汽车混合动力驱动控制系统与能量控制系统

来源:用户上传      作者: 伍小明

　　摘 要 基于CAN总线的HEV能量控制系统独创性的实现了模糊逻辑智能控制、51单片机开发、混合动力驱动控制三者有机结合，随着开发的不断深入以及后继者的不懈努力，逐步建立汽车混合动力驱动控制系统与能量控制系统，完善汽车混合动力工业。本文针对串联和并联两种形式的混合动力汽车的驱动控制系统和能量控制系统的特点和控制模式以及控制原理做了较为系统全面的叙述和分析，描述了控制系统的各自特点。
　　关键词 混合动力汽车 驱动控制系统 能量控制系统 控制模式 分级控制技术
　　中图分类号：U463 文献标识码：A
　　
　　Hybrid Vehicle Drive Control Systems and Energy Control Systems
　　WU Xiaoming
　　(Fujian Chuanzheng Communication College, Fuzhou, Fujian 350007)
　　Abstract Based on CAN line HEV energy control system to achieve the original fuzzy logic intelligent control, development of 51 single-chip, hybrid drive control combine the three, along with the deepening and development of the successor to the tireless efforts, and gradually build cars with hybrid drive control systems and energy control systems, improve the hybrid car industry. In this paper, two types of series and parallel hybrid electric vehicle drive control systems and energy control system features and control mode, and control theory to do a more systematic and comprehensive description and analysis, describes the characteristics of each control system.
　　Key words hybrid vehicles; drive control system; energy control system; control mode; hierarchical control
　　
　　0 前言
　　在环境问题和能源危机日益严重的今天，混合动力汽车成为了世界上新一代清洁汽车的研究重点，所谓混合动力，靠的是传统的汽油引擎加上电动机输出动力作配合，利用引擎在工作时对蓄电池的充电，将电动机和引擎产生的动力不断切换和转化，达到双动能推动。这样的配合以电动机驱动为主，引擎驱动为辅，达到预期为减少耗油和废气排放的环保效益。
　　混合动力汽车安装有辅助发动机工作的电动马达，在汽车起步、加速时候能够提供强大的动力，同事减少的燃油发动机的负荷，减少了发动机的燃油消耗。因此，驾驶者可以得到更高的输出动力。同时，还能实现较高的燃油经济性。
　　总之，混合动力汽车介于传统汽车和纯电动汽车、燃料电池汽车之间，是一种承前启后的，在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品。
　　1 混合动力总成控制
　　混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。混合动力汽车有串联式和并联式两种结构形式。
　　混合动力汽车能够按照驾驶者的意愿在单元控制器的作用下，各个工作模式之间互相转换，互相协调。
　　1.1 串联式混合动力电动汽车的工作模式
