电动增压动态响应特性试验研究

2021-12-29丁占铭孔冰程振宇王晓远张岩曹晓琳

车用发动机 2021年6期

丁占铭，孔冰，程振宇，王晓远，张岩，曹晓琳

(1.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072；2.中国北方发动机研究所柴油机高增压技术国防科技重点实验室，天津 300400；3.山西柴油机工业有限责任公司，山西大同 037036)

电动增压具有加速响应快、调节灵活度高、增压效率高等优点，是当前国内外增压技术的发展热点[1-2]。对内燃机而言，电动增压能够解除传统涡轮增压对排气能量的依赖，大幅提升进气压力及流量的响应性，显著提升内燃机的低速扭矩和加速性。基于电动增压易实现瞬态工况下的空燃比控制，降低加减速过程中的瞬态排放[3-4]，这对内燃机满足日益严苛的排放法规至关重要。由于电动增压效率高、噪声相对较小等优点，电动增压技术在燃料电池上同样有着广阔的应用前景。

随着内燃机与燃料电池等车用动力装置对电动增压技术需求度不断提高，国内外诸多企业和科研机构开展了电动增压技术研究。Yamashita等[5]设计了额定功率2 kW、工作转速140 000 r/min的电动增压器，加速响应时间小于1 s，可使发动机扭矩响应时间缩短35%。博格华纳研发了多种型号的电动增压器[6]，且通过研究证实，电动增压可使发动机在FTP-75驾驶循环下的燃油经济性提升约4%。大陆集团[7]开发的电动增压器最高转速70 000 r/min，能够使发动机油耗降低8.5%。Pierburg公司的Rothgang等[8]设计的电动增压器加速响应时间不超过350 ms。Aeristech有限公司的Tran等[9]开发了最高转速120 000 r/min的电动增压器，可将发动机扭矩响应时间缩短50%。密歇根大学的Salehi等[10]研究认为，电动增压器可将内燃机低速低负荷时的燃油经济性提升4.6%。北京理工大学韩冀宁等[11]的仿真研究表明，电动增压可使发动机低速油耗降低3 g/(kW·h)。本田公司的Sugawara等[12]发现，采用电动增压技术后燃料电池电堆效率及功率得到有效提升，噪声显著降低。

在更深入掌握系统控制特性的基础上，可以通过优化控制策略取得更好的性能。密歇根州立大学的Men[17]设计了线性二次型调节器来控制柴油机电动增压器对目标压力信号的追踪情况。与PID控制器相比，线性二次型调节器能够显著降低超调，而且能够大幅缩短响应时间。ABB公司Cortinovis等[18]研究了基于模型预测控制电机转矩来提升工业电动空压机稳定性的方法，将压气机喘振裕度提升11%，同时将控制系统响应时间缩减为原来的一半。Cortinovis等指出，为了实现更精准的瞬态控制，需在深入研究电动空压机的非线性特性。

综合国内外研究现状，电动增压技术已受到广泛关注。为了获得更优控制特性，对电动增压控制方法的研究逐渐增多。然而，目前对电动增压器动态响应特性的研究很少，这使得对电动增压器中高速电机、压气机等部件的复杂耦合关系认知不足，难以摸清电动增压器的动态控制特性，在一定程度上影响了电动增压器控制方法的优化提高。本研究开展了电动增压器动态响应特性试验研究，通过分析目标转速突变、背压阀变化、喘振等工况下电流、转速、压力等参数的变化规律，得到电动增压器关键参数动态响应规律，分析参数间关联关系，为深化电动增压器控制方法的研究奠定基础。

1 电动增压器试验台架

电动增压器动态响应特性的试验台架见图1。压气机进口和出口处各布置一个动态压力传感器，以测量电动增压器进出口瞬态压力的变化。采用可变磁阻转速传感器测量电动增压器转速的动态变化。在电动增压器控制器的输入与输出端，分别测量直流电流与电压、三相交流电压与电流，记录其动态变化规律。各动态信号采集所用传感器的型号及参数见表1。

图1 电动增压器动态响应试验台架

表1 动态传感器型号及参数

所有动态信号采用HBM eDrive功率分析仪采集，采样率设置为250 kHz，采样精度0.015%，足以精确捕捉本研究关心的电动增压器压力、转速、电压、电流等参数的动态变化。进口流量、进出口总温和总压等测点均采用稳态传感器，用于确定压气机稳态工作点。

以某单级电动增压器为试验对象，它主要由压气机、永磁同步高速电机、空气轴承等组成，最高转速100 000 r/min，稳态性能见图2。电动增压器采用常规PI控制，研究对象具有一定的代表性。

