專利名稱：一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種客車的輔助功率單元及控制方法，特別是關(guān)于一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元及控制方法。
背景技術(shù)：
串聯(lián)混合動力客車的功率源一般是由車載發(fā)電系統(tǒng)11和動力電池12兩部分組成 (如圖1所示)。車載發(fā)電系統(tǒng)11也稱為輔助功率單元，輔助功率單元由發(fā)動機13、發(fā)電機 14、整流器15構(gòu)成，用于向動力總線輸送電能量給牽引電機16，并為動力電池12充電。輔助功率單元可以廣泛應(yīng)用于混合動力客車中，其低成本、高效率和低排放是混合動力客車總的發(fā)展趨勢，且輔助功率單元本身的控制一直以來也是研究的難點問題之一。目前在串聯(lián)混合動力客車中，輔助功率單元大都采用柴油發(fā)動機+電勵磁發(fā)電機+不可控整流器的構(gòu)型，但是由于電勵磁發(fā)電機的功率密度和效率較低，因此影響了整個輔助功率單元的體積和效率。輔助功率單元也有采用柴油發(fā)動機+永磁同步發(fā)電機+PWM整流器的構(gòu)型，通過系統(tǒng)的解耦，可以方便地對柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速、柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)矩進行控制，使柴油發(fā)動機工作在高效率區(qū)，可以在很大程度提高輔助功率單元的效率和燃油經(jīng)濟性，但是PWM整流器卻增加了輔助功率單元的成本。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種功率密度大、效率高、成本低的串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元及控制方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元，其特征在于它包括柴油發(fā)動機，永磁同步發(fā)電機，三相不可控整流器和輔助功率單元控制器，所述輔助功率單元控制器包括前饋控制器和PID控制器；所述柴油發(fā)動機的輸出端連接所述永磁同步發(fā)電機，所述永磁同步發(fā)電機的輸出端連接所述三相不可控整流器，所述三相不可控整流器輸出端并聯(lián)連接一電壓傳感器、串聯(lián)連接一電流傳感器；將所述電壓傳感器采集到的直流電壓與混合動力客車整車控制器發(fā)出的目標功率信號，通過計算得到的目標電流輸入所述前饋控制器，將所述電流傳感器采集到的實際輸出電流與所述目標電流之間的電流誤差輸入所述PID控制器，所述前饋控制器的輸出值與所述PID控制器的輸出值相加后作為噴油量輸入所述柴油發(fā)動機。所述柴油發(fā)動機是高壓共軌柴油發(fā)動機。所述永磁同步發(fā)電機是高效稀土永磁同步發(fā)電機。所述三相不可控整流器由功率二極管組成。上述輔助功率單元的控制方法，包括以下步驟1)將由混合動力客車整車控制器發(fā)出的目標功率信號與由三相不可控整流器輸出端采集的直流電壓信號進行計算，得到輔助功率單元的目標電流目標電流=目標功率/三相不可控整流器輸出的直流電壓；2)將步驟1)得到的目標電流和由三相不可控整流器3輸出端采集的實際輸出電流信號進行電流誤差計算電流誤差=目標電流-實際輸出電流；幻將由步驟幻求取的電流誤差輸入 PID控制器，將由步驟1)得到的目標電流I輸入前饋控制器，利用預置在前饋控制器中的計算公式mf = f (I)，得到前饋控制器的輸出值mf;4)將前饋控制器的輸出值和PID控制器的輸出值相加作為柴油發(fā)動機的噴油量。所述計算公式mf = f(I)為輔助功率單元在穩(wěn)態(tài)平衡條件下，通過試驗得到的柴油發(fā)動機噴油量和輔助功率單元輸出電流的關(guān)系，進而擬合出以輔助功率單元目標電流I 為自變量，以柴油發(fā)動機噴油量mf為因變量的相應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明的輔助功率單元由于采用柴油發(fā)動機+永磁同步發(fā)電機+不可控整流器的構(gòu)型，同時在不可控整流器的輸出端設(shè)置了電壓傳感器和電流傳感器，因此可以將實時得到的電壓和電流信號反饋給輔助功率單元控制器，隨時對柴油發(fā)動機的噴油量進行調(diào)整，使本發(fā)明的輔助功率單元的功率密度大、效率高、成本低。