混合動力汽車結構及電控系統的分析研究

李浩++冉彤

摘 要：混合動力汽車擁有內燃機和電動機兩種動力，具有高效率和低排放的特點，因此，開發和研究混合動力汽車能夠有效解決汽車排放污染和社會能源問題。該文介紹了混合動力汽車的幾種常見結構和特點，概述了一種基于CAN總線的混合動力汽車電控系統的結構及控制流程，分析了電控系統各組成部分的控制功能，為今后混合動力汽車電控系統性能的優化提供參考依據。

關鍵詞：電控系統 混合動力 控制流程 分析研究

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0059-04

現代社會對汽車節能、環保的要求日益增高，研發節能、環保的新型汽車，成為汽車行業的一種發展趨勢。但因當前電池技術和工藝瓶頸的限制，純電動汽車暫時還無法完全取代燃油發動機的汽車[1]。擁有內燃機和電動機兩種動力的混合動力汽車，很好地兼顧了電動汽車和傳統汽車的優點，從而成為更加務實的選擇。混合動力汽車除發動機、電動機、蓄電池、變速器等主要部件外，更重要的是實現能量在各部件間合理分配以提升整車效率的電控系統，所以研究混合動力汽車的電控系統對推動混合動力汽車的發展具有重要的現實意義。

1 混合動力汽車結構概述

混合動力汽車繼承和沿用了大部分內燃機汽車的裝置和系統，將內燃機、電動機、能量存儲裝置（蓄電池）有機地組合在一起，驅動系統一般有串聯型、并聯型和混聯型三種布置形式[2]，分別如圖1、2、3所示。串聯型混合動力汽車的發動機可始終在最佳的工作區域內穩定運行，具有良好的經濟性和排放性。特別是在汽車低速運行工況時可關閉發動機，只利用蓄電池向外輸出功率，降低汽車的排放污染；并聯型混合動力汽車的發動機運行工況受汽車行駛工況的影響比較大，適合于在中、高速穩定工況下行駛。而在其他工況下發動機不在最佳工作區域內運行，發動機的燃油經濟性和排污指標不如串聯型。混聯型的布置形式綜合了串聯型和并聯型的共同優點，在汽車低速行駛時，驅動系統主要以串聯方式工作；當汽車在中、高速穩定行駛時，則以并聯方式工作。

2 混合動力汽車電控系統類型及結構

隨著電控系統的廣泛應用，汽車的電控系統已由傳統的集中控制系統向現場總線構成的智能化網絡系統轉化，特別是采用CAN總線網絡控制系統的電控技術已成為當今汽車業界的先進技術。混合動力汽車同時擁有內燃機和電動機兩種動力，電子控制裝置復雜，檢測及交換的數據量較大，只有應用高效的電控系統才能實現兩種動力的最佳匹配，發揮混合動力的優勢[3]。因此，CAN總線構成的電控系統是實現混合動力汽車兩種動力合理有效匹配的可靠手段。

為解決能源的協調問題，一種基于CAN總線結構的電控系統在混合動力汽車上得到了廣泛應用，其主要由中央控制器、發動機控制系統、電機控制系統及信號反饋和檢測裝置等幾部分組成，具體為整車控制器、發動機電控單元、變速器控制單元、電機控制單元、電池管理系統、高壓管理系統、ABS控制單元、儀表及顯示系統、監控/標定系統等[4]。整車控制器與各電控子單元、駕駛員及整車共同構成一個閉環控制系統，該系統通過CAN總線從各類傳感器上獲取駕駛員的操作指令和車輛的運行狀態，再通過CAN總線實現各控制單元間信息的共享、交換和傳輸，最終完成整車動力系統的能量分配。整個控制系統的結構示意圖如圖4所示，其中駕駛員的各項操作指令位于頂層，整車控制器在中間層，底層為各子控制單元[5]。

3 電控系統各單元控制功能

3.1 整車控制器（VSC）

整車控制器（VSC，Vehicle System Controller），是整個電控系統的核心，具有管理和控制整個車輛的重要功能。主要完成車輛信息采集和駕駛員意圖的判別，對采集到的點火、踏板及檔位信號、車速、發動機和電動機扭矩和轉速、電池電荷狀態（SOC）、故障碼等主要信息進行迅速處理，并通過內部相應的控制策略，分析計算出發動機、電動機等當前的狀態參數，得出滿足最佳需求的功率或扭力矩分配、最佳的充電功率、自動變速器的最佳檔位控制等，控制車輛的實際運行[6]。當電控系統出現故障時，它會及時對故障進行處理，保證系統的安全運行。

3.2 發動機電控單元（ECU）

汽車發動機電子控制單元（ECU）是發動機控制系統的核心，它根據從各種傳感器接受到的信息來控制各種工況下的燃油噴射時刻、噴射量和點火時刻（汽油機），向發動機提供最佳空燃比的混合氣，使發動機始終處在最佳工作狀態，提高發動機的動力性、經濟性和排放性。它通過CAN總線接收整車控制器發出的對發動機的命令，經判斷處理后對發動機進行控制，同時也可以通過通訊接口與車內其他電子控制單元進行數據通訊。

3.3 電機控制單元（MCU）

電機控制單元由微處理器、程序和數據存儲器、驅動和接口電路及電機調速控制等幾部分組成。它不僅能夠通過CAN總線接收整車控制器發出的對電動機的控制指令并及時執行，以控制電機的發電與電動狀態的切換、電機轉速的快慢及輸出力矩的正負，還可以向CAN總線發送電機的運轉狀態，比如實際扭矩、轉速、充放電電流、故障碼等。同時該控制單元的故障自診斷功能還可保證當電機出現故障時能夠自行處理，以保障車輛的行駛安全。

