并联型混合动力汽车控制系统研究

严 军，岳伟甲

（解放军陆军军官学院，安徽 合肥 230031）

0 引 言

混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。简单地说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担[1]。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，取长补短，汽车的热效率可提高10%以上，废气排放可改善30%以上。混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式(SHEV）和并联式（PHEV）两种。从现有的条件来看，并联（PHEV）式混合动力汽车，因更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用，其结构如图1所示。车辆需求转矩T为发动机输出扭矩T1和电动机输出扭矩T2之和。T1和T2为相互独立的两个系统,控制系统的主要问题就是在一定目标前提下,合理分配两个转矩。

1 并联混合动力汽车结构

并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动[2]，其结构如图2所示。汽油机是前轮的驱动源，而电动机是后轮的驱动源。车内的控制系统会根据不断变化着的交通条件所需的动力情况，随时作出反应，不需驾车人预先指令，即自动地选择最为理想的驱动模式：或是由电动机进行后轮驱动，或是由汽油机进行前轮驱动，或是内燃机和电动机同时驱动[3]。

2 并联混合动力车汽车控制系统特性

当从静止状态起步时，车上的控制系统会首先选择电动驱动模式[4]，这是因为内燃机在汽车起步后的第一个1 km期间内，所用燃料的80%都被作为废气排掉了，既浪费燃料又污染环境。当车速到每小时40 km时，控制系统会自动选择内燃机驱动模式，同时内燃机在工作时也对电池组进行充电。如果驾驶员突然实施紧急加速，控制系统则会启动电动机来协助内燃机进行联合驱动。而当低速行驶时，或者控制系统判定电池组的能量不足时，也会启动内燃机工作。当汽车减速时，控制系统会对内燃机起到制动作用，判定利用其制动能量对电池组充电。控制系统的控制模型，如图3所示。

该模型采用模糊逻辑控制系统，系统有两个输入,分别是行驶状态和电池监测。其中行驶状态又根据转速和需求转矩Trq来调整，采用分段处理:当需求转矩Trq≤Topt最优转矩时,用 5×Trq/Topt函数;当Trq＆gt;Topt时,用 5+5×(Trq-Topt)/(Tmax-Topt)函数,这样使得控制更为灵活、准确。发动机最优转矩Topt是从静态条件下发动机的万有特性曲线和排放曲线出发,将一定转速条件下兼顾发动机最大效率和最优排放点通过插值连接而成的曲线,即以比效率最高、排放最小为目标函数。

3 电机选择及其控制系统

3.1 电机选择

在选择电动汽车电机驱动系统时，需要考虑的几个关键问题有成本、可靠性、效率、维护、耐用性、重量、尺寸以及噪声等。四种驱动电机的比较，如表1所示。电动机选择开关磁阻电动机，它具有结构简单、运行速度范围宽等特点。选用四相8/6极SR电动机，采用SRM转矩矢量控制。各相的通电顺序为：正转时为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A；反转时为A—DA—D—CD—C—BC—B—AB—A。

表1 不同驱动电机的优缺点

3.2 电机控制系统

3.2.1 系统硬件结构

图4 驱动电路硬件结构

根据矢量控制策略,系统硬件结构如图4所示。控制系统以AT89S52为主控制器,主要由AT89S52及其外围接口电路、电源、DC-DC模块、功率变换器及其驱动电路、保护电路等组成。其中AT89S52外围接口电路主要包括键盘输入和液晶显示电路、SCI接口电路、JTAG仿真器接口电路,片外数据存储器和片外程序存储器和AD转换电路。功率驱动电路单片机输出采用低电平有效,经过光电隔离反相变为高电平有效。功率开关器件采用PWM电压斩波控制,每一相的开通角和关断角由绕组电流、转子位置和速度信号确定[5]。其中A相和C相绕组共用一个电流传感器，B相和D相共用一个电流传感器。这两路传感器输出的模拟电压信号经过放大滤波后接到ADC模数转换电路输入单片机CIN、ADCIN作为电流环的反馈信号。

3.2.2 系统主要软件程序

T1周期中断子程序是本控制系统的核心部分,此子程序包括ADC输入子程序、电流PWM调节子程序、转速PI调节子程序、转速输入和转向输入子程序。图5为T1周期中断子程序流程图。其中一个T1周期为40,并且每到100个T1进行转速调整一次,转速采用带限幅的PI调节。

图5 T1周期中断程序

4 结束语

并联型混合动力汽车结构和现代汽车结构接近，便于在现有的汽车基础上发展，但没有从根本上解决环境污染和能源结构，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。通过研究发展混合动力车逐步建立相关的产业链为纯电动力车时代的到来打下技术和资金的基础。但当前主要还有以下问题制约着电动汽车的发展。

1）电池：目前已在电动汽车上使用的蓄电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锌空电池、锂离子电池和聚合物锂电池等。电动汽车的性能问题都与电池技术发展有关(如汽车的续驶里程短的问题)。一方面，当前开发的蓄电池单位重量储存的能量不能完全满足汽车的功能指标的要求；另一方面，电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较高，使电动汽车的成本比传统汽车高。

2）电动机：驱动电机由直流电机，发展到交流异步电机和无刷永磁电机，再到开关磁阻电机。与原有的直流牵引电机系统相比，具有明显优势，其突出优点是体积小，质量轻（其比质量为0.5～1.0 kg/kW）、效率高、基本免维护、调速范围广；同时打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式。但是，其转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低，因此，需要在电池和电动机方向加强研究，促进混合动力汽车的应用和发展。

[1] 李争，赵涛，姜卫东，等.并联式混合动力电动汽车模糊控制策略的仿真研究[J].公路交通科技,2005，22(2)：28-31.

[2] 蔡际令，金若君.基于DSP控制的开关磁阻电机可逆传动系统[J].浙江大学学报,2006(2):1019-1026.

[3] 欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策[J].汽车工程,2006,28(4):317-321.

[4] 程夕明.辅助动力单元(APU)技术系统研究[D].北京:清华大学,2004:5-6.

[5] 季小尹,符向荣,王安丽.混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机的设计与实现[J].微特电机,2004(2):5-7.