周 泉

受解決全球環(huán)境問(wèn)題的措施及石油價(jià)格飛漲的影響，用戶(hù)對(duì)油耗及影響環(huán)境等因素的關(guān)心程度正在進(jìn)一步加強(qiáng)。各國(guó)政府都在逐年加嚴(yán)排放法規(guī)，不斷地要求汽車(chē)廠家降低燃油的消耗量，減少CO2的排放。美國(guó)加利福尼亞州空氣管理署 （CARB）規(guī)定:從2012年起，各汽車(chē)廠家有義務(wù)實(shí)現(xiàn)所銷(xiāo)售的汽車(chē)達(dá)到零排放車(chē)款法案的要求。很多汽車(chē)廠家接受了這一法案，并在2009年發(fā)布了關(guān)于生產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)的公告以及上市時(shí)間表。日本從2009年起就已經(jīng)執(zhí)行了新能源車(chē)的減稅政策。由此可見(jiàn)，混合動(dòng)力車(chē) （Hybrid Vehicle，以下簡(jiǎn)稱(chēng)HV）正在吸引人們的眼球，其銷(xiāo)售數(shù)量也在急劇增長(zhǎng)。

雖然電動(dòng)汽車(chē) （Electric Vehicle，以下簡(jiǎn)稱(chēng)EV）在環(huán)境性能方面非常優(yōu)秀，但是其電池的儲(chǔ)備容量、成本還有許多難題需要解決；就現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，在續(xù)航距離與價(jià)格方面還無(wú)法與汽油車(chē)相媲美。因此，在短距離上可以代替EV使用的混合動(dòng)力車(chē)HV中的一種——插電式混合動(dòng)力車(chē) （Plug-in Hybrid Vehicle，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PHV）正在引起人們的重視。2010年6月1日，中國(guó)政府的財(cái)政部、科技部、工信部、國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合出臺(tái)了 《關(guān)于開(kāi)展私人購(gòu)買(mǎi)新能源汽車(chē)補(bǔ)貼試點(diǎn)的通知》（以下簡(jiǎn)稱(chēng) 《通知》）?！锻ㄖ分忻鞔_提到，純電動(dòng)乘用車(chē)每輛最高補(bǔ)貼6萬(wàn)元，插電式混合動(dòng)力乘用車(chē)每輛最高補(bǔ)貼5萬(wàn)元。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 混合動(dòng)力車(chē)HV系統(tǒng)構(gòu)成

在說(shuō)明PHV之前，首先介紹作為基型車(chē)輛的普銳斯HV的系統(tǒng)構(gòu)成。一般說(shuō)來(lái)，所謂HV是指具有2種以上的動(dòng)力，根據(jù)所處的狀況利用一種或者兩種以上的動(dòng)力源行駛的車(chē)輛。普銳斯HV采用汽油與電力2種動(dòng)力源，由發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)供給踏板所要求的驅(qū)動(dòng)力。

眾所周知，HV的特點(diǎn)是優(yōu)秀的靜音性與低油耗；在功能上，具有代表性的特性是4點(diǎn):①怠速停機(jī)；②加速時(shí)的電動(dòng)機(jī)助力；③只靠電動(dòng)機(jī)行車(chē)的EV行駛；④實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)回收電能的再生制動(dòng)器。

與汽油車(chē)相比，為了實(shí)現(xiàn)上述功能，HV上增加了以下4個(gè)系統(tǒng):①包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力分配器的變速驅(qū)動(dòng)橋；②功率控制單元 （Power Control Unit，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PCU）；③高壓蓄電池；④控制混合系統(tǒng)的計(jì)算機(jī) （混合控制ECU:HV-ECU）。普銳斯HV系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

在HV上，由于將發(fā)電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)使用，使 “怠速停機(jī)”得以實(shí)現(xiàn)。高壓蓄電池的作用是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，實(shí)施 “加速時(shí)的助力”與 “EV行駛”。進(jìn)而利用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)將動(dòng)能變換為電能的 “再生制動(dòng)”以及利用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓蓄電池的充電。上面說(shuō)到的電都是由功率控制單元PCU來(lái)進(jìn)行調(diào)整的，動(dòng)力的分配是由動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)完成的。HV-ECU則基于各種輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的整體控制。

