增程式混合動力汽車人車信息交互系統設計

康海鵬

（華晨汽車工程研究院）

在環境和資源的雙重壓力下，新能源汽車的研發及投產越來越受到各車企及政府部門的重視。但是新能源汽車因電池在能量密度、壽命及價格等方面的局限，其價格和續駛里程都很難與傳統車媲美，因此融合內燃機驅動與電力驅動的混合動力汽車便成為新能源汽車開發的著力點。在研發新能源汽車的過程中，如何實現人車信息的完美交互，使駕駛員能充分了解新能源車的車輛狀態，并使汽車最大限度地實現駕駛員的意圖，成為新能源車研發的重要部分之一。

1 增程式混合動力汽車優點

混合動力汽車根據其結構分類可以分為串聯式、并聯式和混聯式3種。增程式混合動力汽車屬于串聯式混合動力汽車的一種，其動力系統結構，如圖1所示，它的電池容量相對較大，主要依靠外接電源來補充電能，同時車上配置了一個小型發動機，通常被稱為輔助動力單元（APU），用來在動力電池電量較低時提供動力并向電池組充電[1]。

由于自身結構的原因，和其他種類的混合動力汽車相比，增程式混合動力汽車具有如下優點：

1）從成本上來考慮：由于第2套能量系統——發動機的存在，使得電池組所需儲存的能量大大減少，而發動機作為輔助動力單元，其所需的扭矩和功率大大降低，因此，電池組和發動機的體積、質量及成本都有不同程度的下降。

2）相對于傳統汽車與其他種類的混合動力汽車，增程式混合動力汽車的純電動續駛里程覆蓋了一般城市用車需求，并可以采用外接電源供電，同時發動機在大部分時間內都工作在最佳工作點附近，這使其在節油與環保方面顯得非常出色。

3）相對于純電動汽車，因為能夠使用汽油作為能量源，所以車載動力電池的體積和質量大大下降，從而節約了制造成本，同時整車續駛里程得到了極大程度的延長；另外由于輔助動力單元的介入，可以使動力電池更多地工作在良性平臺，從而延長電池的使用壽命。

4）從結構上考慮，由于其工作方式與純電動汽車十分接近，發展增程式電動車更加有利于未來純電動汽車的研發[2]。

2 增程式混合動力汽車車輛信息

傳統汽車的人車交互系統已經有很成熟的發展[3]。汽車主要傳達給駕駛員的信息包括時速、水溫、油量、發動機轉速、空調以及多媒體等信息。而增程式混合動力汽車作為一款比較特殊的新能源車有其自身的特點。文章將從結構上來描述增程式混合動力汽車所具有的信息，這些信息是由汽車自身屬性決定的。

1）車載動力電池信息。由于增程式混合動力汽車的主要能量源之一為動力電池，其傳遞的信息顯得非常重要。動力電池需要傳達的信息包括剩余電量或荷電狀態（SOC）、動力電池總電壓、電池包總電流、電池各部分溫度及單體電壓等信息。

2）車載電機和發電機信息。車載電機和發電機系統結構類似，其主要信息包括電機轉速及電機溫度等。

3）車用控制器信息。這里的控制器特指電力電子器件，包括電機控制器、發電機控制器和DC/DC轉換器。這些器件的信息一般需要專業工程師進行讀取。

4）發動機信息。增程式混合動力汽車是依靠電力驅動的，發動機只按照控制策略進行啟動與停止。與傳統車類似，發動機有一系列信息需要傳達給駕駛員，如發動機轉速、發動機冷卻液溫度、瞬時燃油消耗量及燃油余量等。

5）空調系統信息。增程式電動車有2套能源系統，其空調的能量來源也相應地有更多的選擇。其工作方式因參數匹配和控制目的不同有所不同。一般來說：車載空調的制冷方式通常是車載動力電池驅動電動壓縮機進行制冷，而車載空調系統的制熱方式則有電動PTC加熱、燃油加熱器加熱和發動機輔助加熱3種。

6）車載充電系統信息。充電系統信息包括實時充電電流、動力電池總電壓、充電剩余時間或充電結束時間、動力電池剩余電量、充電功率及充電電能等信息。

3 增程式混合動力汽車駕駛員信息及控制需求

因為每條信息對于駕駛員的意義不同，所以在人車信息交互系統中，不是所有的信息都被傳達給駕駛員，而且各種信息傳遞的方式也有很大的不同。文章將從駕駛員需求的角度，以功能模塊的方式來描述增程式混合動力汽車應該反饋給駕駛員的信息。信息交互的形式包括模擬量、數字量和開關量3種。

1）模擬量是指某變量在一定范圍連續變化的量，比如指針形式顯示的車速。信息以模擬量顯示的優點是直觀易懂，尤其可以直接觀察到變量發生增加或者減少。

2）數字量是指某變量的變化在時間上是不連續的，總是發生在一系列離散的瞬間，比如以數字形式顯示的車速。信息以數字量顯示的優點是，當分辨率較高時，顯示結果相對準確；當分辨率較低時，可以避免待顯信息發生跳變。

3）開關量是指非連續性信號的采集和輸出，比如充電時能夠正常充電的指示燈。開關量具有一目了然的優點，應用在無需任何精度的變量顯示上有很大的優勢。

3.1 汽車靜止時的人車信息交互系統設計

在汽車尚未開動時，駕駛員需要了解汽車的狀況，這既包括汽車各總成信息，也涵蓋增程式混合動力汽車特有的功能信息。

除了汽車各零部件是否處于故障狀態之外，對于一款新能源車，駕駛員還需要知曉汽車的純電動續駛里程以及總續駛里程。無論是傳統車還是新能源車，汽車的行駛里程和駕駛員的駕駛習慣以及道路狀況關系都很大，因此在這里的續駛里程只能表示在之前行駛的能量消耗率下的估算值。

