摘 要 基於CAN總線的HEV能量控制系統獨創性的實現了模糊邏輯智能控制、51單片機開發、混合動力驅動控制三者有機結合，隨著開發的不斷深入以及後繼者的不懈努力，逐步建立汽車混合動力驅動控制系統與能量控制系統，完善汽車混合動力工業。本文針對串聯和並聯兩種形式的混合動力汽車的驅動控制系統和能量控制系統的特點和控制模式以及控制原理做了較為系統全面的敘述和分析，描述了控制系統的各自特點。
關鍵詞 混合動力汽車 驅動控制系統 能量控制系統 控制模式 分級控制技術
中圖分類號：U463 文獻標識碼：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
在環境問題和能源危機日益嚴重的今天，混合動力汽車成為了世界上新一代清潔汽車的研究重點，所謂混合動力，靠的是傳統的汽油引擎加上電動機輸出動力作配合，利用引擎在工作時對蓄電池的充電，將電動機和引擎產生的動力不斷切換和轉化，達到雙動能推動。這樣的配合以電動機驅動為主，引擎驅動為輔，達到預期為減少耗油和廢氣排放的環保效益。
混合動力汽車安裝有輔助發動機工作的電動馬達，在汽車起步、加速時候能夠提供強大的動力，同事減少的燃油發動機的負荷，減少了發動機的燃油消耗。因此，駕駛者可以得到更高的輸出動力。同時，還能實現較高的燃油經濟性。
總之，混合動力汽車介於傳統汽車和純電動汽車、燃料電池汽車之間，是一種承前啟後的，在經濟和技術方面都趨於成熟的電動汽車產品。
1 混合動力總成控制
混合動力汽車就是在純電動汽車上加裝一套內燃機，其目的是減少汽車的污染，提高純電動汽車的行駛里程。混合動力汽車有串聯式和並聯式兩種結構形式。
混合動力汽車能夠按照駕駛者的意願在單元控制器的作用下，各個工作模式之間互相轉換，互相協調。
1.1 串聯式混合動力電動汽車的工作模式
（1）在車輛起步、正常行駛或加速過程中，發動機通過發電機和(或)蓄電池兩者一起輸出動力並傳遞給功率轉換器，驅動電動機，再通過傳動系驅動車輪。（2）在小負荷時，發動機的輸出功率大於驅動車輪所需要的功率，因此產生的多餘的能量可以用來向蓄電池充電，直到電池的容量足夠。（3）在制動或減速的過程中，電動機起發電機的作用，將車輛的動能轉化成電能，並通過功率轉換器向電池充電。（4）車輛停車時，發動機也可以通過發電機和功率轉換器給電池充電。
1.2 並聯式混合動力電動汽車的工作模式
（1）在車輛起動或大負荷的情況中， 發動機和電動機兩者同時工作，所需功率按比例分配並驅動汽車。（2）在中等負荷情況下，車輛單獨由發動機提供所需的功率，而電動機不工作。（3）在制動減速的過程中，電動機起發電機的作用，並通過功率轉換器向電池充電。（4）車輛小負荷情況下時，發動機向電動機提供一部分功率，通過功率轉換器向電池充電。
2 混合動力汽車的分級控制技術
與傳統汽車相比，混合動力電動汽車的驅動系統中增加了能量源和電機等裝置，結構更加複雜，系統中各單元之間的協調控制以及幾種工作模式之間的轉換，使得控制技術成為混合動力電動汽車的關鍵技術之一。
2.1 控制目標
對混合動力電動汽車進行控制的目的是為了獲得良好的性能，混合動力電動汽車的控制目標主要有四個：最好的燃油消耗；最小的廢物排放量；最小的系統工作成本；最好的駕駛操縱性能。
2.2 各組成單元的控制規則
混合動力電動汽車在起動、加速、減速、正常行駛及停車的過程中，處於不同的工作狀況，能量源根據車輛的工作狀況來決定自身的工作模式。內燃機的工作在起動、正常運行及關閉三種狀態之間轉換，當車速達到規定值時，內燃機起動，並迅速進入規定的運行區間內工作，此時根據車輛載荷對扭矩的要求，內燃機可單獨驅動車輪，可以向電池充電;對並聯式混合動力電動汽車，也可以和電機共同驅動車輪，當內燃機運行速度低於規定值時，關閉內燃機。電池的工作在充電、放電及關閉三種狀態之間轉換，當電池電量處於規定的範圍之內時，根據車輛載荷對扭矩的要求，電池可以向電機提供電能; 當電池電量低於規定範圍的下限值時，應該給電池充電; 當電池電量達到規定範圍的上限值時，應該停止充電。電機做電動機運行時，對並聯混合動力電動汽車，與發動機共同驅動車輪; 做發電機運行時，車輛處於減速制動或停車狀態，用於車輛制動能量的回收，並向電池充電。
