汽車混合動力驅(qū)動控制系統(tǒng)與能量控制系統(tǒng)

摘 要 基于CAN總線的HEV能量控制系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)性的實(shí)現(xiàn)了模糊邏輯智能控制、51單片機(jī)開發(fā)、混合動力驅(qū)動控制三者有機(jī)結(jié)合，隨著開發(fā)的不斷深入以及后繼者的不懈努力，逐步建立汽車混合動力驅(qū)動控制系統(tǒng)與能量控制系統(tǒng)，完善汽車混合動力工業(yè)。本文針對串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式的混合動力汽車的驅(qū)動控制系統(tǒng)和能量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和控制模式以及控制原理做了較為系統(tǒng)全面的敘述和分析，描述了控制系統(tǒng)的各自特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 混合動力汽車 驅(qū)動控制系統(tǒng) 能量控制系統(tǒng) 控制模式 分級控制技術(shù)

中圖分類號：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Hybrid Vehicle Drive Control Systems and Energy Control Systems

WU Xiaoming

(Fujian Chuanzheng Communication College， Fuzhou， Fujian 350007)

Abstract Based on CAN line HEV energy control system to achieve the original fuzzy logic intelligent control， development of 51 single-chip， hybrid drive control combine the three， along with the deepening and development of the successor to the tireless efforts， and gradually build cars with hybrid drive control systems and energy control systems， improve the hybrid car industry. In this paper， two types of series and parallel hybrid electric vehicle drive control systems and energy control system features and control mode， and control theory to do a more systematic and comprehensive description and analysis， describes the characteristics of each control system.

Key words hybrid vehicles; drive control system; energy control system; control mode; hierarchical control

0 前言

在環(huán)境問題和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，混合動力汽車成為了世界上新一代清潔汽車的研究重點(diǎn)，所謂混合動力，靠的是傳統(tǒng)的汽油引擎加上電動機(jī)輸出動力作配合，利用引擎在工作時對蓄電池的充電，將電動機(jī)和引擎產(chǎn)生的動力不斷切換和轉(zhuǎn)化，達(dá)到雙動能推動。這樣的配合以電動機(jī)驅(qū)動為主，引擎驅(qū)動為輔，達(dá)到預(yù)期為減少耗油和廢氣排放的環(huán)保效益。

混合動力汽車安裝有輔助發(fā)動機(jī)工作的電動馬達(dá)，在汽車起步、加速時候能夠提供強(qiáng)大的動力，同事減少的燃油發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，減少了發(fā)動機(jī)的燃油消耗。因此，駕駛者可以得到更高的輸出動力。同時，還能實(shí)現(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。

總之，混合動力汽車介于傳統(tǒng)汽車和純電動汽車、燃料電池汽車之間，是一種承前啟后的，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面都趨于成熟的電動汽車產(chǎn)品。

1 混合動力總成控制

混合動力汽車就是在純電動汽車上加裝一套內(nèi)燃機(jī)，其目的是減少汽車的污染，提高純電動汽車的行駛里程。混合動力汽車有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種結(jié)構(gòu)形式。

混合動力汽車能夠按照駕駛者的意愿在單元控制器的作用下，各個工作模式之間互相轉(zhuǎn)換，互相協(xié)調(diào)。

1.1 串聯(lián)式混合動力電動汽車的工作模式

（1）在車輛起步、正常行駛或加速過程中，發(fā)動機(jī)通過發(fā)電機(jī)和(或)蓄電池兩者一起輸出動力并傳遞給功率轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動電動機(jī)，再通過傳動系驅(qū)動車輪。（2）在小負(fù)荷時，發(fā)動機(jī)的輸出功率大于驅(qū)動車輪所需要的功率，因此產(chǎn)生的多余的能量可以用來向蓄電池充電，直到電池的容量足夠。（3）在制動或減速的過程中，電動機(jī)起發(fā)電機(jī)的作用，將車輛的動能轉(zhuǎn)化成電能，并通過功率轉(zhuǎn)換器向電池充電。（4）車輛停車時，發(fā)動機(jī)也可以通過發(fā)電機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器給電池充電。

1.2 并聯(lián)式混合動力電動汽車的工作模式

（1）在車輛起動或大負(fù)荷的情況中， 發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩者同時工作，所需功率按比例分配并驅(qū)動汽車。（2）在中等負(fù)荷情況下，車輛單獨(dú)由發(fā)動機(jī)提供所需的功率，而電動機(jī)不工作。（3）在制動減速的過程中，電動機(jī)起發(fā)電機(jī)的作用，并通過功率轉(zhuǎn)換器向電池充電。（4）車輛小負(fù)荷情況下時，發(fā)動機(jī)向電動機(jī)提供一部分功率，通過功率轉(zhuǎn)換器向電池充電。

2 混合動力汽車的分級控制技術(shù)

與傳統(tǒng)汽車相比，混合動力電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)中增加了能量源和電機(jī)等裝置，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，系統(tǒng)中各單元之間的協(xié)調(diào)控制以及幾種工作模式之間的轉(zhuǎn)換，使得控制技術(shù)成為混合動力電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1 控制目標(biāo)

