1 引言

近年來在能源需求快速增加和環(huán)境保護(hù)的壓力下，電動(dòng)汽車技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，世界上許多國家的主要汽車制造商正在逐步將電動(dòng)汽車商業(yè)化。純電動(dòng)汽車是一種無污染汽車，但由于生產(chǎn)和使用的成本較高，行駛里程短，現(xiàn)階段還難以滿足顧客的要求，只能在城市社區(qū)等區(qū)域內(nèi)使用。盡管純電動(dòng)汽車的使用技術(shù)還不夠成熟，但由于它可使用的能源多種多樣，節(jié)能環(huán)保，因此世界上的主要汽車制造商都在抓緊對(duì)其進(jìn)行技術(shù)開發(fā)?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車能源利用效率高、對(duì)環(huán)境的污染小、行駛里程長，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)和使用的成本較高，目前技術(shù)已基本成熟，已經(jīng)初步達(dá)到顧客的使用要求，是現(xiàn)在正在致力于商業(yè)化的一種主要車輛類型。燃料電池電動(dòng)汽車的使用技術(shù)還不成熟，但由于使用前景廣闊，關(guān)鍵技術(shù)也正在抓緊開發(fā)。

電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)制造技術(shù)經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車改裝而成，向現(xiàn)代電動(dòng)汽車的專門設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)變過程。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括:汽車技術(shù)、電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和電化學(xué)技術(shù)等。電動(dòng)汽車的專門設(shè)計(jì)包括減輕汽車重量的設(shè)計(jì)、低阻力系數(shù)的車身設(shè)計(jì)，以及低的滾動(dòng)阻力設(shè)計(jì)等方面。

改革開放以來，我國的汽車工業(yè)得到了迅速發(fā)展，但在傳統(tǒng)汽車工業(yè)領(lǐng)域與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，仍然存在較大的差距，因此，趕上發(fā)達(dá)國家的工業(yè)技術(shù)水平，成為我國汽車工業(yè)發(fā)展的必由之路。為此，科技部在“十五”國家863計(jì)劃中，特別設(shè)立了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)。組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，以官、產(chǎn)、學(xué)、研四位一體的方式，聯(lián)合進(jìn)行攻關(guān)。計(jì)劃在“十五”期間，促進(jìn)我國符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的研發(fā)體系、機(jī)制和人才隊(duì)伍的形成，以電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺(tái)為工作重點(diǎn)，力爭(zhēng)在電動(dòng)汽車關(guān)鍵單元技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及整車技術(shù)上取得重大突破，促進(jìn)我國汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多能源動(dòng)力總成控制技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，本文研究了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分級(jí)控制技術(shù)。

2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的類型及工作模式

2.1 類型及特點(diǎn)

由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的功率可由不同類型的能源及其組合提供，因此其組成和結(jié)構(gòu)多種多樣。目前，隨著混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種型式的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，大致可歸結(jié)為四種類型:串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式。串聯(lián)式和并聯(lián)式是兩種基本的結(jié)構(gòu)型式，其它類型的結(jié)構(gòu)都是在這兩者的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此本文只對(duì)這兩者進(jìn)行研究。串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 電力驅(qū)動(dòng)是其唯一的驅(qū)動(dòng)模式, 發(fā)動(dòng)機(jī)和車軸之間沒有直接的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終工作在期望的工作點(diǎn)上, 因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以保持在穩(wěn)定、高效、低污染的運(yùn)行狀態(tài)。但組成串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的各部件的功率較大、體積和質(zhì)量也較大，因此安裝布置有很大的難度, 同時(shí), 由于能量經(jīng)歷了從熱能到電能再到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程，能量損失較大，因此盡管發(fā)動(dòng)機(jī)本身的燃油經(jīng)濟(jì)性高, 但就整個(gè)車輛來說, 總的燃油經(jīng)濟(jì)性不高。這種結(jié)構(gòu)型式適用于中大型汽車上, 特別是城市公交車。

并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩者既可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，也可以共同驅(qū)動(dòng)車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)也工作在高效穩(wěn)定狀態(tài)，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能都比較好。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以選擇功率較小的部件，整車效率較高，主要適用于小型汽車上。這種型式的電動(dòng)汽車的缺點(diǎn)是整車結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制難度較大。

