謝忠志

摘 要：混合動(dòng)力汽車作為解決汽車節(jié)能、降低排放的措施，已廣泛受到關(guān)注。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車中一個(gè)重要的部分也作為重要的研究對(duì)象。該文以混合動(dòng)力汽車中的動(dòng)力系統(tǒng)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象。對(duì)各種可適用于混合動(dòng)力汽車的牽引電機(jī)特性進(jìn)行了比較，選擇了永磁同步電機(jī)作為混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。然后在Matlab/Simulink下建立應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果做分析研究。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 永磁同步電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 仿真

中圖分類號(hào)：T34M8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

電動(dòng)汽車是電動(dòng)車輛的一種，是指由車載電源提供全部或部分動(dòng)力。主要包括純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車是以內(nèi)燃機(jī)為主、蓄電池為輔的汽車。由于性價(jià)比不高，混合動(dòng)力型汽車不會(huì)作為主流產(chǎn)品。

1 混合動(dòng)力汽車的發(fā)展

1.1 世界混合動(dòng)力汽車的總體發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)奔馳、日本豐田、美國(guó)通用等具備強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)的汽車企業(yè)，對(duì)于全球汽車業(yè)最大課題——能源與環(huán)境的對(duì)策在近年來殊途同歸：近期，努力完善混合動(dòng)力車；長(zhǎng)遠(yuǎn)邁出氫動(dòng)力燃料電池車從概念車向商品化的步伐。

目前全球汽車用的鎳氫電池主要是日本松下、三洋公司壟斷。

1.2 我國(guó)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

2012年7月18日，由蓋世汽車研究院主辦的主題為“中國(guó)將迎來混合動(dòng)力爆發(fā)期？”的圓桌論壇活動(dòng)在北京舉行。在《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2012—2020）》出臺(tái)后，關(guān)于汽車新能源和混合動(dòng)力節(jié)能汽車的討論激烈開展。

國(guó)內(nèi)公司長(zhǎng)沙科霸的電池正極負(fù)極片已完全通過豐田嚴(yán)苛驗(yàn)證，正式進(jìn)入豐田采購(gòu)階段。公司已進(jìn)入了豐田的供應(yīng)鏈，未來將分享豐田汽車混動(dòng)的全球銷量的增長(zhǎng)。

2 混合動(dòng)力汽車分類及結(jié)構(gòu)原理

混合動(dòng)力車是指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力來源——熱動(dòng)力源與電動(dòng)力源的汽車。目前混合動(dòng)力總成一般以動(dòng)力傳輸路線分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種。

2.1 串聯(lián)式動(dòng)力

它由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三大動(dòng)力總成組成，它們采用“串聯(lián)”的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動(dòng)力系統(tǒng)不需要工作，蓄電池輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器、傳動(dòng)軸及驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)車輪。蓄電池組電量低于60%時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)車輛能量需求較大時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)與蓄電池組同時(shí)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量，發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姾碗姵剌敵龅闹绷麟娊?jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。

2.2 并聯(lián)式動(dòng)力

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的組成：發(fā)動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；逆變器；蓄電池組。是由發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩大動(dòng)力總成組成。它們采用“并聯(lián)”的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力要與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以：（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸處進(jìn)行組合；（2）在變速器（包括驅(qū)動(dòng)橋）處進(jìn)行組合；（3）在驅(qū)動(dòng)橋處進(jìn)行組合。驅(qū)動(dòng)模式為：①以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為基本驅(qū)動(dòng)模式，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)輪；②驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為輔助驅(qū)動(dòng)模式，能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前驅(qū)動(dòng)輪。

2.3 混聯(lián)式動(dòng)力

混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合。三種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中混聯(lián)式是最優(yōu)的?；旌蟿?dòng)力汽車在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)日益成熟，有些已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。