2.3 串聯式混合動力電動汽車的分級控制技術
串聯式混合動力電動汽車使用純電力驅動，其能量源為內燃機/發電機組和電池組，由電機直接驅動，因此對串聯式混合動力電動汽車的控制主要是對內燃機/發電機組、電池組和電機的控制。圖1說明了串聯式混合動力汽車的分級控制結構圖。從圖中可以看出，串聯式混合動力汽車的控制流程為：從駕駛員指令到系統控制器，再到各組成單元控制器，包括內燃機控制器、電機控制器以及能量管理系統，最後到達各個組成單元，即內燃機/發電機組、電機和電池組，車輛的運行狀態也被反饋到系統控制器中。各組成單元在指令的作用下，協調工作，從而得到需要的車輛運行狀態。
圖1 串聯式混合動力汽車的分級控制結構圖
對內燃機/發電機組的控制是控制內燃機的節氣門開度以調節內燃機的空燃比，從而控制內燃機發出的功率，節氣門使用電子節氣門，可以精確調節節氣門的開度，節氣門的開度是一個區間值，可以用一個百分數來表示節氣門開度的大小。電池組由專門研製的能量管理系統控制，電池組的電量被控制在一個給定的範圍內，以確保電池組能夠正常地工作。對電機的控制就是控制電機在電動機和發電機兩種工作方式之間的轉換，它是通過判斷電機扭矩的正負來實現對電機的控制的。 車輛起動時，電機得到的是扭矩為正的指令，做電動機運行，能量管理系統傳送給電池組的是放電指令，向電動機提供電能，當車速達到指定的大小時，節氣門被打開，內燃機起動，並迅速進入到指定的範圍內工作，發電機向電動機發出電能，能量管理系統向電池組發出關閉指令，並停止向電機提供電能。 車輛正常行駛時，內燃機繼續在指定的區間內工作，電機繼續做電動機運行，此時，系統控制器可根據車輛的工作狀態以及電池組的狀態向內燃機控制器和能量管理系統發出充電指令，內燃機/發電機組發出的電能在電機和電池組之間分配。根據各個組成單元的控制規則以及不同工作模式時的控制流程可以看出，車輛運行過程中，除了電機處於連續工作狀態外，內燃機/發電機組和電池組都處於間斷性質的工作狀態，駕駛員指令和車輛狀態反饋指令經系統控制器處理後，被分別發送至不同的控制器，各控制器然後將指令發送到相應的控制單元，使它們按照要求的方式工作，實現預定的工作模式。指令流的路線和時間都是由駕駛員和車輛狀態決定的，是動態變化的。
2.4 並聯式混合動力電動汽車的分級控制技術
並聯式混合動力電動汽車有兩套驅動系統，它的結構和工作模式比串聯式混合動力電動汽車複雜多了，圖2說明了並聯式混合動力電動汽車的分級控制結構圖。從圖2中可以看出，並聯式混合動力電動汽車的控制主要也是對發動機、電動機以及蓄電池組的控制，與串聯式混合動力電動汽車相比具有相似的控制流程和層次結構，對各組成單元的控制策略與串聯式混合動力電動汽車相比也差不多，即內燃機的工作也是通過電子節氣門來控制的，並使它工作在規定的範圍之內，電池組也是由專門設計的能量管理系統來控制的，電池的電量被控制在設定的大小範圍內。圖2中還說明了並聯式混合動力電動汽車的控制策略以及各組成單元之間的協調控制很繁雜。按照並聯式混合動力電動汽車的工作模式，它的系統各個組成單元的協調控制規則分述如下：
圖2 並聯式混合動力汽車的分級控制結構圖
車輛起動時，系統控制器按照駕駛員意願向能量管理系統、電機控制器以及離合器控制器發出控制命令，能量管理系統向電池組發出放電命令，電池組放電並向電動機輸送電能，電機在電機控制器的命令作用下，產生了正的扭矩，做類似電動機的運行，而離合器則在離合器控制器命令的作用下處於分離狀態。當車速到一定時，發動機機在發動機控制器的作用下啟動，離合器在離合器控制器指令作用下接合，發動機工作迅速到達最優化區間工作，與此同時，電池組在能量管理系統的控制下停止放電，而電機也在電機控制器的作用下停止工作。 車輛正常行駛時，離合器保持嚙合狀態, 內燃機繼續在最優化區間內運行，此時系統控制器可根據車輛運行狀態向能量管理系統發出充電指令，電機控制器向電機發出負的扭矩指令，做發電機運行並向電池充電，電機成為內燃機的一個負載，內燃機發出的功率在電機和車輪之間分配。