并聯型混合動力汽車控制系統研究

嚴 軍，岳偉甲

（解放軍陸軍軍官學院，安徽 合肥 230031）

0 引 言

混合動力裝置就是將電動機與輔助動力單元組合在一輛汽車上做驅動力，輔助動力單元實際上是一臺小型燃料發動機或動力發電機組。簡單地說，就是將傳統發動機盡量做小，讓一部分動力由電池-電動機系統承擔[1]。這種混合動力裝置既發揮了發動機持續工作時間長、動力性好的優點，又可以發揮電動機無污染、低噪聲的好處，取長補短，汽車的熱效率可提高10%以上，廢氣排放可改善30%以上。混合動力源電動車按照能量合成的形式主要分為串聯式(SHEV）和并聯式（PHEV）兩種。從現有的條件來看，并聯（PHEV）式混合動力汽車，因更接近傳統的汽車驅動系統，得到比較廣泛的應用，其結構如圖1所示。車輛需求轉矩T為發動機輸出扭矩T1和電動機輸出扭矩T2之和。T1和T2為相互獨立的兩個系統,控制系統的主要問題就是在一定目標前提下,合理分配兩個轉矩。

1 并聯混合動力汽車結構

并聯式裝置的發動機和電動機以機械能疊加的方式驅動汽車，發動機與電動機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動[2]，其結構如圖2所示。汽油機是前輪的驅動源，而電動機是后輪的驅動源。車內的控制系統會根據不斷變化著的交通條件所需的動力情況，隨時作出反應，不需駕車人預先指令，即自動地選擇最為理想的驅動模式：或是由電動機進行后輪驅動，或是由汽油機進行前輪驅動，或是內燃機和電動機同時驅動[3]。

2 并聯混合動力車汽車控制系統特性

當從靜止狀態起步時，車上的控制系統會首先選擇電動驅動模式[4]，這是因為內燃機在汽車起步后的第一個1 km期間內，所用燃料的80%都被作為廢氣排掉了，既浪費燃料又污染環境。當車速到每小時40 km時，控制系統會自動選擇內燃機驅動模式，同時內燃機在工作時也對電池組進行充電。如果駕駛員突然實施緊急加速，控制系統則會啟動電動機來協助內燃機進行聯合驅動。而當低速行駛時，或者控制系統判定電池組的能量不足時，也會啟動內燃機工作。當汽車減速時，控制系統會對內燃機起到制動作用，判定利用其制動能量對電池組充電。控制系統的控制模型，如圖3所示。

該模型采用模糊邏輯控制系統，系統有兩個輸入,分別是行駛狀態和電池監測。其中行駛狀態又根據轉速和需求轉矩Trq來調整，采用分段處理:當需求轉矩Trq≤Topt最優轉矩時,用 5×Trq/Topt函數;當Trq＆gt;Topt時,用 5+5×(Trq-Topt)/(Tmax-Topt)函數,這樣使得控制更為靈活、準確。發動機最優轉矩Topt是從靜態條件下發動機的萬有特性曲線和排放曲線出發,將一定轉速條件下兼顧發動機最大效率和最優排放點通過插值連接而成的曲線,即以比效率最高、排放最小為目標函數。

3 電機選擇及其控制系統

3.1 電機選擇

在選擇電動汽車電機驅動系統時，需要考慮的幾個關鍵問題有成本、可靠性、效率、維護、耐用性、重量、尺寸以及噪聲等。四種驅動電機的比較，如表1所示。電動機選擇開關磁阻電動機，它具有結構簡單、運行速度范圍寬等特點。選用四相8/6極SR電動機，采用SRM轉矩矢量控制。各相的通電順序為：正轉時為A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A；反轉時為A—DA—D—CD—C—BC—B—AB—A。

表1 不同驅動電機的優缺點

3.2 電機控制系統

3.2.1 系統硬件結構

圖4 驅動電路硬件結構

根據矢量控制策略,系統硬件結構如圖4所示。控制系統以AT89S52為主控制器,主要由AT89S52及其外圍接口電路、電源、DC-DC模塊、功率變換器及其驅動電路、保護電路等組成。其中AT89S52外圍接口電路主要包括鍵盤輸入和液晶顯示電路、SCI接口電路、JTAG仿真器接口電路,片外數據存儲器和片外程序存儲器和AD轉換電路。功率驅動電路單片機輸出采用低電平有效,經過光電隔離反相變為高電平有效。功率開關器件采用PWM電壓斬波控制,每一相的開通角和關斷角由繞組電流、轉子位置和速度信號確定[5]。其中A相和C相繞組共用一個電流傳感器，B相和D相共用一個電流傳感器。這兩路傳感器輸出的模擬電壓信號經過放大濾波后接到ADC模數轉換電路輸入單片機CIN、ADCIN作為電流環的反饋信號。

3.2.2 系統主要軟件程序

T1周期中斷子程序是本控制系統的核心部分,此子程序包括ADC輸入子程序、電流PWM調節子程序、轉速PI調節子程序、轉速輸入和轉向輸入子程序。圖5為T1周期中斷子程序流程圖。其中一個T1周期為40,并且每到100個T1進行轉速調整一次,轉速采用帶限幅的PI調節。

圖5 T1周期中斷程序

4 結束語

并聯型混合動力汽車結構和現代汽車結構接近，便于在現有的汽車基礎上發展，但沒有從根本上解決環境污染和能源結構，在電動汽車時代到來之前，混合動力型汽車只是一種過渡產品。通過研究發展混合動力車逐步建立相關的產業鏈為純電動力車時代的到來打下技術和資金的基礎。但當前主要還有以下問題制約著電動汽車的發展。

1）電池：目前已在電動汽車上使用的蓄電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋅空電池、鋰離子電池和聚合物鋰電池等。電動汽車的性能問題都與電池技術發展有關(如汽車的續駛里程短的問題)。一方面，當前開發的蓄電池單位重量儲存的能量不能完全滿足汽車的功能指標的要求；另一方面，電動車的電池較貴，又沒形成經濟規模，故購買價格較高，使電動汽車的成本比傳統汽車高。

2）電動機：驅動電機由直流電機，發展到交流異步電機和無刷永磁電機，再到開關磁阻電機。與原有的直流牽引電機系統相比，具有明顯優勢，其突出優點是體積小，質量輕（其比質量為0.5～1.0 kg/kW）、效率高、基本免維護、調速范圍廣；同時打破了傳統的電機設計理論和正弦波電壓源供電方式。但是，其轉矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低，因此，需要在電池和電動機方向加強研究，促進混合動力汽車的應用和發展。

[1] 李爭，趙濤，姜衛東，等.并聯式混合動力電動汽車模糊控制策略的仿真研究[J].公路交通科技,2005，22(2)：28-31.

[2] 蔡際令，金若君.基于DSP控制的開關磁阻電機可逆傳動系統[J].浙江大學學報,2006(2):1019-1026.

[3] 歐陽明高.我國節能與新能源汽車發展戰略與對策[J].汽車工程,2006,28(4):317-321.

[4] 程夕明.輔助動力單元(APU)技術系統研究[D].北京:清華大學,2004:5-6.

[5] 季小尹,符向榮,王安麗.混合動力電動汽車用永磁無刷直流電機的設計與實現[J].微特電機,2004(2):5-7.