3 混合動(dòng)力汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

車輛啟動(dòng)或停止時(shí)，只有電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。達(dá)到一定車速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)介入工作，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)一直保持在最佳工況狀態(tài)。在并聯(lián)混合動(dòng)力車中，當(dāng)需要更大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)還可以協(xié)同驅(qū)動(dòng)車輛。混合動(dòng)力系統(tǒng)可以使得小排量發(fā)動(dòng)機(jī)汽車動(dòng)力性好，排放更優(yōu)，同時(shí)油耗也可以有所降低。

同時(shí)降低環(huán)境污染，提高電能使用效率（利用晚上富余低價(jià)電能），對(duì)用戶來說，就是使用成本下降，理想情況下，每百公里用油電混合車輛，綜合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合動(dòng)力汽車電機(jī)的選擇

從性價(jià)比來看，選用原則為體積小、重量輕的高效電機(jī)。其主要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。隨著高性能永磁材料、電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)（PMSM）的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究已成為中小容量交流伺服系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。

在交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究工作中，美國(guó)GM公司與Unique Mobility公司曾聯(lián)合對(duì)峰值功率100 kW的異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做過比較，如表1所示。

從表1中可以看出，永磁電機(jī)在功率密度、效率等性能方面均優(yōu)于異步電機(jī)，特別是稀土永磁直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。

3.3 控制策略

永磁同步電機(jī)的調(diào)速主要通過改變供電電源的頻率來實(shí)現(xiàn)。目前常用的變頻調(diào)速方式有轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制（v/f）、轉(zhuǎn)差頻率控制、基于磁場(chǎng)定向的矢量控制（Vector Control）以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）。

實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)性能要求采用相應(yīng)的控制策略，以獲得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，特別在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域。

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

如圖1所示。

4.2 仿真結(jié)果

使用控制，給定轉(zhuǎn)速設(shè)置為，負(fù)載給定為帶載啟動(dòng)，在時(shí)突加負(fù)載。仿真結(jié)果如圖2所示。

從轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線中可以看出，轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)后，經(jīng)過大約0.03 s后基本達(dá)到穩(wěn)定，突加負(fù)載后0.01 s后達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速響應(yīng)較為理想。轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較為波動(dòng)在左右，較為平穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文僅在理論上和算法上進(jìn)行了研究仿真，并未具體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)電路?；旌蟿?dòng)力汽車在機(jī)械結(jié)構(gòu)和負(fù)載類型上有其特殊的特點(diǎn)，應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的交流控制系統(tǒng)還需要做很多的適應(yīng)性的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保華，王偉明，張建武，等.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略比較研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（2）：81-84.

[3] 張威.Stateflow邏輯系統(tǒng)建模[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車最優(yōu)控制與實(shí)例仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007（1）：47-51.endprint

摘 要：混合動(dòng)力汽車作為解決汽車節(jié)能、降低排放的措施，已廣泛受到關(guān)注。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車中一個(gè)重要的部分也作為重要的研究對(duì)象。該文以混合動(dòng)力汽車中的動(dòng)力系統(tǒng)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象。對(duì)各種可適用于混合動(dòng)力汽車的牽引電機(jī)特性進(jìn)行了比較，選擇了永磁同步電機(jī)作為混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。然后在Matlab/Simulink下建立應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果做分析研究。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 永磁同步電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 仿真

中圖分類號(hào)：T34M8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

電動(dòng)汽車是電動(dòng)車輛的一種，是指由車載電源提供全部或部分動(dòng)力。主要包括純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車是以內(nèi)燃機(jī)為主、蓄電池為輔的汽車。由于性價(jià)比不高，混合動(dòng)力型汽車不會(huì)作為主流產(chǎn)品。

1 混合動(dòng)力汽車的發(fā)展

1.1 世界混合動(dòng)力汽車的總體發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)奔馳、日本豐田、美國(guó)通用等具備強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)的汽車企業(yè)，對(duì)于全球汽車業(yè)最大課題——能源與環(huán)境的對(duì)策在近年來殊途同歸：近期，努力完善混合動(dòng)力車；長(zhǎng)遠(yuǎn)邁出氫動(dòng)力燃料電池車從概念車向商品化的步伐。

