并聯(lián)型混合動力汽車控制系統(tǒng)研究

嚴 軍，岳偉甲

（解放軍陸軍軍官學(xué)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(qū)動力，輔助動力單元實際上是一臺小型燃料發(fā)動機或動力發(fā)電機組。簡單地說，就是將傳統(tǒng)發(fā)動機盡量做小，讓一部分動力由電池-電動機系統(tǒng)承擔(dān)[1]。這種混合動力裝置既發(fā)揮了發(fā)動機持續(xù)工作時間長、動力性好的優(yōu)點，又可以發(fā)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?；旌蟿恿υ措妱榆嚢凑漳芰亢铣傻男问街饕譃榇?lián)式(SHEV）和并聯(lián)式（PHEV）兩種。從現(xiàn)有的條件來看，并聯(lián)（PHEV）式混合動力汽車，因更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，得到比較廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。車輛需求轉(zhuǎn)矩T為發(fā)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(tǒng),控制系統(tǒng)的主要問題就是在一定目標前提下,合理分配兩個轉(zhuǎn)矩。

1 并聯(lián)混合動力汽車結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式裝置的發(fā)動機和電動機以機械能疊加的方式驅(qū)動汽車，發(fā)動機與電動機分屬兩套系統(tǒng)，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(qū)動又可以單獨驅(qū)動[2]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。汽油機是前輪的驅(qū)動源，而電動機是后輪的驅(qū)動源。車內(nèi)的控制系統(tǒng)會根據(jù)不斷變化著的交通條件所需的動力情況，隨時作出反應(yīng)，不需駕車人預(yù)先指令，即自動地選擇最為理想的驅(qū)動模式：或是由電動機進行后輪驅(qū)動，或是由汽油機進行前輪驅(qū)動，或是內(nèi)燃機和電動機同時驅(qū)動[3]。

2 并聯(lián)混合動力車汽車控制系統(tǒng)特性

當(dāng)從靜止狀態(tài)起步時，車上的控制系統(tǒng)會首先選擇電動驅(qū)動模式[4]，這是因為內(nèi)燃機在汽車起步后的第一個1 km期間內(nèi)，所用燃料的80%都被作為廢氣排掉了，既浪費燃料又污染環(huán)境。當(dāng)車速到每小時40 km時，控制系統(tǒng)會自動選擇內(nèi)燃機驅(qū)動模式，同時內(nèi)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(tǒng)則會啟動電動機來協(xié)助內(nèi)燃機進行聯(lián)合驅(qū)動。而當(dāng)?shù)退傩旭倳r，或者控制系統(tǒng)判定電池組的能量不足時，也會啟動內(nèi)燃機工作。當(dāng)汽車減速時，控制系統(tǒng)會對內(nèi)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(tǒng)的控制模型，如圖3所示。

該模型采用模糊邏輯控制系統(tǒng)，系統(tǒng)有兩個輸入,分別是行駛狀態(tài)和電池監(jiān)測。其中行駛狀態(tài)又根據(jù)轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩Trq來調(diào)整，采用分段處理:當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩Trq≤Topt最優(yōu)轉(zhuǎn)矩時,用 5×Trq/Topt函數(shù);當(dāng)Trq＆gt;Topt時,用 5+5×(Trq-Topt)/(Tmax-Topt)函數(shù),這樣使得控制更為靈活、準確。發(fā)動機最優(yōu)轉(zhuǎn)矩Topt是從靜態(tài)條件下發(fā)動機的萬有特性曲線和排放曲線出發(fā),將一定轉(zhuǎn)速條件下兼顧發(fā)動機最大效率和最優(yōu)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(shù)。

3 電機選擇及其控制系統(tǒng)

3.1 電機選擇

在選擇電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)時，需要考慮的幾個關(guān)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(qū)動電機的比較，如表1所示。電動機選擇開關(guān)磁阻電動機，它具有結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩矢量控制。各相的通電順序為：正轉(zhuǎn)時為A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A；反轉(zhuǎn)時為A—DA—D—CD—C—BC—B—AB—A。

表1 不同驅(qū)動電機的優(yōu)缺點

3.2 電機控制系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖4 驅(qū)動電路硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)矢量控制策略,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。控制系統(tǒng)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(qū)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(shù)據(jù)存儲器和片外程序存儲器和AD轉(zhuǎn)換電路。功率驅(qū)動電路單片機輸出采用低電平有效,經(jīng)過光電隔離反相變?yōu)楦唠娖接行А９β书_關(guān)器件采用PWM電壓斬波控制,每一相的開通角和關(guān)斷角由繞組電流、轉(zhuǎn)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(jīng)過放大濾波后接到ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入單片機CIN、ADCIN作為電流環(huán)的反饋信號。

3.2.2 系統(tǒng)主要軟件程序

T1周期中斷子程序是本控制系統(tǒng)的核心部分,此子程序包括ADC輸入子程序、電流PWM調(diào)節(jié)子程序、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)子程序、轉(zhuǎn)速輸入和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速調(diào)整一次,轉(zhuǎn)速采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)。

圖5 T1周期中斷程序

4 結(jié)束語

并聯(lián)型混合動力汽車結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)接近，便于在現(xiàn)有的汽車基礎(chǔ)上發(fā)展，但沒有從根本上解決環(huán)境污染和能源結(jié)構(gòu)，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(chǎn)品。通過研究發(fā)展混合動力車逐步建立相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈為純電動力車時代的到來打下技術(shù)和資金的基礎(chǔ)。但當(dāng)前主要還有以下問題制約著電動汽車的發(fā)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(shù)發(fā)展有關(guān)(如汽車的續(xù)駛里程短的問題)。一方面，當(dāng)前開發(fā)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(jīng)濟規(guī)模，故購買價格較高，使電動汽車的成本比傳統(tǒng)汽車高。

2）電動機：驅(qū)動電機由直流電機，發(fā)展到交流異步電機和無刷永磁電機，再到開關(guān)磁阻電機。與原有的直流牽引電機系統(tǒng)相比，具有明顯優(yōu)勢，其突出優(yōu)點是體積小，質(zhì)量輕（其比質(zhì)量為0.5～1.0 kg/kW）、效率高、基本免維護、調(diào)速范圍廣；同時打破了傳統(tǒng)的電機設(shè)計理論和正弦波電壓源供電方式。但是，其轉(zhuǎn)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(yīng)用和發(fā)展。

[1] 李爭，趙濤，姜衛(wèi)東，等.并聯(lián)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(guān)磁阻電機可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2006(2):1019-1026.

[3] 歐陽明高.我國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)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(shù)系統(tǒng)研究[D].北京:清華大學(xué),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(shè)計與實現(xiàn)[J].微特電機,2004(2):5-7.