2.2 工作模式

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的各組成單元在控制器的作用下，根據(jù)駕駛員的指令，可在不同的工作模式之間轉(zhuǎn)換，在各種模式下都能協(xié)調(diào)工作。
(1) 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的工作模式
(a) 在車輛起動(dòng)、正常行駛或加速過程中, 發(fā)動(dòng)機(jī)通過發(fā)電機(jī)和(或)電池兩者一起發(fā)出電能并傳遞給功率轉(zhuǎn)換器，然后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而通過傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)車輪。
(b) 在輕載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率大于驅(qū)動(dòng)車輪所要求的功率，因此產(chǎn)生的多余電能被用來向電池充電，直到電池的容量達(dá)到預(yù)定的水平。
(c) 在制動(dòng)或減速的過程中，電動(dòng)機(jī)起發(fā)電機(jī)的作用,將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能, 并通過功率轉(zhuǎn)換器向電池充電。
(d) 車輛停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也可以通過發(fā)電機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器給電池充電。
(2) 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的工作模式
(a) 在車輛起動(dòng)或節(jié)氣門全開的加速過程中, 發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩者同時(shí)工作, 按比例分配要求的功率并驅(qū)動(dòng)車輛。
(b) 在正常行駛過程中，僅僅由發(fā)動(dòng)機(jī)提供必需的功率以驅(qū)動(dòng)車輛，而電動(dòng)機(jī)保持脫離工作的狀態(tài)。
(c) 在減速制動(dòng)的過程中，電動(dòng)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。
(d) 車輛輕載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)向電動(dòng)機(jī)提供一部分功率，通過功率轉(zhuǎn)換器向電池充電。

3 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分級(jí)控制技術(shù)研究

與傳統(tǒng)汽車相比，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.1 控制目標(biāo)

對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車進(jìn)行控制的目的是為了獲得良好的性能，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的控制目標(biāo)主要有四個(gè):最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性;最少的排放物;最小的系統(tǒng)成本;最佳的駕駛性能。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，設(shè)計(jì)功率控制策略時(shí)主要考慮的因素為:

(1) 最優(yōu)的內(nèi)燃機(jī)性能，包括內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行區(qū)間、動(dòng)態(tài)性能、最低運(yùn)行速度、起動(dòng)時(shí)間及頻率的限制等方面。
(2) 保持適當(dāng)?shù)碾姵仉娏恳约鞍踩碾姵仉妷?，避免過電壓或欠電壓。
(3) 在行駛過程中，內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)之間的功率分配應(yīng)該被優(yōu)化。
(4) 根據(jù)路況確定車輛的工作模式。

3.2 各組成單元的控制規(guī)則

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在起動(dòng)、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(dòng)、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(shí)，內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)，并迅速進(jìn)入規(guī)定的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)工作，此時(shí)根據(jù)車輛載荷對(duì)扭矩的要求，內(nèi)燃機(jī)可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪，可以向電池充電;對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，也可以和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行速度低于規(guī)定值時(shí)，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(shí)，根據(jù)車輛載荷對(duì)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(shí)，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(shí)，應(yīng)該停止充電。電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪; 做發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，車輛處于減速制動(dòng)或停車狀態(tài)，用于車輛制動(dòng)能量的回收，并向電池充電。

3.3 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分級(jí)控制技術(shù)

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車使用純電力驅(qū)動(dòng), 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(dòng), 因此對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的控制主要是對(duì)內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)組、電池組和電機(jī)的控制。圖2給出了串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出, 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)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(gè)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2 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖

對(duì)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(gè)區(qū)間值，可以用一個(gè)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(gè)給定的范圍內(nèi)，以確保電池組能夠正常地工作。對(duì)電機(jī)的控制就是控制電機(jī)在電動(dòng)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(duì)電機(jī)的控制的。

車輛起動(dòng)時(shí)，電機(jī)得到的是扭矩為正的指令，做電動(dòng)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(dòng)機(jī)提供電能，當(dāng)車速達(dá)到指定的大小時(shí)，節(jié)氣門被打開，內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)，并迅速進(jìn)入到指定的范圍內(nèi)工作，發(fā)電機(jī)向電動(dòng)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(shí)，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(dòng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)，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。