目前全球汽車用的鎳氫電池主要是日本松下、三洋公司壟斷。

1.2 我國(guó)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

2012年7月18日，由蓋世汽車研究院主辦的主題為“中國(guó)將迎來混合動(dòng)力爆發(fā)期？”的圓桌論壇活動(dòng)在北京舉行。在《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2012—2020）》出臺(tái)后，關(guān)于汽車新能源和混合動(dòng)力節(jié)能汽車的討論激烈開展。

國(guó)內(nèi)公司長(zhǎng)沙科霸的電池正極負(fù)極片已完全通過豐田嚴(yán)苛驗(yàn)證，正式進(jìn)入豐田采購(gòu)階段。公司已進(jìn)入了豐田的供應(yīng)鏈，未來將分享豐田汽車混動(dòng)的全球銷量的增長(zhǎng)。

2 混合動(dòng)力汽車分類及結(jié)構(gòu)原理

混合動(dòng)力車是指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力來源——熱動(dòng)力源與電動(dòng)力源的汽車。目前混合動(dòng)力總成一般以動(dòng)力傳輸路線分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種。

2.1 串聯(lián)式動(dòng)力

它由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三大動(dòng)力總成組成，它們采用“串聯(lián)”的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動(dòng)力系統(tǒng)不需要工作，蓄電池輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器、傳動(dòng)軸及驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)車輪。蓄電池組電量低于60%時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)車輛能量需求較大時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)與蓄電池組同時(shí)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量，發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姾碗姵剌敵龅闹绷麟娊?jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。

2.2 并聯(lián)式動(dòng)力

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的組成：發(fā)動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；逆變器；蓄電池組。是由發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩大動(dòng)力總成組成。它們采用“并聯(lián)”的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力要與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以：（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸處進(jìn)行組合；（2）在變速器（包括驅(qū)動(dòng)橋）處進(jìn)行組合；（3）在驅(qū)動(dòng)橋處進(jìn)行組合。驅(qū)動(dòng)模式為：①以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為基本驅(qū)動(dòng)模式，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)輪；②驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為輔助驅(qū)動(dòng)模式，能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前驅(qū)動(dòng)輪。

2.3 混聯(lián)式動(dòng)力

混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合。三種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中混聯(lián)式是最優(yōu)的?；旌蟿?dòng)力汽車在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)日益成熟，有些已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。

3 混合動(dòng)力汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

車輛啟動(dòng)或停止時(shí)，只有電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。達(dá)到一定車速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)介入工作，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)一直保持在最佳工況狀態(tài)。在并聯(lián)混合動(dòng)力車中，當(dāng)需要更大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)還可以協(xié)同驅(qū)動(dòng)車輛?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可以使得小排量發(fā)動(dòng)機(jī)汽車動(dòng)力性好，排放更優(yōu)，同時(shí)油耗也可以有所降低。

同時(shí)降低環(huán)境污染，提高電能使用效率（利用晚上富余低價(jià)電能），對(duì)用戶來說，就是使用成本下降，理想情況下，每百公里用油電混合車輛，綜合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合動(dòng)力汽車電機(jī)的選擇

從性價(jià)比來看，選用原則為體積小、重量輕的高效電機(jī)。其主要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。隨著高性能永磁材料、電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)（PMSM）的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究已成為中小容量交流伺服系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。

在交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究工作中，美國(guó)GM公司與Unique Mobility公司曾聯(lián)合對(duì)峰值功率100 kW的異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做過比較，如表1所示。

從表1中可以看出，永磁電機(jī)在功率密度、效率等性能方面均優(yōu)于異步電機(jī)，特別是稀土永磁直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。