動力電池是增程式混合動力汽車的關鍵部件，它的狀態影響到汽車的動力性、經濟性和駕駛感受。當動力電池剩余電量較高時，汽車的動力性較好，如果駕駛員在此時有較大的功率需求，發動機可以不啟動或者工作在效率較高的工作點；當動力電池剩余電量較低時，汽車的動力性變差，而且整車可能不能以純電動的模式行駛，如果駕駛員在此時有較大的功率需求，發動機有可能需要工作在較差的工作區以提供足夠的動力；當動力電池因某種原因電量非常高或者非常低時，汽車的某些功能可能無法實現，比如當汽車充滿電時，新能源汽車特有的制動能量回收系統會無法開啟，而動力電池電量非常低時可能說明發動機不能夠正常工作，無法以增程的形式行駛。除此之外，動力電池組對溫度也十分敏感，溫度過高或者過低不僅影響到電池本身的充放電效率，也會對汽車駕駛性造成影響。

然而動力電池的信息并不需要全部細致地反饋給駕駛員。對于動力電池剩余電量，由于其本身是一個估測值，而且剩余電量對汽車性能的影響并不十分敏感，因此動力電池剩余電量便可以使用分辨率較低的顯示方式，一方面能夠正確描述電池狀態，另一方面也能夠防止剩余電量計算方式調整時產生的小范圍內的數據波動影響駕駛員感觀。對于電池溫度，因為車載動力電池組具有模組數量多和體積大的特點，所以整個電池組內溫度分布并不均勻，因此在顯示電池溫度時，可以考慮高低選擇的方式進行預警，即分別在電池最高（低）溫度制約電池性能時顯示電池的最高（低）溫度，或者不顯示溫度，直接以報警的形式反饋給駕駛員，以便于駕駛員做出相應的決定。

充電時，充電系統信息包括實時充電電流、動力電池總電壓、充電剩余時間或充電結束時間、動力電池剩余電量、充電功率及充電電能等。對于用戶來說，充電是否正常、何時完成充電及動力電池當前電量是其最關心的參數，應當予以明顯顯示；而充電電流、電池電壓、充電功率以及充入電能等參數并非必要信息，可以不予以顯示或者當用戶有了解需求時再予以顯示。而因某些原因造成的延時充電則應和正常充電區分開，避免用戶誤解。

3.2 行駛時的人車信息交互系統設計

汽車行駛時，駕駛員需要得知動力總成的工作狀態，以此為依據進行駕駛，或者按照自己的駕駛習慣選擇駕駛模式。

與傳統汽車不同的是，以電動機為動力源的增程式混合動力汽車并不存在電動機轉速過高的情況，因此電動機的轉速可以選擇性地隱藏。由于發動機受到整車控制器控制，其控制依據由汽車狀態、加速踏板及工作模式等共同決定，因此發動機轉速也可以選擇性地隱藏。

在冷卻系統中，發動機溫度、電機及其電力電子器件的溫度都影響著汽車的駕駛性，汽車應該能提供給駕駛員各零部件的溫度，或者在其溫度異常時及時發出預警。

行駛過程中，汽車應該允許駕駛員根據需要選擇以純電動模式或者混動模式行駛，以滿足動力性或者經濟性需求。而在行駛時，根據駕駛員的操作，汽車可以告知駕駛員駕駛方式是否滿足經濟駕駛的要求，這可以通過顯示能量流向、顯示電池充放電狀態以及直接提示是否為經濟駕駛的方式來實現。

汽車在低速行駛時，出于對車外行人的安全考慮，應該在發動機未啟動時產生提示音，以警示行人汽車正在接近。此處設計可以選擇以第2個喇叭的形式，即由駕駛員控制是否產生噪聲；或者選擇在汽車啟動時自動產生。噪聲的形式目前并無硬性規定，市場上出現的產品一般以模擬發動機噪聲的居多。

3.3 充電時的人車信息交互系統設計

汽車在充電時，由駕駛員需求、地面充電系統、車載充電系統及電池狀態共同決定是否充電以及何時完成充電。據此要求，汽車應將相關信息顯示出來，包括正常充電指示、異常充電指示、充電所需時間或充電完成時間等，而充電電流、充電電壓及充電功率等專業性較強的信息可以通過比較模糊的方式顯示或不予顯示。

3.4 汽車發生異常時的故障提示

增程式混合動力車具有汽車零部件多、結構復雜及電力電子器件多的特點，某一處零件出現故障可能不會使汽車立即熄火，但是需要進行檢測維修。汽車在出現異常情況時，應該先進行預警，通知駕駛員及時聯系專業維修人員進行檢修，只有在非常極端的情況才切斷整車動力系統的回路，以保證汽車和乘員安全。

4 結論

汽車人車信息交互系統研究已久，顯示內容及控制方式已經約定俗成，各大主機廠雖然有各自的內飾風格，但歸其根本，傳遞給駕駛員的信息都比較類似。然而新能源車人車信息交互系統發展還不成熟，過度沿用傳統汽車儀表會造成顯示信息不全或者冗余信息量過大，而過度依賴觸摸屏則會在客觀上加大用戶的操作難度。將汽車的信息適當地傳遞給駕駛員，并讓駕駛員在最大程度上與汽車互動，發揮汽車的最大作用，研發過程既要注重汽車美觀，又要使汽車的駕駛易于操作，這些是新能源汽車人車信息交互系統設計的重中之重。