嚴(yán) 軍，岳偉甲

（解放軍陸軍軍官學(xué)院，安徽 合肥 230031）

0 引 言

混合動(dòng)力裝置就是將電動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力單元組合在一輛汽車上做驅(qū)動(dòng)力，輔助動(dòng)力單元實(shí)際上是一臺(tái)小型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力發(fā)電機(jī)組。簡單地說，就是將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)盡量做小，讓一部分動(dòng)力由電池-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)[1]。這種混合動(dòng)力裝置既發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長、動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮電動(dòng)機(jī)無污染、低噪聲的好處，取長補(bǔ)短，汽車的熱效率可提高10%以上，廢氣排放可改善30%以上?；旌蟿?dòng)力源電動(dòng)車按照能量合成的形式主要分為串聯(lián)式(SHEV）和并聯(lián)式（PHEV）兩種。從現(xiàn)有的條件來看，并聯(lián)（PHEV）式混合動(dòng)力汽車，因更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，得到比較廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。車輛需求轉(zhuǎn)矩T為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩T1和電動(dòng)機(jī)輸出扭矩T2之和。T1和T2為相互獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng),控制系統(tǒng)的主要問題就是在一定目標(biāo)前提下,合理分配兩個(gè)轉(zhuǎn)矩。

1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)以機(jī)械能疊加的方式驅(qū)動(dòng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車傳動(dòng)系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)[2]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。汽油機(jī)是前輪的驅(qū)動(dòng)源，而電動(dòng)機(jī)是后輪的驅(qū)動(dòng)源。車內(nèi)的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不斷變化著的交通條件所需的動(dòng)力情況，隨時(shí)作出反應(yīng)，不需駕車人預(yù)先指令，即自動(dòng)地選擇最為理想的驅(qū)動(dòng)模式：或是由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行后輪驅(qū)動(dòng)，或是由汽油機(jī)進(jìn)行前輪驅(qū)動(dòng)，或是內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)[3]。

2 并聯(lián)混合動(dòng)力車汽車控制系統(tǒng)特性

當(dāng)從靜止?fàn)顟B(tài)起步時(shí)，車上的控制系統(tǒng)會(huì)首先選擇電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式[4]，這是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)在汽車起步后的第一個(gè)1 km期間內(nèi)，所用燃料的80%都被作為廢氣排掉了，既浪費(fèi)燃料又污染環(huán)境。當(dāng)車速到每小時(shí)40 km時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)在工作時(shí)也對(duì)電池組進(jìn)行充電。如果駕駛員突然實(shí)施緊急加速，控制系統(tǒng)則會(huì)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)來協(xié)助內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。而當(dāng)?shù)退傩旭倳r(shí)，或者控制系統(tǒng)判定電池組的能量不足時(shí)，也會(huì)啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)工作。當(dāng)汽車減速時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)內(nèi)燃機(jī)起到制動(dòng)作用，判定利用其制動(dòng)能量對(duì)電池組充電?？刂葡到y(tǒng)的控制模型，如圖3所示。

該模型采用模糊邏輯控制系統(tǒng)，系統(tǒng)有兩個(gè)輸入,分別是行駛狀態(tài)和電池監(jiān)測。其中行駛狀態(tài)又根據(jù)轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩Trq來調(diào)整，采用分段處理:當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩Trq≤Topt最優(yōu)轉(zhuǎn)矩時(shí),用 5×Trq/Topt函數(shù);當(dāng)Trq＆gt;Topt時(shí),用 5+5×(Trq-Topt)/(Tmax-Topt)函數(shù),這樣使得控制更為靈活、準(zhǔn)確。發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩Topt是從靜態(tài)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線和排放曲線出發(fā),將一定轉(zhuǎn)速條件下兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)最大效率和最優(yōu)排放點(diǎn)通過插值連接而成的曲線,即以比效率最高、排放最小為目標(biāo)函數(shù)。

3 電機(jī)選擇及其控制系統(tǒng)

3.1 電機(jī)選擇

在選擇電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問題有成本、可靠性、效率、維護(hù)、耐用性、重量、尺寸以及噪聲等。四種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的比較，如表1所示。電動(dòng)機(jī)選擇開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行速度范圍寬等特點(diǎn)。選用四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，采用SRM轉(zhuǎn)矩矢量控制。各相的通電順序?yàn)椋赫D(zhuǎn)時(shí)為A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A；反轉(zhuǎn)時(shí)為A—DA—D—CD—C—BC—B—AB—A。