3.3 控制策略

永磁同步電機(jī)的調(diào)速主要通過改變供電電源的頻率來實(shí)現(xiàn)。目前常用的變頻調(diào)速方式有轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制（v/f）、轉(zhuǎn)差頻率控制、基于磁場(chǎng)定向的矢量控制（Vector Control）以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）。

實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)性能要求采用相應(yīng)的控制策略，以獲得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，特別在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域。

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

如圖1所示。

4.2 仿真結(jié)果

使用控制，給定轉(zhuǎn)速設(shè)置為，負(fù)載給定為帶載啟動(dòng)，在時(shí)突加負(fù)載。仿真結(jié)果如圖2所示。

從轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線中可以看出，轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)后，經(jīng)過大約0.03 s后基本達(dá)到穩(wěn)定，突加負(fù)載后0.01 s后達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速響應(yīng)較為理想。轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較為波動(dòng)在左右，較為平穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文僅在理論上和算法上進(jìn)行了研究仿真，并未具體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)電路?；旌蟿?dòng)力汽車在機(jī)械結(jié)構(gòu)和負(fù)載類型上有其特殊的特點(diǎn)，應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的交流控制系統(tǒng)還需要做很多的適應(yīng)性的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保華，王偉明，張建武，等.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略比較研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（2）：81-84.

[3] 張威.Stateflow邏輯系統(tǒng)建模[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車最優(yōu)控制與實(shí)例仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007（1）：47-51.endprint

摘 要：混合動(dòng)力汽車作為解決汽車節(jié)能、降低排放的措施，已廣泛受到關(guān)注。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車中一個(gè)重要的部分也作為重要的研究對(duì)象。該文以混合動(dòng)力汽車中的動(dòng)力系統(tǒng)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象。對(duì)各種可適用于混合動(dòng)力汽車的牽引電機(jī)特性進(jìn)行了比較，選擇了永磁同步電機(jī)作為混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。然后在Matlab/Simulink下建立應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果做分析研究。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 永磁同步電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 仿真

中圖分類號(hào)：T34M8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

電動(dòng)汽車是電動(dòng)車輛的一種，是指由車載電源提供全部或部分動(dòng)力。主要包括純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車是以內(nèi)燃機(jī)為主、蓄電池為輔的汽車。由于性價(jià)比不高，混合動(dòng)力型汽車不會(huì)作為主流產(chǎn)品。

1 混合動(dòng)力汽車的發(fā)展

1.1 世界混合動(dòng)力汽車的總體發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)奔馳、日本豐田、美國(guó)通用等具備強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)的汽車企業(yè)，對(duì)于全球汽車業(yè)最大課題——能源與環(huán)境的對(duì)策在近年來殊途同歸：近期，努力完善混合動(dòng)力車；長(zhǎng)遠(yuǎn)邁出氫動(dòng)力燃料電池車從概念車向商品化的步伐。

目前全球汽車用的鎳氫電池主要是日本松下、三洋公司壟斷。

1.2 我國(guó)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

2012年7月18日，由蓋世汽車研究院主辦的主題為“中國(guó)將迎來混合動(dòng)力爆發(fā)期？”的圓桌論壇活動(dòng)在北京舉行。在《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2012—2020）》出臺(tái)后，關(guān)于汽車新能源和混合動(dòng)力節(jié)能汽車的討論激烈開展。

國(guó)內(nèi)公司長(zhǎng)沙科霸的電池正極負(fù)極片已完全通過豐田嚴(yán)苛驗(yàn)證，正式進(jìn)入豐田采購(gòu)階段。公司已進(jìn)入了豐田的供應(yīng)鏈，未來將分享豐田汽車混動(dòng)的全球銷量的增長(zhǎng)。

2 混合動(dòng)力汽車分類及結(jié)構(gòu)原理

混合動(dòng)力車是指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力來源——熱動(dòng)力源與電動(dòng)力源的汽車。目前混合動(dòng)力總成一般以動(dòng)力傳輸路線分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種。