2、本發(fā)明的控制方法采用以柴油發(fā)動機噴油量作為控制變量的單變量控制方法，設(shè)計前饋+PID反饋控制算法對輔助功率單元的輸出功率進行調(diào)節(jié)，因此有效地保證了輔助功率單元功率輸出的動態(tài)特性。本發(fā)明可以廣泛用于混合動力客車中。


圖1是一般功率源的組成形式圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明的輔助功率單元的控制方法流程示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖2、圖3所示，本發(fā)明的輔助功率單元包括柴油發(fā)動機1，永磁同步發(fā)電機2， 三相不可控整流器3和輔助功率單元控制器4。輔助功率單元控制器4包括前饋控制器41 和PID控制器42。柴油發(fā)動機1輸出端通過聯(lián)軸器5連接永磁同步發(fā)電機2，永磁同步發(fā)電機2輸出端通過三根電纜6連接三相不可控整流器3，三相不可控整流器3輸出端并聯(lián)連接一電壓傳感器7、串聯(lián)連接一電流傳感器8，電壓傳感器7的另一端連接地線，電流傳感器8另一端連接動力電池9以及牽引電機。將所述電壓傳感器7采集到的直流電壓信號與混合動力客車整車控制器發(fā)出的目標功率信號，通過計算得到的目標電流輸入前饋控制器 41，將電流傳感器8采集到的實際輸出電流與目標電流之間的電流誤差輸入PID控制器42 中，將前饋控制器41的輸出值與PID控制器42的輸出值相加后作為噴油量輸入柴油發(fā)動機1。上述實施例中，本發(fā)明的柴油發(fā)動機1可以采用高壓共軌柴油發(fā)動機(僅以此為例，但不限于此)，柴油發(fā)動機1噴油量用于控制柴油發(fā)動機1的輸出功率，進而實現(xiàn)以柴油發(fā)動機1噴油量作為輔助功率單元控制變量的單變量控制。本發(fā)明的永磁同步發(fā)電機2可以采用高效稀土永磁同步發(fā)電機(僅以此為例，但不限于此)。三相不可控整流器3可以由功率二極管組成(僅以此為例，但不限于此)。本發(fā)明的串聯(lián)混合動力客車輔助功率單元控制方法，包括以下步驟1)將由混合動力客車整車控制器發(fā)出的目標功率信號與由三相不可控整流器3輸出端采集的直流電壓信號進行運算，得到輔助功率單元的目標電流目標電流=目標功率/三相不可控整流器輸出直流電壓；2)將由步驟1)得到的目標電流與由三相不可控整流器3輸出端采集的實際輸出電流信號進行誤差求取電流誤差=目標電流-實際輸出電流；3)將由步驟1)得到的目標電流送入前饋控制器41，利用預置在前饋控制器41中的計算公式mf = f (I)，得到前饋控制器的輸出值，其中I為某一時刻的目標電流值，mf是在該目標電流I下對應(yīng)的噴油量值；同時將由步驟幻求取的電流誤差輸入PID控制器42，得到一個PID控制器42輸出值，該數(shù)值為一針對電流誤差的補償噴油量值；4)將前饋控制器41的輸出值和PID控制器42的輸出值相加，共同決定柴油發(fā)動機1的噴油量。上述步驟幻中，計算公式mf = f (I)為輔助功率單元在穩(wěn)態(tài)平衡條件下，通過試驗得到的柴油發(fā)動機噴油量與輔助功率單元輸出電流的關(guān)系，從而擬合出以輔助功率單元目標電流I為自變量，以柴油發(fā)動機噴油量％為因變量的方程式mf = f (I)。將該方程式作為前饋控制器算法預置在前饋控制器41中，在輔助功率單元的動態(tài)工作中，該前饋控制器41 以輔助功率單元目標電流作為輸入，以前饋控制器輸出值作為柴油發(fā)動機噴油量的前饋控制量，利用前饋控制解決動態(tài)過程中非線性耦合問題，加快目標指令的跟蹤速度，利用PID 反饋控制消除穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。上述計算公式mf = f (I)基于以下原理設(shè)發(fā)動機的有效輸出功率為
