3.1

純電動汽車控制3.2混合動力汽車動力控制第3章

新能源汽車的動力系統(tǒng)及控制新能源汽車整車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了整車控制系統(tǒng)電結(jié)構(gòu)，整車控制主要由整車控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)和管理監(jiān)控系統(tǒng)等組成。新能源汽車控制器（VCU）是整車控制系統(tǒng)的核心部件，通過分析整車動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得出控制器的需求功能。根據(jù)這些需求功能設(shè)計和研究整車控制策略及其控制器，保障汽車安全性與可靠性，保證控制器間的正常通信。3.1

純電動汽車動力系統(tǒng)及控制3.1

.1純電動汽車動力系統(tǒng)純電動汽車動力系統(tǒng)主要有單電機直驅(qū)式動力系統(tǒng)、單電機+AMT動力系統(tǒng)，雙電機耦合動力系統(tǒng)以及輪轂電機動力系統(tǒng)。1.單電機直驅(qū)動力系統(tǒng)這種驅(qū)動形式的特點是無離合器、變速箱的直驅(qū)式電驅(qū)動系統(tǒng)，可采用大功率高轉(zhuǎn)矩低速永磁同步電機或交流異步電機。2.單電機+AMT動力系統(tǒng)這種驅(qū)動形式的特點是無離合器，采用三擋機械自動變速器電驅(qū)動系統(tǒng)，電機為大功率中速永磁同步電機。3.雙電機耦合減速系統(tǒng)這種驅(qū)動形式的特點是體積小、重量輕、便于底盤布置和有效利用空間，有利于低地板結(jié)構(gòu)；噪音小、雙電機驅(qū)動運轉(zhuǎn)平滑；雙電機協(xié)調(diào)工作，單電機失效仍能運行。4.輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)這種驅(qū)動形式的特點是無主減速器和差速器，利于低地板汽車布置；電機直接驅(qū)動車輪，制動時吸收車輪制動能量，效率更高；雙電機分別驅(qū)動兩個后輪，可實現(xiàn)精確差速控制和轉(zhuǎn)向控制。3.1

.2驅(qū)動電機系統(tǒng)驅(qū)動電機系統(tǒng)是新能源汽車的三大核心部件（電機、電池和電控）之一，是行駛中的主要執(zhí)行機構(gòu)，在純電動汽車和燃料電池汽車上，它是唯一的驅(qū)動部件；在混合動力汽車上，它是實現(xiàn)各種工作模式的關(guān)鍵。1.對驅(qū)動電機系統(tǒng)的要求由于驅(qū)動電機系統(tǒng)工況復(fù)雜。需隨時面對車輛啟動、加速、制動、停車、上坡、下坡、轉(zhuǎn)彎和變道等隨機工況，而在混合動力汽車中，又存在多種工作模式如電機啟動發(fā)動機、電機驅(qū)動、電機發(fā)電、電機制動能量回饋等，且電機具體工作于何種模式也是隨機的。基本要求：（1）轉(zhuǎn)矩、功率密度大（2）工作速域?qū)挘?）系統(tǒng)效率高（4）系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境能力強（5）電磁兼容性好（6）性價比高2.驅(qū)動電機系統(tǒng)組成新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng)一般包括電機驅(qū)動系統(tǒng)及機械傳動機構(gòu)兩大部分，其中電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源等部分構(gòu)成。對于電動機，一般要求具有電動、發(fā)電兩項功能，按類型常用的有直流、交流、永磁無刷或開關(guān)磁阻等幾種機型；功率轉(zhuǎn)換器按所配電機類型的不同，有DC/DC功率變換器和DC/AC功率變換器等型式，3.電機本體結(jié)構(gòu)以采用較多的三相異步電動機為例，電機本體結(jié)構(gòu)主要由前后端蓋、定子部分、轉(zhuǎn)子部分、機座、風(fēng)扇和風(fēng)罩等組成4.電動機類型