車輛加速時(shí)，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的功率不能滿足車輛的工作要求，系統(tǒng)控制器向能量管理系統(tǒng)發(fā)出放電指令，電池組向電機(jī)提供電能，增加電機(jī)功率。

車輛減速制動(dòng)時(shí), 電機(jī)控制器向電機(jī)發(fā)出負(fù)的扭矩指令，電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，使車輛處于制動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)，能量管理系統(tǒng)向電池組發(fā)出充電指令，向電池組充電，內(nèi)燃機(jī)控制器則向內(nèi)燃機(jī)發(fā)出停止工作的指令，關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)。

根據(jù)各個(gè)組成單元的控制規(guī)則以及不同工作模式時(shí)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(shí)間都是由駕駛員和車輛狀態(tài)決定的，是動(dòng)態(tài)變化的。

3.4 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分級(jí)控制技術(shù)

并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)和工作模式都比串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車復(fù)雜，圖3給出了并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖。從圖3中可以看出，并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的控制主要也是對(duì)內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)以及電池組的控制，與串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有類似的控制流程和層次結(jié)構(gòu)，對(duì)各組成單元的控制策略和串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也是類似的，即內(nèi)燃機(jī)的工作也是通過電子節(jié)氣門來控制的，內(nèi)燃機(jī)也工作在規(guī)定的最優(yōu)化區(qū)間內(nèi)，電池組也是通過專門研制的能量管理系統(tǒng)來控制的，電池的電量被控制在指定的范圍內(nèi)，電機(jī)做電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行的控制也是通過控制電機(jī)扭矩的正負(fù)來實(shí)現(xiàn)的。但從圖3中還可以看出，并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的控制策略以及各組成單元之間的協(xié)調(diào)控制將更加復(fù)雜。根據(jù)并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的工作模式，其系統(tǒng)各個(gè)組成單元的協(xié)調(diào)控制規(guī)則分述如下。

圖3 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖

車輛起動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)控制器根據(jù)駕駛員指令向能量管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器以及離合器控制器發(fā)出控制指令，能量管理系統(tǒng)向電池組發(fā)出放電指令，電池組放電并向電機(jī)輸送電能，電機(jī)在電機(jī)控制器的指令作用下，產(chǎn)生正的扭矩，做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，而離合器則在離合器控制器指令的作用下處于分離狀態(tài)。當(dāng)車速達(dá)到一定值時(shí)，內(nèi)燃機(jī)在內(nèi)燃機(jī)控制器的作用下起動(dòng)，離合器在離合器控制器指令作用下嚙合，內(nèi)燃機(jī)迅速進(jìn)入到最優(yōu)化區(qū)間工作，與此同時(shí)，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(shí), 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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)，電池組在能量管理系統(tǒng)的指令作用下放電, 并向電機(jī)提供電能，而電機(jī)則在電機(jī)控制器的作用下, 做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，產(chǎn)生正的扭矩，使車輛加速行駛。

減速制動(dòng)時(shí)，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，做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，并向電池組充電，而電池組則在能量管理系統(tǒng)的指令控制下，接受發(fā)電機(jī)的充電。
通過對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)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(jí)的水平上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的控制性能，從而得到良好的車輛性能。

4 結(jié)束語

串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是基本結(jié)構(gòu)型式的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，對(duì)它們的結(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(dòng)力電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)。

(1) 串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)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(gè)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(gè)范圍進(jìn)行，電機(jī)都可以做電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作。

(2) 分級(jí)控制技術(shù)是解決串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車系統(tǒng)控制的行之有效的方法，在研究每一個(gè)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(duì)整個(gè)車輛的控制。

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作者簡(jiǎn)介
鄧元望(1968-) 男 工學(xué)博士 主要從事車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)、車用燃料及代用燃料、智能控制等方面的研究工作，現(xiàn)在湖南大學(xué)控制科學(xué)與工程博士后流動(dòng)站從事電動(dòng)汽車研究工作。