　　（1）在车辆起步、正常行驶或加速过程中，发动机通过发电机和(或)蓄电池两者一起输出动力并传递给功率转换器，驱动电动机，再通过传动系驱动车轮。（2）在小负荷时，发动机的输出功率大于驱动车轮所需要的功率，因此产生的多余的能量可以用来向蓄电池充电，直到电池的容量足够。（3）在制动或减速的过程中，电动机起发电机的作用，将车辆的动能转化成电能，并通过功率转换器向电池充电。（4）车辆停车时，发动机也可以通过发电机和功率转换器给电池充电。
　　1.2 并联式混合动力电动汽车的工作模式
　　（1）在车辆起动或大负荷的情况中， 发动机和电动机两者同时工作，所需功率按比例分配并驱动汽车。（2）在中等负荷情况下，车辆单独由发动机提供所需的功率，而电动机不工作。（3）在制动减速的过程中，电动机起发电机的作用，并通过功率转换器向电池充电。（4）车辆小负荷情况下时，发动机向电动机提供一部分功率，通过功率转换器向电池充电。
　　2 混合动力汽车的分级控制技术
　　与传统汽车相比，混合动力电动汽车的驱动系统中增加了能量源和电机等装置，结构更加复杂，系统中各单元之间的协调控制以及几种工作模式之间的转换，使得控制技术成为混合动力电动汽车的关键技术之一。
　　2.1 控制目标
　　对混合动力电动汽车进行控制的目的是为了获得良好的性能，混合动力电动汽车的控制目标主要有四个：最好的燃油消耗；最小的废物排放量；最小的系统工作成本；最好的驾驶操纵性能。
　　2.2 各组成单元的控制规则
　　混合动力电动汽车在起动、加速、减速、正常行驶及停车的过程中，处于不同的工作状况，能量源根据车辆的工作状况来决定自身的工作模式。内燃机的工作在起动、正常运行及关闭三种状态之间转换，当车速达到规定值时，内燃机起动，并迅速进入规定的运行区间内工作，此时根据车辆载荷对扭矩的要求，内燃机可单独驱动车轮，可以向电池充电;对并联式混合动力电动汽车，也可以和电机共同驱动车轮，当内燃机运行速度低于规定值时，关闭内燃机。电池的工作在充电、放电及关闭三种状态之间转换，当电池电量处于规定的范围之内时，根据车辆载荷对扭矩的要求，电池可以向电机提供电能; 当电池电量低于规定范围的下限值时，应该给电池充电; 当电池电量达到规定范围的上限值时，应该停止充电。电机做电动机运行时，对并联混合动力电动汽车，与发动机共同驱动车轮; 做发电机运行时，车辆处于减速制动或停车状态，用于车辆制动能量的回收，并向电池充电。
　　2.3 串联式混合动力电动汽车的分级控制技术
　　串联式混合动力电动汽车使用纯电力驱动，其能量源为内燃机/发电机组和电池组，由电机直接驱动，因此对串联式混合动力电动汽车的控制主要是对内燃机/发电机组、电池组和电机的控制。图1说明了串联式混合动力汽车的分级控制结构图。从图中可以看出，串联式混合动力汽车的控制流程为：从驾驶员指令到系统控制器，再到各组成单元控制器，包括内燃机控制器、电机控制器以及能量管理系统，最后到达各个组成单元，即内燃机/发电机组、电机和电池组，车辆的运行状态也被反馈到系统控制器中。各组成单元在指令的作用下，协调工作，从而得到需要的车辆运行状态。

　　
　　 图1 串联式混合动力汽车的分级控制结构图
　　对内燃机/发电机组的控制是控制内燃机的节气门开度以调节内燃机的空燃比，从而控制内燃机发出的功率，节气门使用电子节气门，可以精确调节节气门的开度，节气门的开度是一个区间值，可以用一个百分数来表示节气门开度的大小。电池组由专门研制的能量管理系统控制，电池组的电量被控制在一个给定的范围内，以确保电池组能够正常地工作。对电机的控制就是控制电机在电动机和发电机两种工作方式之间的转换，它是通过判断电机扭矩的正负来实现对电机的控制的。 车辆起动时，电机得到的是扭矩为正的指令，做电动机运行，能量管理系统传送给电池组的是放电指令，向电动机提供电能，当车速达到指定的大小时，节气门被打开，内燃机起动，并迅速进入到指定的范围内工作，发电机向电动机发出电能，能量管理系统向电池组发出关闭指令，并停止向电机提供电能。 车辆正常行驶时，内燃机继续在指定的区间内工作，电机继续做电动机运行，此时，系统控制器可根据车辆的工作状态以及电池组的状态向内燃机控制器和能量管理系统发出充电指令，内燃机/发电机组发出的电能在电机和电池组之间分配。根据各个组成单元的控制规则以及不同工作模式时的控制流程可以看出，车辆运行过程中，除了电机处于连续工作状态外，内燃机/发电机组和电池组都处于间断性质的工作状态，驾驶员指令和车辆状态反馈指令经系统控制器处理后，被分别发送至不同的控制器，各控制器然后将指令发送到相应的控制单元，使它们按照要求的方式工作，实现预定的工作模式。指令流的路线和时间都是由驾驶员和车辆状态决定的，是动态变化的。
