1、第六章新能源和智能网联汽车电子控制目录新能源汽车电子控制智能网联汽车电子控制0102第一节 新能源汽车电子控制一、新能源汽车的定义与分类二、纯电动汽车电池电机控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术四、燃料电池电动汽车电池电机控制技术一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的具有新技术、新结构的原理先进的汽车。一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类1.纯电动汽车纯电动汽车是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车,它利用蓄电池作为储
2、能动力源,通过电池向电动机提供电能,驱动电动机运转,从而推动汽车行驶。它的优点是,技术相对简单成熟,只要有电力供应的地方都能够充电。但它也有相应的缺点,即蓄电池单位质量储存的能量太少,还有因电动汽车的电池较贵,又没形成经济规模,故购买价格较高;一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类2.混合动力汽车混合动力汽车可分为两大类,即液压蓄能式混合动力汽车和混合动力电动汽车。液压蓄能式混合动力汽车由液压驱动系统和热力发动机驱动系统组成。混合动力汽车是指驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆,车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或多个驱动系统共同提供。混
3、合动力汽车优点：采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率,发动机相对较小,此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类3.燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下,在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池电动汽车的优点是,零排放或近似零排放;减少了机油泄漏带来的污染;降低了温室气体的排放;燃油电池的转化效率高(60%左右),整车燃油经济性良好;运行平稳、无噪声。它的缺点是,燃料电池成本高昂,同时使用成本(氢)也昂贵。一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类 4.其
4、他新能源汽车 除以上新能源汽车之外,还有氢发动机汽车,是以氢发动机为动力源的汽车。一般发动机使用的燃料是柴油或汽油,氢发动机使用的燃料是气体氢。氢发动机汽车是一种真正实现零排放的交通工具,排放出的是纯净水,其具有无污染、零排放、储量丰富等优势。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术电动汽车具有电动机驱动系统、能量管理系统、电池组充电系统、电池组管理系统、再生制动能量回收控制系统等。另外,动力电池组是纯电动汽车的唯一能源,传统汽车中依赖于发动机驱动的空调系统、动力转向系统、制动系统、低压电气系统的电源都需要进行电动化的改造。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电
5、机控制技术电动汽车的控制策略和控制系统其需要完成的任务如下:1)在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法,适应驾驶人的操作习惯,使操作简单化和规范化。2)在EV控制系统中,采用全自动或半自动的机电一体化控制系统,达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。3)提高电池的比能量和比功率,实现电池的高能化。4)采用高效率的电流转换系统和高效率的驱动电动机,提高电动机和驱动系统的效率。5)采用流线型车身,降低EV的迎风面积和空气阻力系数。6)回收再生制动能量,延长EV的行驶里程,提高EV的节能。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(一)电动汽车电动机驱动
6、控制1.电动汽车驱动装置的组成与类型电动汽车驱动装置包括电动机、电动机控制器及传动机构。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(1)按驱动装置的组成形式分类1)机械驱动方式。这种驱动方式的驱动装置除电动机外,通常还包括变速器、传动轴、后桥和半轴等传动部件。2)半机械驱动方式。半机械驱动方式取消了传动效率低、操作烦琐的齿轮变速器,只采用了减速齿轮、差速器、半轴等一部分机械传动装置来传递动力。半机械驱动方式可充分利用电动机的无级变速和调速范围宽的特点。3)纯电力驱动方式。纯电力驱动方式无机械传动机构,驱动装置由左右两个双联式电动机或轮毂式电动机组成,分别直接驱动左右两个驱动车
7、轮。纯电力驱动方式的传动效率高,可利用的空间大,驾驶操作简便,但对电动机控制器的要求较高。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(2)按驱动电动机数量分类1)单电动机驱动系统。驱动系统只用一个电动机,能最大限度地减小电动机部分的体积、质量及成本,但必须配备机械传动机构。2)多电动机驱动系统。采用多个电动机,每个电动机单独驱动一个车轮。多电动机驱动系统能降低单个电动机的电流和额定功率,效率较高,容易均衡电动机的尺寸和质量,但必须安装电子差速器或采用电子控制系统实现差速,因而成本较高。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术 2.电动汽车用电动机的类型(1
8、)按电动机的工作电源分类1)直流驱动电动机。输入电动机的电流方向不变。直流驱动电动机有励磁式和永磁式两种。励磁式直流驱动电动机磁极有励磁绕组,通入电流后产生方向不变的磁场;永磁式直流驱动电动机的磁极为永久磁铁,这种形式的电动机在电动汽车上很少应用。2)交流驱动电动机。通过控制器将电源的直流电转换为正弦波交流电,输入定子绕组后产生旋转磁场。交流驱动电动机有交流异步电动机和永磁式同步电动机两种类型。3)方波驱动电动机。通过控制器将电源的直流电转换为方波交流电或脉冲直流电。由交流方波或脉冲电压驱动的电动机有永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机两种类型。二、纯电动汽车电池电机控制技术(2)按电动机的结构