3.4 電池管理系統（BMS）

電池管理系統（BMS）實時監測電池的電壓、容量、充放電電流、電池的SOC值，并將這些信息通過CAN總線發送到整車控制器進行處理，以提升電池性能和壽命[7]。同時，BMS還要對電池系統內單體電池的電荷均衡進行監測和控制，以保證電池組正常工作，也會將電池組的SOC值傳送到顯示系統進行顯示。

3.5 高壓管理系統

高壓管理系統主要負責高壓用電設備的上、下電管理，監測高壓設備的工作狀態，并通過CAN總線向整車控制器報告。遇到故障或緊急情況時采取保護措施，減小電流沖擊，防止設備損壞[8]。

3.6 儀表及顯示系統

混合動力汽車的儀表及顯示系統除動態顯示車速、發動機轉速、里程、水溫、油量等傳統信息外，還能接收CAN總線上的訊號，額外顯示工作模式、電池SOC值、充放電電流、電機轉速等必要信息。駕駛員能夠通過儀表及車載顯示系統實時了解車輛的運行狀態，因而該系統是整個電控系統的眼睛。

3.7 監控與標定系統

該系統最初用來完成整車控制系統開發、調試與檢驗。在實現其基本功能后，監控與標定系統一方面可以準確及時地檢測發動機轉速、車速、節氣門負荷、真空度、冷卻水溫、檔位、空調狀態等車輛參數，并通過CAN總線送往整車控制器進行決策，送往顯示系統進行顯示；另一方面又可以通過標定系統的接口來優化各個參數，使車輛運行達到最佳效果。

3.8 電動助力轉向（ESP）及防抱死制動系統（ABS）

電動助力轉向系統（ESP）通過傳感器監測駕駛員施加在方向盤上的力矩和車速，然后根據控制單元內置的算法來控制轉向助力電機的運行，向駕駛員提供合適的轉向助力力矩；防抱死制動系統（ABS）在車輛制動時，監測車輪的滑移率來自動控制制動器制動力的大小，防止車輪抱死，以保證車輪與地面間的最大附著力。當ABS作用時會通過CAN總線網絡向其他控制單元告知其狀態，從而觸發VSC相應的管理模塊，終止制動能量回饋功能，以保證車輛安全。

4 電控系統的控制流程與特點

整車控制器（VSC）根據汽車當前的實際運行狀態及駕駛員的操作意圖確立合理的運行模式（即發動機驅動與電機驅動模式的選擇），以保證車輛的駕駛性能。在選定的運行模式下，VSC可通過CAN總線與各子控制單元或系統進行通訊。整個工作過程中，各子控制單元或系統分別采集各自控制對象的信號和動態參數，通過現場總線發給VSC，VSC利用這些信息，通過控制策略的運算來進行信號流和能量流的處理和分配工作，并通過現場總線向各子控制單元或系統發出執行指令。各子控制單元或系統接受執行指令，并根據控制對象的當前動態參數，再發出對控制對象的控制命令。例如，VSC根據采集到的參數和運算策略計算出目標擋位后，會向變速器控制單元（TCU）發送換擋命令，TCU根據指令將控制變速器的執行部件完成擋位變換。

該電控系統由主控制單元和子控制單元組成，整體是一個高度集成的控制網絡。整車控制器（VSC）作為主控單元，負責管理各個子控制單元的能量分配和子部件系統執行元件的工作，顯現了很強的集成性能[9]。而子控制單元將控制任務模塊化，每個模塊都有一個控制單元來接管，降低了系統的故障率，提高了系統的運行可靠性。不僅如此，這種面向對象設計的分布式系統還提高了系統的可擴展性，便于建設、運行和維護。

5 結語

混合動力汽車有效減輕了能源與環保問題，發展前景十分廣闊。電控系統肩負著在不同運行工況和駕駛習慣下提升混合動力汽車動力性、燃油經濟性和排放性的責任，同時還要兼顧電池壽命、整車部件的安全可靠性及成本，可謂任道而重遠。混合動力汽車的電控系統還需在當前的框架之下不斷完善其控制過程，來推動汽車工業的發展，這是我們要為之努力奮斗的方向。

參考文獻

[1] 劉春娜.混合動力汽車用電池的市場前景[J].電源技術，2013，37（9）：1506.

[2] 于秀敏，曹珊，李君，等.混合動力汽車控制策略的研究現狀及其發展趨勢[J].機械工程學報，2006，42（11）：10-16.

[3] 田江學，屈衛東.CAN總線在混合動力汽車中的應用[J].計算機工程，2003，29（19）：174.

[4] 何晶.混合動力汽車電控系統的設計[D].大連：大連理工大學，2005.

[5] 李勝利.混合動力汽車動力總成系統分析與控制策略制定[D].沈陽：東北大學，2008.

[6] 陳素梅，王智晶，龔軍.混合動力汽車整車控制系統分析研究[C]//河南省汽車工程科學技術研討會.2013：289.

[7] 張忠義，羌嘉曦，楊林，等.混合動力電池管理系統[J].機電工程技術，2006，35（1）：61.

[8] 馮雷，李松，丁富強.電動汽車高壓安全管理系統設計[J].科技與企業，2012（11）：124-125.

[9] 熊偉威，張勇，舒杰.基于CAN總線的分布式控制網絡在串并聯式混合動力客車上的應用[J].汽車工程，2008，30（8）：664-666.