1.2 插電式混合動(dòng)力車(chē)PHV系統(tǒng)構(gòu)成

普銳斯PHV的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。在HV上，對(duì)高壓蓄電池的充電是在行駛過(guò)程中以及怠速過(guò)程中等行車(chē)過(guò)程中進(jìn)行的。但PHV是一種在駐車(chē)時(shí)還可以用外部電源充電的HV。作為外部電源的充電，可以使用家用電源插座，這樣，利用車(chē)輛上的充電器就可以對(duì)高壓蓄電池進(jìn)行充電。

PHV的特點(diǎn)是其具有EV與HV兩者的功能，對(duì)短距離，利用PHV已充的電力代替EV，可以減少CO2的排放以及降低燃油的成本；對(duì)于長(zhǎng)途及高速行駛，則以本來(lái)的HV使用。由此，在沒(méi)有建立充電站的地方也可以使用這種車(chē)輛。

與普銳斯HV相比，普銳斯PHV有5個(gè)特點(diǎn):①在左擋泥板的后方增設(shè)了可接入充電電纜的充電插口；②在右前座的下方，增設(shè)了將家用交流電變換為直流電、對(duì)高壓蓄電池進(jìn)行充電的逆變器；③高壓蓄電池由鎳氫蓄電池改為鋰離子蓄電池，并且加大了蓄電池的容量；④伴隨著增加了充電功能，將控制混合動(dòng)力系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)改為插電式混合控制ECU（PHV-ECU）；⑤更改儀表的顯示、追加充電指示燈以及追加對(duì)用戶(hù)的通知功能。

通過(guò)這些系統(tǒng)的更改，與基型普銳斯HV相比，普銳斯PHV靠電動(dòng)機(jī)行駛的EV使行駛距離有了大幅度提高，達(dá)到了23.4km。

一般人可能認(rèn)為，要提高靠電動(dòng)機(jī)行駛的EV行駛距離的話(huà)，只要在老式的EV上裝設(shè)充電器、加大蓄電池容量就可以實(shí)現(xiàn)PHV了，但實(shí)際上，還必須與新的控制原理及標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。因此，與老式的HV-ECU相比，控制整個(gè)系統(tǒng)的PHV-ECU要做大量的更改。

2 ECU構(gòu)成

豐田汽車(chē)公司在2009年12月開(kāi)始限定銷(xiāo)售以普銳斯為基礎(chǔ)生產(chǎn)的PHV。在這種汽車(chē)上，設(shè)置了混合控制與外部電源充電控制的ECU，即插電式混合動(dòng)力車(chē)的控制ECU，簡(jiǎn)稱(chēng)為PHV-ECU，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 與老式ECU構(gòu)成的不同點(diǎn)

如前所述，插電式混合控制ECU（PHV-ECU）是在老式的混合控制ECU（HV-ECU）上追加了插電式充電功能。由此，控制軟件容量大幅度增加，老式結(jié)構(gòu)的2個(gè)CPU已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，代之以3個(gè)CPU。

2.2 運(yùn)用老式ECU的設(shè)計(jì)成果

從2007年開(kāi)始，廠家就在探討PHV-ECU的研發(fā)，當(dāng)時(shí)的計(jì)劃是大約用3年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，對(duì)此，必須采用短期開(kāi)發(fā)的策略才能得以實(shí)現(xiàn)。由于新的系統(tǒng)要求比較高，以 “破舊立新”（scrap and build）的做法進(jìn)行開(kāi)發(fā)的可能性還是比較大的。因此，首先應(yīng)用老式ECU（HV-ECU）的設(shè)計(jì)對(duì)PHVECU的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，希望可以實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)。開(kāi)始只對(duì)追加功能的部分開(kāi)發(fā)新的ECU（插電式ECU），與老式的ECU分別采用不同的底板，再用數(shù)據(jù)線連接起來(lái)，認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)效果可能最佳。但是后來(lái)才發(fā)現(xiàn)，由于通信的數(shù)據(jù)量、所要求的速度等問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)的HV-ECU與插電式ECU之間的通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此，將追加功能這一部分添加到老式的HV-ECU處，集中到一塊底板上，如圖4所示。這樣做的目的是提高通信速度，同時(shí)可以利用HV-ECU的電路結(jié)構(gòu)、底板結(jié)構(gòu)，利用原來(lái)的設(shè)計(jì)資料與認(rèn)證資料。通過(guò)采用主、副CPU與插電式CPU布置在同一塊底板上，使得對(duì)控制規(guī)格、失效保護(hù)功能等老式ECU思路的更改控制到最小程度。