對混合動力電動汽車進(jìn)行控制的目的是為了獲得良好的性能，混合動力電動汽車的控制目標(biāo)主要有四個：最好的燃油消耗；最小的廢物排放量；最小的系統(tǒng)工作成本；最好的駕駛操縱性能。

2.2 各組成單元的控制規(guī)則

混合動力電動汽車在起動、加速、減速、正常行駛及停車的過程中，處于不同的工作狀況，能量源根據(jù)車輛的工作狀況來決定自身的工作模式。內(nèi)燃機(jī)的工作在起動、正常運(yùn)行及關(guān)閉三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，當(dāng)車速達(dá)到規(guī)定值時，內(nèi)燃機(jī)起動，并迅速進(jìn)入規(guī)定的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)工作，此時根據(jù)車輛載荷對扭矩的要求，內(nèi)燃機(jī)可單獨(dú)驅(qū)動車輪，可以向電池充電;對并聯(lián)式混合動力電動汽車，也可以和電機(jī)共同驅(qū)動車輪，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行速度低于規(guī)定值時，關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)。電池的工作在充電、放電及關(guān)閉三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，當(dāng)電池電量處于規(guī)定的范圍之內(nèi)時，根據(jù)車輛載荷對扭矩的要求，電池可以向電機(jī)提供電能; 當(dāng)電池電量低于規(guī)定范圍的下限值時，應(yīng)該給電池充電; 當(dāng)電池電量達(dá)到規(guī)定范圍的上限值時，應(yīng)該停止充電。電機(jī)做電動機(jī)運(yùn)行時，對并聯(lián)混合動力電動汽車，與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動車輪; 做發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，車輛處于減速制動或停車狀態(tài)，用于車輛制動能量的回收，并向電池充電。

2.3 串聯(lián)式混合動力電動汽車的分級控制技術(shù)

串聯(lián)式混合動力電動汽車使用純電力驅(qū)動，其能量源為內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)組和電池組，由電機(jī)直接驅(qū)動，因此對串聯(lián)式混合動力電動汽車的控制主要是對內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)組、電池組和電機(jī)的控制。圖1說明了串聯(lián)式混合動力汽車的分級控制結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，串聯(lián)式混合動力汽車的控制流程為：從駕駛員指令到系統(tǒng)控制器，再到各組成單元控制器，包括內(nèi)燃機(jī)控制器、電機(jī)控制器以及能量管理系統(tǒng)，最后到達(dá)各個組成單元，即內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)組、電機(jī)和電池組，車輛的運(yùn)行狀態(tài)也被反饋到系統(tǒng)控制器中。各組成單元在指令的作用下，協(xié)調(diào)工作，從而得到需要的車輛運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 串聯(lián)式混合動力汽車的分級控制結(jié)構(gòu)圖

對內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)組的控制是控制內(nèi)燃機(jī)的節(jié)氣門開度以調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的空燃比，從而控制內(nèi)燃機(jī)發(fā)出的功率，節(jié)氣門使用電子節(jié)氣門，可以精確調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度，節(jié)氣門的開度是一個區(qū)間值，可以用一個百分?jǐn)?shù)來表示節(jié)氣門開度的大小。電池組由專門研制的能量管理系統(tǒng)控制，電池組的電量被控制在一個給定的范圍內(nèi)，以確保電池組能夠正常地工作。對電機(jī)的控制就是控制電機(jī)在電動機(jī)和發(fā)電機(jī)兩種工作方式之間的轉(zhuǎn)換，它是通過判斷電機(jī)扭矩的正負(fù)來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制的。 車輛起動時，電機(jī)得到的是扭矩為正的指令，做電動機(jī)運(yùn)行，能量管理系統(tǒng)傳送給電池組的是放電指令，向電動機(jī)提供電能，當(dāng)車速達(dá)到指定的大小時，節(jié)氣門被打開，內(nèi)燃機(jī)起動，并迅速進(jìn)入到指定的范圍內(nèi)工作，發(fā)電機(jī)向電動機(jī)發(fā)出電能，能量管理系統(tǒng)向電池組發(fā)出關(guān)閉指令，并停止向電機(jī)提供電能。 車輛正常行駛時，內(nèi)燃機(jī)繼續(xù)在指定的區(qū)間內(nèi)工作，電機(jī)繼續(xù)做電動機(jī)運(yùn)行，此時，系統(tǒng)控制器可根據(jù)車輛的工作狀態(tài)以及電池組的狀態(tài)向內(nèi)燃機(jī)控制器和能量管理系統(tǒng)發(fā)出充電指令，內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能在電機(jī)和電池組之間分配。根據(jù)各個組成單元的控制規(guī)則以及不同工作模式時的控制流程可以看出，車輛運(yùn)行過程中，除了電機(jī)處于連續(xù)工作狀態(tài)外，內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)組和電池組都處于間斷性質(zhì)的工作狀態(tài)，駕駛員指令和車輛狀態(tài)反饋指令經(jīng)系統(tǒng)控制器處理后，被分別發(fā)送至不同的控制器，各控制器然后將指令發(fā)送到相應(yīng)的控制單元，使它們按照要求的方式工作，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的工作模式。指令流的路線和時間都是由駕駛員和車輛狀態(tài)決定的，是動態(tài)變化的。