車輛加速行駛時，內燃機在最優化區間內處於滿負荷工作狀態，與此同時，電池組在能量管理系統的指令作用下放電，並向電動機提供電能，而電機則在控制器的作用下，做類似電動機的運行，產生正的扭矩，使車輛加速行駛。減速制動時，離合器分離，內燃機被關閉，電機在控制器的作用下，產生負的扭矩，做類似發電機的運行，並向蓄電池組充電，而蓄電池組則在能量管理系統的指令控制下，接受並給發電機的充電。通過對並聯式混合動力汽車的控制結構和不同工作模式下的指令流的分析可見，並聯式混合動力汽車的能量源之間具有較強的相互關聯性，應在系統級的水平上進行優化設計，以優化整個系統的控制性能，從而得到良好的車輛性能。
3 結束語
對串聯式和並聯式混合動力汽車的結構特點、工作模式以及控制技術的研究是研究結構更加複雜的混合動力汽車的基礎。（1）串聯式和並聯式混合動力電動汽車的能量源的控制策略和控制技術是類似的，即內燃機都應該在最優區間內工作，規定了一個最小的轉速，電池組的電量也應該在規定的範圍內，充電和放電都應該在這個範圍進行，電機都可以做電動機和發電機工作。（2）解決串聯式和並聯式混合動力電動汽車系統控制的行之有效的方法是分級控制技術，在研究每一個部分的控制的基礎上，通過系統集成便可得到系統控制器，從而實現對整個車輛的控制。
參考文獻
[1] GB/T19753-2005.輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法.
[2] GB/T19754-2005.重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法.
[3] GB/T19755-2005.輕型混合動力電動汽車污染物排放測量方法.
[4] Antoni Szumanowski原著.混合電動車輛基礎.陳清泉,孫逢春,編譯.北京理工大學出版社,2001.
[5] 陳小復.PNGV及其概念車.世界汽車,2000(8).
[6] 陳清泉.電動車的現狀和趨勢.機械製造與自動化,2003.2.
關鍵詞 混合動力汽車 驅動控制系統 能量控制系統 控制模式 分級控制技術
中圖分類號：U463 文獻標識碼：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
在環境問題和能源危機日益嚴重的今天，混合動力汽車成為了世界上新一代清潔汽車的研究重點，所謂混合動力，靠的是傳統的汽油引擎加上電動機輸出動力作配合，利用引擎在工作時對蓄電池的充電，將電動機和引擎產生的動力不斷切換和轉化，達到雙動能推動。這樣的配合以電動機驅動為主，引擎驅動為輔，達到預期為減少耗油和廢氣排放的環保效益。
混合動力汽車安裝有輔助發動機工作的電動馬達，在汽車起步、加速時候能夠提供強大的動力，同事減少的燃油發動機的負荷，減少了發動機的燃油消耗。因此，駕駛者可以得到更高的輸出動力。同時，還能實現較高的燃油經濟性。
總之，混合動力汽車介於傳統汽車和純電動汽車、燃料電池汽車之間，是一種承前啟後的，在經濟和技術方面都趨於成熟的電動汽車產品。
1 混合動力總成控制
混合動力汽車就是在純電動汽車上加裝一套內燃機，其目的是減少汽車的污染，提高純電動汽車的行駛里程。混合動力汽車有串聯式和並聯式兩種結構形式。
混合動力汽車能夠按照駕駛者的意願在單元控制器的作用下，各個工作模式之間互相轉換，互相協調。
1.1 串聯式混合動力電動汽車的工作模式
（1）在車輛起步、正常行駛或加速過程中，發動機通過發電機和(或)蓄電池兩者一起輸出動力並傳遞給功率轉換器，驅動電動機，再通過傳動系驅動車輪。（2）在小負荷時，發動機的輸出功率大於驅動車輪所需要的功率，因此產生的多餘的能量可以用來向蓄電池充電，直到電池的容量足夠。（3）在制動或減速的過程中，電動機起發電機的作用，將車輛的動能轉化成電能，並通過功率轉換器向電池充電。（4）車輛停車時，發動機也可以通過發電機和功率轉換器給電池充電。