新能源汽車電機主要使用的是異步電動機、永磁同步電動機和開關(guān)磁阻電動機。電動機的分類驅(qū)動電機電磁型電機直流電機電磁鐵型直流電機永磁直流電機帶電刷直流電機無刷直流電機交直流兩用電機交流整流式電機交流電機感應(yīng)電機三相感應(yīng)電機鼠籠式繞組式兩項感應(yīng)電機單項感應(yīng)電機同步電機繞組磁場型電機永磁磁鐵型電機磁阻電機磁滯電機步進電機可變磁阻型永磁型混合型非電磁型電機超聲波電機雅典執(zhí)行器磁致伸縮執(zhí)行器靜電執(zhí)行器異步電機主要應(yīng)用在純電動汽車（包括轎車及汽車），永磁同步電機主要應(yīng)用在混合動力汽車，開關(guān)磁阻電機則主要應(yīng)用于大中型汽車。直流電機及其控制系統(tǒng)一般由定子、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷等組成。直流電機結(jié)構(gòu)1-軸；2-軸承；3-后端蓋；4-風(fēng)扇；5-電樞鐵心；6-主極繞組；7-主極鐵心；8-幾座；9-換向極鐵心；10-換向極繞組；11-電樞繞組；12-換向器；13-電刷；14-刷架；15-前端蓋；16-出線盒；17-軸承蓋直流電機的控制

直流電機控制系統(tǒng)主要由斬波器和中央控制器構(gòu)成，根據(jù)輸出轉(zhuǎn)矩的需要，通過斬波器來控制電機的輸入電壓、電流，以此控制和驅(qū)動直流電機運行。交流三相感應(yīng)電機及其控制系統(tǒng)交流三相感應(yīng)電機主要由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，在轉(zhuǎn)子與定子之前沒有相互接觸的滑環(huán)、換向器等部件。交流三相感應(yīng)電機的控制由于交流三相感應(yīng)電機不能直接使用直流電，因此需要逆變裝置進行轉(zhuǎn)換控制。應(yīng)用于感應(yīng)電機的控制技術(shù)主要有三種：V/F控制（即壓頻控制，通過電源電壓和額定頻率的比率控制，維持電機恒定磁通，使電機保持較高效率）、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。永磁同步電機及其控制系統(tǒng)永磁同步電機主要由轉(zhuǎn)子、定子、位置傳感器、電子換向開關(guān)及端蓋等部件組成，永磁同步電機的控制永磁同步電機的控制技術(shù)已從最初的基于穩(wěn)態(tài)模型的標量控制發(fā)展到矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和智能控制，其中智能控制包括專家系統(tǒng)智能控制、模糊邏輯智能控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制等。

對于內(nèi)嵌式永磁同步電機的無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)，通過將滑模觀測器和高頻電壓信號注入法相結(jié)合，在無位置傳感器的內(nèi)嵌式永磁同步電機閉環(huán)矢量控制方式下平穩(wěn)啟動運行，并能在低速和高速運行場合獲得較準確的轉(zhuǎn)子位置觀察信息。這種控制方法最本質(zhì)的特征，是通過坐標變換將交流電機內(nèi)部復(fù)雜耦合的非線性變量變換為相對坐標系為靜止的直流變量（如電流，磁鏈，電壓等），從中找到約束條件，獲得某一目標的最佳控制策略。開關(guān)磁阻電機及其控制系統(tǒng)開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)是高性能機電一體化系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻電動機、功率變換器、傳感器和控制器四部分組成。開關(guān)磁組電機結(jié)構(gòu)1-外殼；2-定子；3-轉(zhuǎn)子關(guān)磁阻電機的控制開關(guān)磁阻電機具有明顯的非線性特性，系統(tǒng)難于建模，一般的線性控制方式不適于采用開關(guān)磁阻電機的驅(qū)動系統(tǒng)。主要控制方式有模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。3.1.3功率變換器