2.3 ECU的起動(dòng)與終了時(shí)的處理

在老型號(hào)產(chǎn)品上，是利用按鈕起動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)接通系統(tǒng)電源的。但在PHV-ECU上，除了用按鈕起動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)接通系統(tǒng)電源之外，還需要在用戶(hù)插入充電電纜、接通系統(tǒng)電源時(shí)進(jìn)行充電控制。因此，在老式的按鈕起動(dòng)開(kāi)關(guān)的起動(dòng)電路中，追加了充電電纜是否插入的檢測(cè)電路，即追加了電纜插入檢測(cè)與系統(tǒng)電源接通功能，如圖5所示。

在充電終了時(shí)，斷開(kāi)系統(tǒng)的電源，又處于起動(dòng)待機(jī)狀態(tài)。

3 充電控制

3.1 充電電纜

在普銳斯PHV利用家用電源充電的場(chǎng)合下，就要使用專(zhuān)用的充電電纜，如圖6所示。

普銳斯PHV的充電電纜及車(chē)輛一側(cè)接口的技術(shù)條件是按照美國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE1772:“電動(dòng)車(chē)輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)”（SAE Electric Vehicle Conductive Charge Coupler）。充電電纜一側(cè)的接口裝在一個(gè)四方盒子內(nèi) （簡(jiǎn)稱(chēng)CCID盒），其具有的功能是 “與車(chē)輛的連接狀態(tài)的檢測(cè)”、“有否漏電的檢測(cè)”以及“異常時(shí)斷開(kāi)車(chē)輛與家庭之間的電源”。充電電纜與車(chē)輛的連接如圖7所示。車(chē)輛側(cè)的充電罩的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2 充電步驟

按SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的充電步驟如下所述。

1）檢測(cè)車(chē)輛的連接 充電電纜內(nèi)的控制單元通過(guò)監(jiān)測(cè)控制導(dǎo)引 （Control Pilot）電路信號(hào)電壓的變化 （U1→U2），檢測(cè)出電纜已與車(chē)輛連接。

2）通知電流的額定值 充電電纜內(nèi)的控制單元以發(fā)出控制導(dǎo)引 （Control Pilot）信號(hào) （方波）的占空比的形式向PHV-ECU通知電源設(shè)備 （家用電源與電纜）的額定電流。如圖9所示。

3）通知車(chē)輛側(cè)充電準(zhǔn)備工作完成 利用導(dǎo)引（Control Pilot） 信號(hào)的電壓變化（U2→U3）， PHVECU對(duì)充電電纜內(nèi)的控制單元發(fā)出通知:充電準(zhǔn)備工作已完成。如圖10所示。

在標(biāo)準(zhǔn)中，還規(guī)定了可以通過(guò)增大電壓變化量的方法通知設(shè)備一側(cè)換氣的必要性，但普銳斯PHV沒(méi)有換氣的必要，所以，沒(méi)有采用這一條的規(guī)定。

4）電纜內(nèi)觸點(diǎn)的閉合 充電電纜內(nèi)的控制單元檢測(cè)出充電準(zhǔn)備工作已完成的通知后，則使向車(chē)輛送電的觸頭閉合。此外，當(dāng)檢測(cè)出漏電或與設(shè)備的搭鐵等狀況有異常時(shí)，充電電纜內(nèi)的控制單元可以斷開(kāi)觸頭。

普銳斯PHV在充電過(guò)程中，副駕駛座位前儀表板上的指示燈亮起，由此可以知道:目前正在由車(chē)外進(jìn)行充電，如圖11所示。

3.3 PHV-ECU的工作原理

普銳斯PHV上設(shè)置的PHV-ECU的要件有下列各項(xiàng):①家用電源停電時(shí)，PHV-ECU應(yīng)處于待機(jī)狀態(tài)；②充電完成之后，PHV-ECU應(yīng)處于待機(jī)狀態(tài)。

