Fortschritte im Automobilbau
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Abstrakt

Steuerung von DPPS im Fahrzeug mittels Feed-Forward-Entkopplung

Chao Wang

Um den Widerspruch zwischen Innenraum und Strombedarf des Fahrzeugs zu lösen, wird in diesem Dokument das Dual-Generator-Parallelstromversorgungssystem (DPPS) vorgestellt. Es ist jedoch schwierig, die Spannung zu regeln und die Ausgangsleistung zwischen zwei verschiedenen Generatortypen gleichzeitig auszugleichen. Daher wurde eine Vorwärtsregelung entwickelt, um die Entkopplung des Zielstroms zweier Generatoren zu erreichen, und Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler), deren Stabilität diskutiert wird, wurden ebenfalls entwickelt, um gewünschte Werte zu verfolgen. Basierend auf der Strukturanalyse des DDPS wurde das Simulationsmodell in MATLAB/Simulink erstellt, um die vorläufige Durchführbarkeit des Schemas zu beweisen und eine Referenz für das reale System bereitzustellen. Abschließend wurden Prüfstandstests mit dynamischen Änderungen der Referenzspannung, der Motordrehzahl und der Last durchgeführt, um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass damit eine synchrone Regelung des Ausgangsspannungs- und Stromverhältnisses zweier Generatoren im DPPS erreicht werden kann. Der Generator ist eine wichtige Quelle im Stromversorgungssystem eines Fahrzeugs und auch die Hauptkomponente, die aktiv gesteuert werden kann (Denton, 2013; Athani et al., 2016; Ayaz und Erkan, 2016). Da der Rotor des Generators vom Motor angetrieben wird, wirkt sich die Leistung des Generators erheblich auf die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs aus (Adhikari et al., 2010; Ji et al., 2016). In den letzten Jahren ist der Bedarf an elektrischer Leistung für Fahrzeuge deutlich gestiegen. Die Verbesserung der Leistung einzelner Generatoren ist mit schwierigen Problemen verbunden, beispielsweise steigenden Kosten. Außerdem besteht ein Widerspruch zwischen der Begrenzung des Innenraums des Fahrzeugs und der Verbesserung der Generatorleistung, da die Nenn-/Maximalleistung immer proportional zum Volumen ist, d. h. je höher die Leistung, desto größer ist die Größe. Ein parallel geschaltetes Stromversorgungssystem mit mehreren Generatoren wird als gute Lösung angesehen (Cao, 2016). Dadurch kann nicht nur die Kapazität der Stromversorgung erweitert werden, sondern auch das Volumen im Vergleich zu einem einzelnen Generator mit derselben Nenn-/Maximalleistung reduziert werden. Tatsächlich wurde das parallele Stromversorgungssystem mit mehreren Generatoren aufgrund seiner Flexibilität und Redundanz erfolgreich in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. In der Automobilindustrie hat BOSCH die koordinierte Betriebsmethode mehrerer Generatoren im Fahrzeugstromnetz basierend auf der Hauptteilstruktur eingeführt. Die Grundidee besteht darin, Hochleistungsgeneratoren und einen Regler mit LIN-Kommunikationsfunktion einzusetzen. Die Ausgangsleistung wird von einem
zentraler Controller zur Erreichung des Ausgleichsziels durch Erkennen der Stromlast jedes Generators (Bosch, Inc., 2014). BMW hat auch einen Regler mit ähnlicher Funktion entwickelt. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde das Dual-Generator Parallel Power System (DPPS) entwickelt, das zwei verschiedene kleine Generatoren verwendet, um parallel Strom zu liefern. Tatsächlich gibt es für das DPPS zwei Steuerungsziele: die Ausgangsspannung und das Stromverhältnis zwischen zwei Generatoren. Die herkömmliche Steuerungsmethode für Fahrzeuggeneratoren erfolgt hauptsächlich über Regler (Unutulmaz und Lale, 2013; Blaga und Norbert, 2014; Scacchioli et al., 2014). Sobald der Generator beginnt, Strom zu erzeugen, wechselt er in die Selbsterregungsphase mit fester Ausgangsspannung. Daher kann die Ausgangsspannung nicht dynamisch angepasst werden (Hwu und Yu, 2016). Außerdem weisen selbst bei denselben Generatoren während des Herstellungsverfahrens Inkonsistenzen bei den internen Parametern auf, die möglicherweise zu einer unausgeglichenen Ausgangsleistung führen. Daher ist es in den meisten Fällen schwierig, die Ausgabe gleichzeitig zu steuern und auszugleichen. Es gibt gängige Methoden für dieses Problem (Balogh, 2002). Zhang et al. (2015), Irving und Jovanovic (2000) und Zhang et al. (2013) verwendeten die Ausgangsimpedanzmethode (die Droop-Methode), die die einfachste Methode zur Stromteilung darstellt. Allerdings gelingt der Ausgleich paralleler Module mit nicht identischer Nennleistung nicht. Wang et al. (2012) und Liu et al. (2016) verwendeten die Master-Slave-Strommethode. Diese eignet sich für doppelte geschlossene Kreislaufsysteme mit Spannungs- und Stromregelung. Eines der Module wird als Hauptmodul und das andere als Slave bezeichnet. Das Slave-Modul passt sich selbst anhand der Rückkopplungsinformationen des Hauptmoduls an, aber wenn es zu Ausfällen des Mastermoduls kommt, gerät das gesamte System völlig außer Kontrolle. Panov und Jovanovic (2008) und Wu et al. (2014) verwendeten die Methode der durchschnittlichen Stromteilung. Dabei wird ein Lastverteilungsbus als Referenz verwendet. Der Fehler wird durch Vergleich jedes Moduls mit dem Lastverteilungsbus ermittelt. Ebenso sinkt bei einem Kurzschluss im Bus die Spannung, was zu einem Ausfall des parallelen Stromsystems führt.