图2 电动增压器稳态特性图

2 目标转速突变下电动增压响应特性

为了摸清电动增压器动态响应特性，开展了多种目标转速突变工况下的动态试验研究。试验过程中，电动增压器控制器母线直流电压恒为540 V。

图3示出相同初始转速、不同目标转速下，电动增压器相电流和相电压有效值、转速以及进出口压力的动态响应曲线，试验中背压阀开度恒为35%。理论上永磁同步电机的三相电压、电流相同，仅以u相为代表分析相电压与相电流的响应规律。在不同目标转速下，电动增压器的相电流出现相似的阶跃倍增，而后相电流以相同的规律随时间缓慢减小。从30 000 r/min加速到70 000 r/min和90 000 r/min工况下，相电流突增至最大值的响应时间为4.5 ms左右。当实际转速接近目标转速时，相电流有效值突然减小，随后经反馈调节趋于稳定。在目标转速突变时，相电压的有效值出现不足20 V的跃升，而后随时间逐渐升高，实际转速接近目标转速时趋于稳定。

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图3 不同目标转速下电动增压升速响应曲线

电动增压器的加速过程如图3c所示。电动增压器从30 000 r/min加速到40 000 r/min，70 000 r/min，90 000 r/min的时间约为0.34 s，0.9 s和1.4 s。电动增压器的加速过程满足式(1)。

(1)

式中：J为电动增压器转子转动惯量；ω为角速度；τm为电机转矩；τc为压气机转矩；τs为轴系摩擦转矩。

当目标转速突变时，相电流的突然增高使得电机转矩跃升，而压气机和轴系摩擦等负载和损失转矩基本不变，因此电动增压器进入急加速状态；随着转速升高，电机转矩增大，同时压气机转矩也明显增大，转速的增长速率逐步减缓；当转速接近目标转速时，相电流大幅减小，转速的增长也明显放缓。由于不同目标转速下相电流变化规律相似，因而电动增压器的加速曲线在开始时近似重合。转速变化范围较大时，转速出现较明显的超调，在30 000 r/min至90 000 r/min的调节过程中转速存在约1.5%的超调。试验结果表明，该电动增压器在转速较高时对转速的控制误差增大，在30 000 r/min，40 000 r/min下电机转速控制误差约为20 r/min，而在70 000 r/min，90 000 r/min下，电机转速控制误差增大为300 r/min。该增压器还存在加速前短暂降速的现象。这些问题反映了该电动增压器的控制策略存在提升空间。

图3d和图3e给出了电动增压器进出口压力的动态变化曲线。压力波在管道内的传播速度可用声速表征，压气机产生的压力波至进出口压力测点的传播时间不足2 ms，加上压力脉动等原因，试验中很难观测到压力波传播引起的响应迟滞，因此，进出口压力与转速基本呈同步变化。当目标转速突变时，压气机进口压力先是突然减小约0.3 kPa，而后略有回升，之后逐步变化至稳定值。出口压力同样先出现小幅扰动，而后逐步升高、调整至稳定值。不同目标转速下，电动增压器出口压力的变化规律和响应时间类似。在30 000 r/min至90 000 r/min的调节过程中，出口压力超调量约为2%。增压器进出口压力的响应曲线与电动增压器的转速变化息息相关，目标转速突变时出现的转速失控现象导致进出口压力均出现小幅扰动。值得注意的是，增压器加速前的突然降速(10～30 ms内转速降低5 000～10 000 r/min)不但没有引起进口压力的突增，反而带来了进口压力的突降，说明动态过程中压力与转速的关联规律与稳态下并不相同。

图3说明，当目标转速突变时，虽然各参数动态变化规律不同，但开始变化的时间基本相同，未观测到明显的时间延迟。对比来看，机械参数和气动参数的响应时间是电气参数的响应时间的数十倍至数百倍。相电流的响应时间最短，随着目标转速的变化而阶跃调整，这也是电动增压器动态特性优越的关键所在。转速升高范围较大时，转速和压力均存在超调现象，说明若希望动态控制精度在2%以内，电动增压器应视为二阶或更高阶的非线性系统。

图4示出降速工况下电动增压器参数变化规律。在目标转速突然降低时，电机相电流有效值突降，导致电动增压器驱动转矩不足，转速逐步降低至目标值，出口压力也随着转速的降低而下降。与升速工况不同的是，降速工况下相电流的控制策略与转速变化幅度有关。如图4a所示，初始转速为40 000 r/min时，相电流经历一次突降后，转速很快接近目标值，调整过程相对较快；初始转速为70 000 r/min时，相电流在突降后还出现缓慢降低的过程，随后的小幅调整过程也变长；初始转速为90 000 r/min时，转速变化幅度最大，相电流有效值分两阶段突降，相电流首先突减至初始值的40%左右，维持一定时间后再次阶跃降低，随后缓慢调整至目标值。

