动时汽缸漏气情况，仿真时可令压缩比小于理论值。实际上漏气与散热过程是持续动态过程，单汽缸的一个工作循环中，做功冲程空气膨胀对曲轴的助力矩应小于活塞位于相同位置气体被压缩时对曲轴的阻力矩，考虑启动过程时间短、转速快，故对模型进行了适当简化。

2.3惯性力矩

发动机启动惯性力矩包括活塞往复直线运动惯性力作用于曲轴上的力矩Ts1、曲轴自身转动惯性力矩Ts2，以及凸轮、水泵等部件的运动惯性力。对于凸轮、水泵等部件，其惯性力较小，此处只对活塞往复运动惯性力和曲轴转动惯性力进行分析。

2.3.1 活塞往复运动惯性力矩

(a)活塞下行 (b)活塞上行图4 活塞往复运动惯性力分析

对于图4(a)活塞运动方向情况，有

(6)

图4(b)则有

(7)

考虑曲轴转角α，注意到，图4(a)中sinα>0，图4(b)中sinα<0，则式(6)和式(7)可归纳为

(8)

在Simulink模型中，可利用Switch模块实现比较输出。

则活塞i的运动惯性力作用于曲轴的惯性阻力矩为

(9)

因此，发动机活塞往复运动惯性阻力矩为

(10)

2.3.2 曲轴转动阻力矩

曲轴转动阻力矩可根据式(10)求得

(11)

由于曲轴转动惯量J为常量，且曲轴转速与ISG转子转速一致，故仿真时可将曲轴转动惯量转化到ISG转子转动惯量上，简化仿真模型。

2.4合阻力矩

根据以上分析，发动机启动过程中的阻力矩为

T=Tf+Tgas+Ts

(12)

惯性阻力矩Ts分为活塞往复直线运动阻力矩Ts1和曲轴转动惯性阻力矩Ts2，在Simulink仿真时，曲轴转动惯性阻力矩体现在将曲轴转动惯量加到启动电机转子转动惯量上，故作为负载输入电机模型的阻力矩为

T'=Tf+Tgas+Ts1

(13)

3 ISG矢量控制数学模型

ISG选取面装式三相交流永磁同步电机。永磁电机采用永磁体励磁，省去了励磁绕组，因而在电动和发电两种状态下效率更高，且避免了励磁绕组发热，使电机的工作条件更广。永磁同步电机的转矩控制方法一般为矢量控制或直接转矩控制，本文选取基于转子定向的矢量控制方法。

3.1矢量控制原理

电动机是将电能转化为机械能的装置，其转矩控制是转速、位置等控制的核心内容，定、转子通过磁场相互作用产生电磁转矩，电磁转矩计算式[8]为

Te=p0×ψf×is=p0·|ψf|·|is|·sinγ

(14)

式中：Te为电磁转矩；p0为转子极对数；ψf为永磁体磁链矢量；is为定子绕组磁链矢量；γ为定、转子磁链矢量夹角。

由式(14)可知，只需控制定、转子磁场及磁场夹角即可控制电磁转矩。对于永磁同步电机，转子磁场由永磁体建立，在电机制成后基本不变，因此需控制定子绕组磁场及其与转子磁场夹角。

3.2坐标变换

面装式永磁同步电机气隙均匀可忽略磁阻转矩， 轴电压方程为

(15)

式中：ud、uq、id、iq分别为d、q轴电压、电流；ωe为转子电角速度,ωe=p0ωm，ωm为转子机械角速度。

同步旋转坐标轴电压通过坐标变换即可求出定子三相电压，即

(16)

3.3电机控制策略

对于面装式永磁同步电机，因忽略磁阻转矩，故id=0，控制策略与最大转矩电流比控制策略相同，此时γ=π/2，定子电流全部用来产生电磁转矩。则d,q轴电压为

(17)

式中：R为定子相绕组电阻；Lq为q轴电感。

4 发动机启动系统Simulink模型

Simulink是一个基于Matlab的进行动态系统建模、仿真分析的集成软件包，通过鼠标交互式建模，系统各部分模块化集成，模块功能及信号连接关系可视化，使得控制系统逻辑清晰，方便检查。

4.1模型搭建

发动机启动模型主要包括电源模块、三相永磁同步电机模块、发动机阻力矩模块、转速PI控制模块以及电流PI控制模块。发动机、电机部分参数见表1、表2

表1 发动机部分参数

表2 ISG部分参数

搭建仿真模型如图6所示，电机控制采用空间矢量脉宽调制的控制方式，具有抑制谐波、减小电机脉动的优点。忽略阻尼，电机初始速度为零。

4.2仿真结果

根据搭建的Simulink仿真模型，发动机预设转速为Nr=600 r/min。图7所示为启动过程发动机阻力矩、曲轴转速变化图。系统用时0.52 s发动机达到启动转速，满足ISG混合动力车辆启动的要求。启动过程中气压差阻力矩和惯性阻力矩呈周期波动，引起启动过程转速不稳定。

图6 发动机启动Simulink仿真模型

(a)阻力矩

(b)曲轴转速图7 发动机启动过程仿真结果

5 结 语

本文分析了发动机启动阻力，建立了气压差阻力矩、活塞惯性阻力矩数学模型；而后介绍了三相永磁同步电机矢量控制原理，建立了电机数学模型；最后结合发动机、ISG部分参数，以Simulink为仿真平台，搭建了基于ISG的混合动力车辆的发动机启动模型，得出了启动过程发动机阻力矩的变化情况和转速变化曲线。分析结果可知，所设计的基于ISG电机的启动系统可在规定时间内启动发动机，启动过程中气压差阻力矩以及活塞惯性阻力矩可引起转速明显波动。

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(编辑：张峰)

Start-upPerformanceSimulationofMilitaryHybridVehicleEngineBasedonISG

BIAN Haoran1, XU Zhengfei2, ZENG Fanqi1, ZI Xinyun2, ZHANG Yingfeng2
(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.09.008

U464．142

A

1674-2192(2017)09- 0030- 05

2017-03-16；

2017-04-17．

边浩然(1979—)，男，硕士研究生；资新运(1971—)，男，博士，教授，博士研究生导师．