新能源汽車的電子設(shè)備是極為復(fù)雜的電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅包含許多作用不同的功能模塊，而且每個功能模塊對電源的要求以及所需的功率等級、電壓高低、電流大小、安全可靠性和電磁兼容性等指標也不盡相同。為了滿足不同模塊的不同要求，新能源汽車常使用AC/DC（或AC-DC）、DC/DC（或DC-DC）和DC/AC（或DC-AC）三種類型的功率變換器，以適用各種不同的需求，其中使用最多的是前兩種。新能源汽車(包括混合動力汽車和燃料電池汽車)上使用的各種電能變換器的示例1.DC/DC功率變換器

DC/DC（直流-直流變換器）變換模塊的直流輸入電源可來自系統(tǒng)中的電池，也可來自直流總線，這些電源通常有48V、24V、5V或者其他數(shù)值。由于電壓的穩(wěn)定性能差，且會有較高的噪聲分量，要使電子設(shè)備正常工作，必須使用一個DC/DC功率變換模塊，將寬范圍變化的直流電壓變換成一種穩(wěn)定性能良好的直流電壓。2.DC/AC功率變換器DC/AC功率變換器（直流-交流變換器）亦稱DC/AC逆變器，是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件將直流電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻交流電能的靜止裝置，主要供交流負荷用電或交流電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。一般可分為有源逆變與無源逆變兩種，其中有源逆變是指把直流逆變成與交流電源同頻率的交流電饋送到電網(wǎng)中區(qū)的逆變器；在逆變狀態(tài)下，變換電路的交流側(cè)如果不與交流電網(wǎng)連接而直接與負荷連接，將直流電逆變成某一頻率或可調(diào)頻率的交流電直接供給負荷，則稱之為無源逆變。3.2混合動力汽車動力控制

國外混合動力汽車的開發(fā)起步較早，其中最具代表性的有日野公司的HIMR系統(tǒng)，美國通用公司的混聯(lián)系統(tǒng)，BAE公司的串聯(lián)、混聯(lián)系統(tǒng)，EATON公司系統(tǒng)、采埃孚和福伊特系統(tǒng)等。1.并聯(lián)系統(tǒng)日野（HinoMotors，Ltd）的HIMR系統(tǒng)為并聯(lián)方案，電機動力與發(fā)動機動力通過齒輪減速機構(gòu)實現(xiàn)在變速器-軸的耦合。2.串聯(lián)系統(tǒng)

發(fā)動機發(fā)出的能量通過發(fā)電機和電動機傳到驅(qū)動橋，發(fā)動機和驅(qū)動橋之間沒有直接的機械連接。混聯(lián)方案采用行星齒輪耦合器，發(fā)動機動力通過離合器與行星機構(gòu)的行星架連接，兩個電動機與中心齒輪連接，環(huán)形齒輪作為耦合器的動力輸出機構(gòu)與驅(qū)動橋連接。通過控制離合器、兩個電動機及與行星架相連的制動器工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)多種工作模式。3.混聯(lián)系統(tǒng)采用兩個行星齒輪和兩個電機，發(fā)動機動力通過左邊的行星齒輪實現(xiàn)輸入分流，通過右邊的行星齒輪實現(xiàn)發(fā)動機與電機動力的輸出耦合；通過濕式離合器和電機控制實現(xiàn)混合動力的多種工作狀態(tài)和狀態(tài)切換及換檔。3.2.2混合動力系統(tǒng)的控制方法

混合動力汽車的整車控制系統(tǒng)即動力總成控制器，是整個車輛的核心控制部件，它采集加速踏板信號、制動踏板信號及其他部件信號并做出相應(yīng)判斷后，控制下層各部件控制器的動作，驅(qū)動整車控制器采集駕駛信號和車輛狀態(tài)，通過CAN總線對網(wǎng)絡(luò)信息進行管理、調(diào)度、分析和運算，針對車型的不同配置，進行相應(yīng)的能量管理，實現(xiàn)整車驅(qū)動控制、能量優(yōu)化控制、制動回饋控制和網(wǎng)絡(luò)管理等功能，這就是混合動力系統(tǒng)的控制策略。對于不同的混合動力結(jié)構(gòu)，其控制策略也有較大區(qū)別。1.串聯(lián)混合動力系統(tǒng)控制策略