图4 不同初始转速下电动增压降速响应曲线

背压阀开度会影响电动增压器的压比和流量，背压阀开度增大会引起电动增压器流量增大、压比降低，在试验所选开度范围内电动增压器的负荷也会随之增加。为了能够更简单地描述电动增压器的进出口压力，引入静压比πs(如式(2))。

(2)

式中：p1,p2分别为电动增压器进口和出口静压。

电动增压器的动态响应特性会受到背压阀开度的影响。图5示出背压阀开度分别为35%和60%时电动增压器相电流、静压比、转速、三相总有效功率的动态响应曲线。试验结果表明，背压阀开度不影响电动增压器的动态响应规律，仅对响应时间和最终稳定值有影响。当目标转速从30 000 r/min提升至90 000 r/min时，不同背压阀开度下电机相电流发生相同的阶跃变化，而60%开度下电动增压器负荷较高，相电流达到稳定值所需时间更长。相应地，60%开度下静压比、转速的响应时间略大于35%开度下的响应时间。三相总有效功率的响应曲线表明，60%开度下的电机功率在1.72 s前一直略小于35%开度下的功率，这是因为60%开度下电机转速提升稍慢，导致三相有效功率稍低。在稳定之后，60%开度下的电机三相有效功率比35%开度下高约25.5%。

图5 不同背压阀开度下电动增压器动态响应曲线

3 背压变化下电动增压响应特性

研究背压变化时电动增压器动态响应特性的试验操作为：维持电动增压器转速不变，改变电动增压器后背压阀开度，此时电动增压器负载发生变化，从而引起转速、电流等参数的相应变化。

如图6，在背压阀开度从35%调节至70%，稳定数秒再调回35%的过程中，相电流、静压比和三相总有效功率的变化基本对称，而转速呈“旋转对称”特征，这与负载变化规律和电机控制有关。背压阀开度增大时，因负载增大转速较快出现约100 r/min的降低，电机相电流迅速升高、功率增大，输入电功率在0.5 s内调整至高于负载功率，将转速逐步提升至稳定值附近。反之，当背压阀开度减小时，负载降低会使转速升高，电机三相总有效功率随之降低，但电机功率的降低较为滞后，仍高于负载功率，因此转速逐步升高，直至负载功率趋于稳定后，转速迅速调整回稳定值。总体而言，电动增压器控制特性优越，转速与稳定值的偏离仅为0.1%。

图6 90 000 r/min下背压阀开度变化时动态响应曲线

在背压阀开大过程中，与静压比变化曲线相比，电机相电流与三相有效功率更早地趋于平稳，这是因为在背压阀开度升高过程中，压气机进入阻塞区，压气机耗功趋近于该转速线上的极大值，耗功的变化趋于平缓。

4 喘振工况下电动增压动态响应特性

维持电动增压器转速不变，逐步减小背压阀开度，使电动增压器进入喘振工况。如图7所示，初始时压气机工作于稳定工况，出口压力平稳；随着背压阀开度的减小，增压器出口压力出现明显扰动，幅度相对较小，且能够恢复稳定；随着背压阀开度继续关小，增压器的出口压力变为规律的周期性波动，波动幅值随着背压阀开度减小而增大。

图7 80 000 r/min下背压阀逐步关小过程的出口压力变化

图8示出80 000 r/min下电动增压器稳定状态和喘振状态中转速变化规律的对比。喘振状态下，转速波动幅值明显增大，出现明显的周期性变化。如图8b所示，频域分析表明，电动增压器在喘振状态下的转速波动存在明显的喘振频率分量。得益于电动增压器出色的控制性能，即使在喘振这样的非稳定工作状态下，电动增压器同样能够将转速波动控制在较小范围内。

图8 80 000 r/min下稳定与喘振状态下转速对比

图9示出80 000 r/min下电动增压器稳定状态和喘振状态中u相电流有效值变化规律的对比。在稳定工况下，相电流有效值的时域信号较为规律，以约75.5 Hz的频率波动，波动幅值约为均值的10%；而在喘振工况下，因气动负载降低相电流有效值的均值减小，但是波动幅值明显增大，波动幅值约为均值的17%，波形明显变得较为复杂。频域分析表明，在喘振状态下，电机的相电流有效值在26 Hz的喘振频率处存在较大分量，幅值达到均值的3.7%。因此，在未测量瞬态压力和流量的情况下，可以通过分析相电流有效值的频谱变化得到电动增压系统的喘振频率。