专利名称：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系统11和动力电池12两部分组成 (如图1所示)。车载发电系统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，通过系统的解耦，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；幻将由步骤幻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mf = f (I)，得到前馈控制器的输出值mf;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mf = 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mf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。
图1是一般功率源的组成形式图2是本发明结构示意3是本发明的辅助功率单元的控制方法流程示意图
具体实施例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mf = 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，mf是在该目标电流I下对应的喷油量值；同时将由步骤幻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。上述步骤幻中，计算公式mf = 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％为因变量的方程式mf = 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mf = f (I)基于以下原理设发动机的有效输出功率为
权利要求
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)将由步骤幻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mf = f (I)，得到前馈控制器的输出值mf;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mf = 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1%为因变量的相应关系。
全文摘要
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。
文档编号B60K6/20GK102267366SQ20111013047
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者卢兰光, 吴晓刚, 徐梁飞, 杨福源, 欧阳明高 申请人:清华大学