表1 不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.2 電機(jī)控制系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖4 驅(qū)動(dòng)電路硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)矢量控制策略,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)以AT89S52為主控制器,主要由AT89S52及其外圍接口電路、電源、DC-DC模塊、功率變換器及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等組成。其中AT89S52外圍接口電路主要包括鍵盤輸入和液晶顯示電路、SCI接口電路、JTAG仿真器接口電路,片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器和AD轉(zhuǎn)換電路。功率驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)輸出采用低電平有效,經(jīng)過光電隔離反相變?yōu)楦唠娖接行?。功率開關(guān)器件采用PWM電壓斬波控制,每一相的開通角和關(guān)斷角由繞組電流、轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)確定[5]。其中A相和C相繞組共用一個(gè)電流傳感器，B相和D相共用一個(gè)電流傳感器。這兩路傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過放大濾波后接到ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入單片機(jī)CIN、ADCIN作為電流環(huán)的反饋信號(hào)。

3.2.2 系統(tǒng)主要軟件程序

T1周期中斷子程序是本控制系統(tǒng)的核心部分,此子程序包括ADC輸入子程序、電流PWM調(diào)節(jié)子程序、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)子程序、轉(zhuǎn)速輸入和轉(zhuǎn)向輸入子程序。圖5為T1周期中斷子程序流程圖。其中一個(gè)T1周期為40,并且每到100個(gè)T1進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整一次,轉(zhuǎn)速采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)。

圖5 T1周期中斷程序

4 結(jié)束語

并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)接近，便于在現(xiàn)有的汽車基礎(chǔ)上發(fā)展，但沒有從根本上解決環(huán)境污染和能源結(jié)構(gòu)，在電動(dòng)汽車時(shí)代到來之前，混合動(dòng)力型汽車只是一種過渡產(chǎn)品。通過研究發(fā)展混合動(dòng)力車逐步建立相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈為純電動(dòng)力車時(shí)代的到來打下技術(shù)和資金的基礎(chǔ)。但當(dāng)前主要還有以下問題制約著電動(dòng)汽車的發(fā)展。

1）電池：目前已在電動(dòng)汽車上使用的蓄電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋅空電池、鋰離子電池和聚合物鋰電池等。電動(dòng)汽車的性能問題都與電池技術(shù)發(fā)展有關(guān)(如汽車的續(xù)駛里程短的問題)。一方面，當(dāng)前開發(fā)的蓄電池單位重量儲(chǔ)存的能量不能完全滿足汽車的功能指標(biāo)的要求；另一方面，電動(dòng)車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模，故購買價(jià)格較高，使電動(dòng)汽車的成本比傳統(tǒng)汽車高。

2）電動(dòng)機(jī)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)由直流電機(jī)，發(fā)展到交流異步電機(jī)和無刷永磁電機(jī)，再到開關(guān)磁阻電機(jī)。與原有的直流牽引電機(jī)系統(tǒng)相比，具有明顯優(yōu)勢，其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕（其比質(zhì)量為0.5～1.0 kg/kW）、效率高、基本免維護(hù)、調(diào)速范圍廣；同時(shí)打破了傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)理論和正弦波電壓源供電方式。但是，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，噪聲大；此外，相對(duì)永磁電機(jī)而言，功率密度和效率偏低，因此，需要在電池和電動(dòng)機(jī)方向加強(qiáng)研究，促進(jìn)混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用和發(fā)展。

[1] 李爭，趙濤，姜衛(wèi)東，等.并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車模糊控制策略的仿真研究[J].公路交通科技,2005，22(2)：28-31.

[2] 蔡際令，金若君.基于DSP控制的開關(guān)磁阻電機(jī)可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2006(2):1019-1026.

[3] 歐陽明高.我國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略與對(duì)策[J].汽車工程,2006,28(4):317-321.

[4] 程夕明.輔助動(dòng)力單元(APU)技術(shù)系統(tǒng)研究[D].北京:清華大學(xué),2004:5-6.

[5] 季小尹,符向榮,王安麗.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微特電機(jī),2004(2):5-7.