2.4 并聯(lián)式混合動力電動汽車的分級控制技術(shù)

并聯(lián)式混合動力電動汽車有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)和工作模式比串聯(lián)式混合動力電動汽車復(fù)雜多了，圖2說明了并聯(lián)式混合動力電動汽車的分級控制結(jié)構(gòu)圖。從圖2中可以看出，并聯(lián)式混合動力電動汽車的控制主要也是對發(fā)動機(jī)、電動機(jī)以及蓄電池組的控制，與串聯(lián)式混合動力電動汽車相比具有相似的控制流程和層次結(jié)構(gòu)，對各組成單元的控制策略與串聯(lián)式混合動力電動汽車相比也差不多，即內(nèi)燃機(jī)的工作也是通過電子節(jié)氣門來控制的，并使它工作在規(guī)定的范圍之內(nèi)，電池組也是由專門設(shè)計(jì)的能量管理系統(tǒng)來控制的，電池的電量被控制在設(shè)定的大小范圍內(nèi)。圖2中還說明了并聯(lián)式混合動力電動汽車的控制策略以及各組成單元之間的協(xié)調(diào)控制很繁雜。按照并聯(lián)式混合動力電動汽車的工作模式，它的系統(tǒng)各個組成單元的協(xié)調(diào)控制規(guī)則分述如下：

圖2 并聯(lián)式混合動力汽車的分級控制結(jié)構(gòu)圖

車輛起動時，系統(tǒng)控制器按照駕駛員意愿向能量管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器以及離合器控制器發(fā)出控制命令，能量管理系統(tǒng)向電池組發(fā)出放電命令，電池組放電并向電動機(jī)輸送電能，電機(jī)在電機(jī)控制器的命令作用下，產(chǎn)生了正的扭矩，做類似電動機(jī)的運(yùn)行，而離合器則在離合器控制器命令的作用下處于分離狀態(tài)。當(dāng)車速到一定時，發(fā)動機(jī)機(jī)在發(fā)動機(jī)控制器的作用下啟動，離合器在離合器控制器指令作用下接合，發(fā)動機(jī)工作迅速到達(dá)最優(yōu)化區(qū)間工作，與此同時，電池組在能量管理系統(tǒng)的控制下停止放電，而電機(jī)也在電機(jī)控制器的作用下停止工作。 車輛正常行駛時，離合器保持嚙合狀態(tài)， 內(nèi)燃機(jī)繼續(xù)在最優(yōu)化區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，此時系統(tǒng)控制器可根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)向能量管理系統(tǒng)發(fā)出充電指令，電機(jī)控制器向電機(jī)發(fā)出負(fù)的扭矩指令，做發(fā)電機(jī)運(yùn)行并向電池充電，電機(jī)成為內(nèi)燃機(jī)的一個負(fù)載，內(nèi)燃機(jī)發(fā)出的功率在電機(jī)和車輪之間分配。車輛加速行駛時，內(nèi)燃機(jī)在最優(yōu)化區(qū)間內(nèi)處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，與此同時，電池組在能量管理系統(tǒng)的指令作用下放電，并向電動機(jī)提供電能，而電機(jī)則在控制器的作用下，做類似電動機(jī)的運(yùn)行，產(chǎn)生正的扭矩，使車輛加速行駛。減速制動時，離合器分離，內(nèi)燃機(jī)被關(guān)閉，電機(jī)在控制器的作用下，產(chǎn)生負(fù)的扭矩，做類似發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，并向蓄電池組充電，而蓄電池組則在能量管理系統(tǒng)的指令控制下，接受并給發(fā)電機(jī)的充電。通過對并聯(lián)式混合動力汽車的控制結(jié)構(gòu)和不同工作模式下的指令流的分析可見，并聯(lián)式混合動力汽車的能量源之間具有較強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)性，應(yīng)在系統(tǒng)級的水平上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以優(yōu)化整個系統(tǒng)的控制性能，從而得到良好的車輛性能。

3 結(jié)束語

對串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作模式以及控制技術(shù)的研究是研究結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的混合動力汽車的基礎(chǔ)。（1）串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力電動汽車的能量源的控制策略和控制技術(shù)是類似的，即內(nèi)燃機(jī)都應(yīng)該在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)工作，規(guī)定了一個最小的轉(zhuǎn)速，電池組的電量也應(yīng)該在規(guī)定的范圍內(nèi)，充電和放電都應(yīng)該在這個范圍進(jìn)行，電機(jī)都可以做電動機(jī)和發(fā)電機(jī)工作。（2）解決串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力電動汽車系統(tǒng)控制的行之有效的方法是分級控制技術(shù)，在研究每一個部分的控制的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)集成便可得到系統(tǒng)控制器，從而實(shí)現(xiàn)對整個車輛的控制。

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