（1）“恒溫器”式控制策略該控制策略較為簡單，主要針對純電動車輛續(xù)駛里程短的特點，因此在普通電動車輛上增加一個輔助動力單元(AuxiliaryPowerUnit，縮寫APU)，由其為蓄電池及時補充電能或承擔(dān)車輛的部分行駛功率，從而減少蓄電池能量消耗，延長整車行駛里程。與沒有APU的情況相比，電池放電速度減慢。（2）“功率跟隨”式控制策略

“功率跟隨”式控制與行駛里程延伸型控制模式相比，在該控制策略下，發(fā)動機的功率緊隨車輪功率的變化而變化，這與傳統(tǒng)的汽車運行相似2.并聯(lián)混合動力系統(tǒng)控制策略

通常情況下并聯(lián)式混合動力的工作模式主要包括以下幾種：怠速時，發(fā)動機關(guān)閉，實現(xiàn)零排放，同時也消除了無效的能量消耗；低速時，由電機工作，發(fā)動機關(guān)閉，以實現(xiàn)降低油耗和排放的目的。這是因為在低速時，發(fā)動機的負荷率通常比較低，效率較差；中高速時，由發(fā)動機工作，同時根據(jù)電池和電機的效率以及電池的SOC，可對電池進行充電，該過程可有效提高發(fā)動機的負荷率，另一方面也可以保證電池的電量平衡；加速或上坡時，如果阻力功率大于發(fā)動機所能提供的功率，則發(fā)動機和電機同時工作，電機起助力作用，通過該措施可減小發(fā)動機的額定功率，同時獲得相應(yīng)的動力性能；減速時，發(fā)動機關(guān)閉，并強制電機對電池進行充電，回收部分制動能量。常用的控制策略包括電動助力控制策略、實時控制策略和模糊控制策略三種。（1）電動助力控制策略

在電動助力控制策略中，主要輸入?yún)?shù)包括變速器的請求扭矩、請求轉(zhuǎn)速、電池SOC以及車輛的速度等?？刂撇呗砸诟鱾€部件狀態(tài)允許的情況下盡可能地滿足變速器的扭矩請求和轉(zhuǎn)速請求。電池的SOC和車輛的速度主要用來確定在不同工況下，分配給電機的工作扭矩，這包括為了提高負荷率而對電池充電、電池單獨工作以及制動能量的回收等最小車速的設(shè)定主要考慮電機最大功率和電池能夠長時間工作的最大電流，同時將最小車速設(shè)定為電池的SOC的函數(shù)，以保持使用過程中電池的SOC的平衡，其定義公式為：（2）實時控制策略

實時控制策略就是在已知各部件特性的基礎(chǔ)上，實時比較各工作模式的整體效率來決定各部件的工作狀態(tài)，以使整個系統(tǒng)的能量流動損失最小。在已知各部件特性的情況下，為了考察電池的充放電效率ηc，實時控制策略中的一個重要參數(shù)就是電池中儲存能量的比油耗（亦稱為“能量當(dāng)量”），要求在需要選擇的情況下，比較發(fā)動機的燃油消耗率和電池的能量當(dāng)量，選擇經(jīng)濟性較好的部件以實現(xiàn)整個系統(tǒng)效率最高。電池中的能量主要來自兩個部分，一是由發(fā)動機通過電機對電池的充電，二是來自回收的制動能量，而能量當(dāng)量則根據(jù)車輛的行駛情況不同而變化。為了使電池的電量維持在要求的區(qū)域內(nèi)，能量當(dāng)量應(yīng)是電池SOC的函數(shù)。（3）模糊控制策略

模糊邏輯控制策略的出發(fā)點是通過綜合考慮發(fā)動機、電機和電池的工作效率來實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的整體效率最高。雖然其目標與實時控制策略較為相似，但與實時控制策略相比，模糊邏輯控制策略具有魯棒性好的優(yōu)點3.混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略

混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略（1