為了滿(mǎn)足上述要件的要求，決定了PHV-ECU的起動(dòng)要取決于導(dǎo)引信號(hào)。導(dǎo)引信號(hào)處于高電平時(shí)，微機(jī)被喚醒 （Wakeup），閉合車(chē)輛一側(cè)的系統(tǒng)電源。對(duì)普銳斯PHV的導(dǎo)引信號(hào)動(dòng)作進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)，如圖12所示。

從圖12可以看出，如果不是精心設(shè)計(jì)的話(huà)，在與車(chē)輛連接的時(shí)刻，導(dǎo)引信號(hào)電壓變?yōu)閁2，充電電纜內(nèi)的控制單元就會(huì)按占空比發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但在普銳斯PHV上，由于設(shè)計(jì)者精心設(shè)計(jì)，增加了電路，在與車(chē)輛連接的時(shí)刻，電壓變?yōu)閁1。再通過(guò)PHV-ECU內(nèi)的微機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，向U2轉(zhuǎn)換。通過(guò)這樣的更改，在起動(dòng)時(shí)，PHV-ECU檢測(cè)到導(dǎo)引電壓從0V變到U1，就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的起動(dòng)。

在深夜的等待供電或停電待機(jī)的場(chǎng)合下，家用電源無(wú)法向充電電纜供電，這時(shí)導(dǎo)引信號(hào)變?yōu)? V；在非深夜以及恢復(fù)供電時(shí)，電源向充電電纜供電、導(dǎo)引信號(hào)電壓變?yōu)閁1。PHV-ECU正是通過(guò)如此的變化，導(dǎo)引信號(hào)在0V時(shí)為待機(jī)，電壓變?yōu)閁1才開(kāi)始起動(dòng)并進(jìn)行充電控制。在充電終了之后，PHV-ECU使導(dǎo)引信號(hào)電壓回到U1，充電電纜內(nèi)的控制單元檢測(cè)到電壓為U1時(shí)，則停止占空比驅(qū)動(dòng)。由此，在充電結(jié)束后，還可以保持穩(wěn)定的待機(jī)狀態(tài)。插電式混合動(dòng)力車(chē)充電控制的流程如圖13所示。

3.4 車(chē)輛狀態(tài)的儀表顯示

在設(shè)計(jì)儀表顯示方案時(shí)，設(shè)想用戶(hù)駕駛車(chē)輛（操縱按鈕起動(dòng)開(kāi)關(guān)、充電電纜插入等）的所有場(chǎng)合之后，利用PHV-ECU實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)回避控制、報(bào)警顯示，如圖14所示。

舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)，為了防止在充電電纜插入的場(chǎng)合下起動(dòng)車(chē)輛，造成充電設(shè)備損壞等，所以實(shí)施防止拖拽控制。具體地說(shuō)，當(dāng)充電電纜處在連接的狀態(tài)下，若用戶(hù)還是按下按鈕起動(dòng)開(kāi)關(guān)，這時(shí)則禁止過(guò)渡到可能行駛的狀態(tài) （READY-ON狀態(tài)），并在儀表上顯示出通知用戶(hù)的信息:應(yīng)拔掉充電電纜。

4 結(jié)語(yǔ)

從車(chē)輛的使用情況來(lái)看，在今后開(kāi)發(fā)PHV-ECU時(shí)，應(yīng)注意2個(gè)方面的問(wèn)題。

1）上面所介紹的產(chǎn)品，只是適用于利用家用電源的充電。而在日本充電的話(huà)，大約需要3小時(shí)。為了縮短充電時(shí)間，以及適應(yīng)今后進(jìn)一步增多的EV車(chē)的需要，需要增設(shè)充電站。充電站應(yīng)實(shí)現(xiàn)高輸出、快速充電，且與家用電源采用不同的控制方式，更加方便用戶(hù)。

2）為了降低油耗，必須使ECU實(shí)現(xiàn)小型、輕量。

［1］GB／T19596—2004， 電動(dòng)汽車(chē)術(shù)語(yǔ)［S］.

［2］美國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE1772，電動(dòng)車(chē)輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)［S］.

［3］Ryuichi KAMAGA， 等.Development of Plug-in Hybrid Control ECU［J］.FUJITSU TEN Technical Journal， 2010，28 （1）: 14-20.