1.2 並聯式混合動力電動汽車的工作模式
（1）在車輛起動或大負荷的情況中， 發動機和電動機兩者同時工作，所需功率按比例分配並驅動汽車。（2）在中等負荷情況下，車輛單獨由發動機提供所需的功率，而電動機不工作。（3）在制動減速的過程中，電動機起發電機的作用，並通過功率轉換器向電池充電。（4）車輛小負荷情況下時，發動機向電動機提供一部分功率，通過功率轉換器向電池充電。
2 混合動力汽車的分級控制技術
與傳統汽車相比，混合動力電動汽車的驅動系統中增加了能量源和電機等裝置，結構更加複雜，系統中各單元之間的協調控制以及幾種工作模式之間的轉換，使得控制技術成為混合動力電動汽車的關鍵技術之一。
2.1 控制目標
對混合動力電動汽車進行控制的目的是為了獲得良好的性能，混合動力電動汽車的控制目標主要有四個：最好的燃油消耗；最小的廢物排放量；最小的系統工作成本；最好的駕駛操縱性能。
2.2 各組成單元的控制規則
混合動力電動汽車在起動、加速、減速、正常行駛及停車的過程中，處於不同的工作狀況，能量源根據車輛的工作狀況來決定自身的工作模式。內燃機的工作在起動、正常運行及關閉三種狀態之間轉換，當車速達到規定值時，內燃機起動，並迅速進入規定的運行區間內工作，此時根據車輛載荷對扭矩的要求，內燃機可單獨驅動車輪，可以向電池充電;對並聯式混合動力電動汽車，也可以和電機共同驅動車輪，當內燃機運行速度低於規定值時，關閉內燃機。電池的工作在充電、放電及關閉三種狀態之間轉換，當電池電量處於規定的範圍之內時，根據車輛載荷對扭矩的要求，電池可以向電機提供電能; 當電池電量低於規定範圍的下限值時，應該給電池充電; 當電池電量達到規定範圍的上限值時，應該停止充電。電機做電動機運行時，對並聯混合動力電動汽車，與發動機共同驅動車輪; 做發電機運行時，車輛處於減速制動或停車狀態，用於車輛制動能量的回收，並向電池充電。
2.3 串聯式混合動力電動汽車的分級控制技術
串聯式混合動力電動汽車使用純電力驅動，其能量源為內燃機/發電機組和電池組，由電機直接驅動，因此對串聯式混合動力電動汽車的控制主要是對內燃機/發電機組、電池組和電機的控制。圖1說明了串聯式混合動力汽車的分級控制結構圖。從圖中可以看出，串聯式混合動力汽車的控制流程為：從駕駛員指令到系統控制器，再到各組成單元控制器，包括內燃機控制器、電機控制器以及能量管理系統，最後到達各個組成單元，即內燃機/發電機組、電機和電池組，車輛的運行狀態也被反饋到系統控制器中。各組成單元在指令的作用下，協調工作，從而得到需要的車輛運行狀態。
圖1 串聯式混合動力汽車的分級控制結構圖
對內燃機/發電機組的控制是控制內燃機的節氣門開度以調節內燃機的空燃比，從而控制內燃機發出的功率，節氣門使用電子節氣門，可以精確調節節氣門的開度，節氣門的開度是一個區間值，可以用一個百分數來表示節氣門開度的大小。電池組由專門研製的能量管理系統控制，電池組的電量被控制在一個給定的範圍內，以確保電池組能夠正常地工作。對電機的控制就是控制電機在電動機和發電機兩種工作方式之間的轉換，它是通過判斷電機扭矩的正負來實現對電機的控制的。 車輛起動時，電機得到的是扭矩為正的指令，做電動機運行，能量管理系統傳送給電池組的是放電指令，向電動機提供電能，當車速達到指定的大小時，節氣門被打開，內燃機起動，並迅速進入到指定的範圍內工作，發電機向電動機發出電能，能量管理系統向電池組發出關閉指令，並停止向電機提供電能。 車輛正常行駛時，內燃機繼續在指定的區間內工作，電機繼續做電動機運行，此時，系統控制器可根據車輛的工作狀態以及電池組的狀態向內燃機控制器和能量管理系統發出充電指令，內燃機/發電機組發出的電能在電機和電池組之間分配。根據各個組成單元的控制規則以及不同工作模式時的控制流程可以看出，車輛運行過程中，除了電機處於連續工作狀態外，內燃機/發電機組和電池組都處於間斷性質的工作狀態，駕駛員指令和車輛狀態反饋指令經系統控制器處理後，被分別發送至不同的控制器，各控制器然後將指令發送到相應的控制單元，使它們按照要求的方式工作，實現預定的工作模式。指令流的路線和時間都是由駕駛員和車輛狀態決定的，是動態變化的。