2.1 串聯(lián)式動(dòng)力

它由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三大動(dòng)力總成組成，它們采用“串聯(lián)”的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動(dòng)力系統(tǒng)不需要工作，蓄電池輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器、傳動(dòng)軸及驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)車輪。蓄電池組電量低于60%時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)車輛能量需求較大時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)與蓄電池組同時(shí)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量，發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姾碗姵剌敵龅闹绷麟娊?jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。

2.2 并聯(lián)式動(dòng)力

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的組成：發(fā)動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；逆變器；蓄電池組。是由發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩大動(dòng)力總成組成。它們采用“并聯(lián)”的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力要與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以：（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸處進(jìn)行組合；（2）在變速器（包括驅(qū)動(dòng)橋）處進(jìn)行組合；（3）在驅(qū)動(dòng)橋處進(jìn)行組合。驅(qū)動(dòng)模式為：①以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為基本驅(qū)動(dòng)模式，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)輪；②驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為輔助驅(qū)動(dòng)模式，能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前驅(qū)動(dòng)輪。

2.3 混聯(lián)式動(dòng)力

混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合。三種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中混聯(lián)式是最優(yōu)的?；旌蟿?dòng)力汽車在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)日益成熟，有些已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。

3 混合動(dòng)力汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

車輛啟動(dòng)或停止時(shí)，只有電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。達(dá)到一定車速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)介入工作，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)一直保持在最佳工況狀態(tài)。在并聯(lián)混合動(dòng)力車中，當(dāng)需要更大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)還可以協(xié)同驅(qū)動(dòng)車輛?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可以使得小排量發(fā)動(dòng)機(jī)汽車動(dòng)力性好，排放更優(yōu)，同時(shí)油耗也可以有所降低。

同時(shí)降低環(huán)境污染，提高電能使用效率（利用晚上富余低價(jià)電能），對(duì)用戶來說，就是使用成本下降，理想情況下，每百公里用油電混合車輛，綜合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合動(dòng)力汽車電機(jī)的選擇

從性價(jià)比來看，選用原則為體積小、重量輕的高效電機(jī)。其主要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。隨著高性能永磁材料、電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)（PMSM）的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究已成為中小容量交流伺服系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。

在交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究工作中，美國(guó)GM公司與Unique Mobility公司曾聯(lián)合對(duì)峰值功率100 kW的異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做過比較，如表1所示。

從表1中可以看出，永磁電機(jī)在功率密度、效率等性能方面均優(yōu)于異步電機(jī)，特別是稀土永磁直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。

3.3 控制策略

永磁同步電機(jī)的調(diào)速主要通過改變供電電源的頻率來實(shí)現(xiàn)。目前常用的變頻調(diào)速方式有轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制（v/f）、轉(zhuǎn)差頻率控制、基于磁場(chǎng)定向的矢量控制（Vector Control）以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）。

實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)性能要求采用相應(yīng)的控制策略，以獲得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，特別在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域。

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

如圖1所示。

4.2 仿真結(jié)果

使用控制，給定轉(zhuǎn)速設(shè)置為，負(fù)載給定為帶載啟動(dòng)，在時(shí)突加負(fù)載。仿真結(jié)果如圖2所示。

從轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線中可以看出，轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)后，經(jīng)過大約0.03 s后基本達(dá)到穩(wěn)定，突加負(fù)載后0.01 s后達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速響應(yīng)較為理想。轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較為波動(dòng)在左右，較為平穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文僅在理論上和算法上進(jìn)行了研究仿真，并未具體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)電路?；旌蟿?dòng)力汽車在機(jī)械結(jié)構(gòu)和負(fù)載類型上有其特殊的特點(diǎn)，應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的交流控制系統(tǒng)還需要做很多的適應(yīng)性的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保華，王偉明，張建武，等.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略比較研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（2）：81-84.

[3] 張威.Stateflow邏輯系統(tǒng)建模[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車最優(yōu)控制與實(shí)例仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007（1）：47-51.endprint