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元，其特征在于它包括柴油發(fā)動機，永磁同步發(fā)電機，三相不可控整流器和輔助功率單元控制器，所述輔助功率單元控制器包括前饋控制器和PID控制器；所述柴油發(fā)動機的輸出端連接所述永磁同步發(fā)電機，所述永磁同步發(fā)電機的輸出端連接所述三相不可控整流器，所述三相不可控整流器輸出端并聯(lián)連接一電壓傳感器、串聯(lián)連接一電流傳感器；將所述電壓傳感器采集到的直流電壓與混合動力客車整車控制器發(fā)出的目標功率信號，通過計算得到的目標電流輸入所述前饋控制器，將所述電流傳感器采集到的實際輸出電流與所述目標電流之間的電流誤差輸入所述PID控制器， 將所述前饋控制器的輸出值與所述PID控制器的輸出值相加后作為噴油量輸入所述柴油發(fā)動機。
2.如權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元，其特征在于所述柴油發(fā)動機是高壓共軌柴油發(fā)動機。
3.如權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元，其特征在于所述永磁同步發(fā)電機是高效稀土永磁同步發(fā)電機。
4.如權(quán)利要求2所述的一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元，其特征在于所述永磁同步發(fā)電機是高效稀土永磁同步發(fā)電機。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元，其特征在于所述三相不可控整流器由功率二極管組成。
6.如權(quán)利要求1 5任一項所述的所述輔助功率單元的控制方法，包括以下步驟1)將由混合動力客車整車控制器發(fā)出的目標功率信號與由三相不可控整流器輸出端采集的直流電壓信號進行計算，得到輔助功率單元的目標電流目標電流=目標功率/三相不可控整流器輸出的直流電壓；2)將步驟1)得到的目標電流和由三相不可控整流器輸出端采集的實際輸出電流信號進行電流誤差計算電流誤差=目標電流-實際輸出電流；3)將由步驟幻求取的電流誤差輸入PID控制器，將由步驟1)得到的目標電流輸入前饋控制器，利用預置在前饋控制器中的計算公式mf = f (I)，得到前饋控制器的輸出值mf;4)將前饋控制器的輸出值和PID控制器的輸出值相加作為柴油發(fā)動機的噴油量。
7.如權(quán)利要求6所述的一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元的控制方法，其特征在于所述計算公式mf = f(I)為輔助功率單元在穩(wěn)態(tài)平衡條件下，通過試驗得到的柴油發(fā)動機噴油量和輔助功率單元輸出電流的關(guān)系，進而擬合出以輔助功率單元目標電流I為自變量，以柴油發(fā)動機噴油量1%為因變量的相應(yīng)關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種串聯(lián)混合動力客車的輔助功率單元及控制方法，其特征在于它包括柴油發(fā)動機，永磁同步發(fā)電機，三相不可控整流器和輔助功率單元控制器，輔助功率單元控制器包括前饋控制器和PID控制器；柴油發(fā)動機的輸出端連接永磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機的輸出端連接三相不可控整流器，三相不可控整流器輸出端并聯(lián)連接一電壓傳感器、串聯(lián)連接一電流傳感器；將電壓傳感器采集到的直流電壓與混合動力客車整車控制器發(fā)出的目標功率信號，通過計算得到的目標電流輸入前饋控制器，將電流傳感器采集到的實際輸出電流與目標電流之間的電流誤差輸入PID控制器，前饋控制器的輸出值與PID控制器的輸出值相加后作為噴油量輸入柴油發(fā)動機。本發(fā)明可以廣泛用于混合動力客車中。
文檔編號B60K6/20GK102267366SQ20111013047
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者盧蘭光, 吳曉剛, 徐梁飛, 楊福源, 歐陽明高 申請人:清華大學