2.4 並聯式混合動力電動汽車的分級控制技術
並聯式混合動力電動汽車有兩套驅動系統，它的結構和工作模式比串聯式混合動力電動汽車複雜多了，圖2說明了並聯式混合動力電動汽車的分級控制結構圖。從圖2中可以看出，並聯式混合動力電動汽車的控制主要也是對發動機、電動機以及蓄電池組的控制，與串聯式混合動力電動汽車相比具有相似的控制流程和層次結構，對各組成單元的控制策略與串聯式混合動力電動汽車相比也差不多，即內燃機的工作也是通過電子節氣門來控制的，並使它工作在規定的範圍之內，電池組也是由專門設計的能量管理系統來控制的，電池的電量被控制在設定的大小範圍內。圖2中還說明了並聯式混合動力電動汽車的控制策略以及各組成單元之間的協調控制很繁雜。按照並聯式混合動力電動汽車的工作模式，它的系統各個組成單元的協調控制規則分述如下：
圖2 並聯式混合動力汽車的分級控制結構圖
車輛起動時，系統控制器按照駕駛員意願向能量管理系統、電機控制器以及離合器控制器發出控制命令，能量管理系統向電池組發出放電命令，電池組放電並向電動機輸送電能，電機在電機控制器的命令作用下，產生了正的扭矩，做類似電動機的運行，而離合器則在離合器控制器命令的作用下處於分離狀態。當車速到一定時，發動機機在發動機控制器的作用下啟動，離合器在離合器控制器指令作用下接合，發動機工作迅速到達最優化區間工作，與此同時，電池組在能量管理系統的控制下停止放電，而電機也在電機控制器的作用下停止工作。 車輛正常行駛時，離合器保持嚙合狀態, 內燃機繼續在最優化區間內運行，此時系統控制器可根據車輛運行狀態向能量管理系統發出充電指令，電機控制器向電機發出負的扭矩指令，做發電機運行並向電池充電，電機成為內燃機的一個負載，內燃機發出的功率在電機和車輪之間分配。車輛加速行駛時，內燃機在最優化區間內處於滿負荷工作狀態，與此同時，電池組在能量管理系統的指令作用下放電，並向電動機提供電能，而電機則在控制器的作用下，做類似電動機的運行，產生正的扭矩，使車輛加速行駛。減速制動時，離合器分離，內燃機被關閉，電機在控制器的作用下，產生負的扭矩，做類似發電機的運行，並向蓄電池組充電，而蓄電池組則在能量管理系統的指令控制下，接受並給發電機的充電。通過對並聯式混合動力汽車的控制結構和不同工作模式下的指令流的分析可見，並聯式混合動力汽車的能量源之間具有較強的相互關聯性，應在系統級的水平上進行優化設計，以優化整個系統的控制性能，從而得到良好的車輛性能。
3 結束語
對串聯式和並聯式混合動力汽車的結構特點、工作模式以及控制技術的研究是研究結構更加複雜的混合動力汽車的基礎。（1）串聯式和並聯式混合動力電動汽車的能量源的控制策略和控制技術是類似的，即內燃機都應該在最優區間內工作，規定了一個最小的轉速，電池組的電量也應該在規定的範圍內，充電和放電都應該在這個範圍進行，電機都可以做電動機和發電機工作。（2）解決串聯式和並聯式混合動力電動汽車系統控制的行之有效的方法是分級控制技術，在研究每一個部分的控制的基礎上，通過系統集成便可得到系統控制器，從而實現對整個車輛的控制。
參考文獻
[1] GB/T19753-2005.輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法.
[2] GB/T19754-2005.重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法.
[3] GB/T19755-2005.輕型混合動力電動汽車污染物排放測量方法.
[4] Antoni Szumanowski原著.混合電動車輛基礎.陳清泉,孫逢春,編譯.北京理工大學出版社,2001.
[5] 陳小復.PNGV及其概念車.世界汽車,2000(8).
[6] 陳清泉.電動車的現狀和趨勢.機械製造與自動化,2003.2.
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