　　2.4 并联式混合动力电动汽车的分级控制技术
　　并联式混合动力电动汽车有两套驱动系统，它的结构和工作模式比串联式混合动力电动汽车复杂多了，图2说明了并联式混合动力电动汽车的分级控制结构图。从图2中可以看出，并联式混合动力电动汽车的控制主要也是对发动机、电动机以及蓄电池组的控制，与串联式混合动力电动汽车相比具有相似的控制流程和层次结构，对各组成单元的控制策略与串联式混合动力电动汽车相比也差不多，即内燃机的工作也是通过电子节气门来控制的，并使它工作在规定的范围之内，电池组也是由专门设计的能量管理系统来控制的，电池的电量被控制在设定的大小范围内。图2中还说明了并联式混合动力电动汽车的控制策略以及各组成单元之间的协调控制很繁杂。按照并联式混合动力电动汽车的工作模式，它的系统各个组成单元的协调控制规则分述如下：
　　
　　 图2 并联式混合动力汽车的分级控制结构图
　　车辆起动时，系统控制器按照驾驶员意愿向能量管理系统、电机控制器以及离合器控制器发出控制命令，能量管理系统向电池组发出放电命令，电池组放电并向电动机输送电能，电机在电机控制器的命令作用下，产生了正的扭矩，做类似电动机的运行，而离合器则在离合器控制器命令的作用下处于分离状态。当车速到一定时，发动机机在发动机控制器的作用下启动，离合器在离合器控制器指令作用下接合，发动机工作迅速到达最优化区间工作，与此同时，电池组在能量管理系统的控制下停止放电，而电机也在电机控制器的作用下停止工作。 车辆正常行驶时，离合器保持啮合状态, 内燃机继续在最优化区间内运行，此时系统控制器可根据车辆运行状态向能量管理系统发出充电指令，电机控制器向电机发出负的扭矩指令，做发电机运行并向电池充电，电机成为内燃机的一个负载，内燃机发出的功率在电机和车轮之间分配。车辆加速行驶时，内燃机在最优化区间内处于满负荷工作状态，与此同时，电池组在能量管理系统的指令作用下放电，并向电动机提供电能，而电机则在控制器的作用下，做类似电动机的运行，产生正的扭矩，使车辆加速行驶。减速制动时，离合器分离，内燃机被关闭，电机在控制器的作用下，产生负的扭矩，做类似发电机的运行，并向蓄电池组充电，而蓄电池组则在能量管理系统的指令控制下，接受并给发电机的充电。通过对并联式混合动力汽车的控制结构和不同工作模式下的指令流的分析可见，并联式混合动力汽车的能量源之间具有较强的相互关联性，应在系统级的水平上进行优化设计，以优化整个系统的控制性能，从而得到良好的车辆性能。
　　3 结束语
　　对串联式和并联式混合动力汽车的结构特点、工作模式以及控制技术的研究是研究结构更加复杂的混合动力汽车的基础。（1）串联式和并联式混合动力电动汽车的能量源的控制策略和控制技术是类似的，即内燃机都应该在最优区间内工作，规定了一个最小的转速，电池组的电量也应该在规定的范围内，充电和放电都应该在这个范围进行，电机都可以做电动机和发电机工作。（2）解决串联式和并联式混合动力电动汽车系统控制的行之有效的方法是分级控制技术，在研究每一个部分的控制的基础上，通过系统集成便可得到系统控制器，从而实现对整个车辆的控制。
　　
　　参考文献
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　　[2] GB/T19754-2005.重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法.
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　　[6] 陈清泉.电动车的现状和趋势.机械制造与自动化,2003.2.
　　

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