9、与工作原理分类1)励磁式直流电动机。通过电刷将直流电引入转动的电枢绕组,励磁绕组通电产生磁场,电枢产生电磁转矩。根据磁极励磁方式不同,励磁式直流电动机又分为并励式、串励式和复励式三种。2)交流异步电动机。定子绕组输入正弦波交流电,转子转动频率与交流电源频率不同步,故称为交流异步电动机。这类电动机根据转子的结构不同又可分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两种。3)交流同步电动机。定子绕组输入正弦波交流电,但转子的转动与交流电同频率,根据转子结构不同又可分为永磁式和绕线式两种。4)永磁无刷直流电动机。转子是永久磁铁,因此无需电刷,通入电动机定子绕组中的电流为直流脉冲电流。5)开关磁阻电动机。转子
10、和定子均为双凸极结构,转子没有绕组,定子有简单的集中绕组,其工作原理与前面几种类型的电动机不同。二、纯电动汽车电池电机控制技术电动汽车用驱动电动机的分类如图6-1所示。图6-1 电动汽车用驱动电动机的分类二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术 3.电动汽车用电动机的控制(1)交流异步电动机的控制1)交流异步电动机的矢量控制直流电动机之所以具有良好的控制特性,其根本原因是被控参量只有磁极磁场和电枢电流,且这两个量互相独立。此外,电磁转矩与磁通和电枢电流之间均为线性关系。如果能够模拟直流电动机,求出交流电动机电磁转矩与之对应的磁场和电枢电流,并分别加以控制,就会使交流电动机具
11、有与直流电动机近似的控制特性。为此,必须将三相交变量(矢量)转换为与之等效的直流量(标量),建立起交流电动机的等效模型,然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术交流异步电动机矢量控制是基于磁场定向的方法。基于转子磁场定向矢量控制原理的交流异步电动机的变频控制系统组成框图如图6-2所示。图6-2 基于转子磁场定向矢量控制原理的交流异步电动机的变频控制系统组成框图二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术交流异步电动机矢量控制的实质是通过坐标变换重建电动机数学模型,将交流异步电动机等效为直流电动机,从而像直流电动机那样对
12、交流异步电动机进行实时的转矩和转速控制。其主要的特点如下:可以从零转速开始进行速度控制,因此,调速范围很宽。转速控制响应速度快,且调速精度较高,低速特性连续。可以对转矩实行较为精确的控制,电动机的加速特性也很好。系统受电动机参数变化的影响较大,且计算复杂,控制相对烦琐。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术2)交流异步电动机的直接转矩控制交流异步电动机直接转矩控制系统主要由磁链调节器、转矩调节器、磁链和转矩观测器、转速调节器等组成。直接转矩控制是指在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流,采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链,并根据与给定值比较所得到的差值,实现转矩和
13、磁链的直接控制。图6-3 交流异步电动机直接转矩控制系统框图二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术直接转矩控制过程如下:通过相关传感器获得定子电流和电压的-分量信号。传感器的信号输入磁链观测器和转矩观测器,计算得到定子磁链和转矩的实际f、Mf。将定子磁链的实际值f与给定值g通过滞环比较器进行比较,并输入磁链调节器实现磁链的子控制。将转速测量值nf与给定值ng进行比较,通过转速调节器获得转矩给定值Mg,再将转矩给定值Mg和实际值Mf输入转矩调节器,实现转矩的自控制。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术交流异步电动机直接转矩控制相比于交流异步电动机的矢
14、量控制,具有如下特点:调速精度较高,相应速度快。计算简便,而且控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接。信号处理的物理概念明确,动、静态性能均佳。调速范围较窄,低速特性有脉动现象。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(2)永磁无刷直流电动机的控制1)永磁无刷直流电动机的控制方法永磁无刷直流电动机的磁场是非正弦的,采用与直流电动机相同的控制方法,即通过调节占空比的斩波器控制方法实现电动机转矩与转速的控制。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术永磁无刷直流电动机的主控电路如图6-4所示。电子开关触发电路每次触发两个晶体管导通时,接通两相定子绕组,每隔6
15、0电角度换向一次,每个晶体管导通120电角度。各次换向晶体管的导通顺序依次为+A-B、+A-C、+B-C、+B-A、+C-A、+C-B,依次记为状态S1、S2、S3、S4、S5、S6。图6-4 永磁无刷直流电动机的主控电路二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术在每个状态中,对上桥臂晶体管作用PWM(占空比信号),控制其导通时间,而相应的下桥臂晶体管则处于常导通状态,见表6-1。这样,控制器通过占空比信号控制定子绕组的通电时间,实现电动机的转速控制。状态VT1(+A)VT2(-A)VT3(+B)VT4(-B)VT5(+C)VT6(-C)S1PWMOFFOFFONOFFOFF
16、S2PMWOFFOFFOFFOFFONS3OFFOFFPWMOFFOFFONS4OFFONPWMOFFOFFOFFS5OFFONOFFOFFPWMOFFS6OFFOFFOFFONPWMOFF表6-1 三相无刷直流电动机控制的六个换向状态二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术2)永磁无刷直流电动机的控制原理。永磁无刷直流电动机的控制原理如图6-5所示。三相定子绕组电流ia、ib、ic经绝对值处理后相加并除以2,得到反馈电流iF。iF与给定电流IREF进行比较,对其误差进行PI调节(PWM的脉冲宽度)。调节过程:当IFIREF时,使PWM脉冲变窄。由于调节器的响应速度很快,因
17、而反馈电流IF始终跟随给定值IREF,对PWM的脉冲宽度及时做出调整。图6-5永磁无刷直流电动机的控制原理二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(3)永磁交流同步电动机的控制相对于永磁无刷直流电动机,永磁交流同步电动机的控制较为复杂。为了使永磁交流同步电动机有直流电动机那样的优良控制特性,永磁交流同步电动机的控制如同交流异步电动机,先后提出了多种控制方法,如恒压频比开环控制、矢量控制、直接转矩控制、自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网络控制等。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术 (二)电动汽车蓄电池管理 1.蓄电池管理系统的必要性电动汽车
18、的蓄电池具有以下缺点:(1)大容量单体电池容易产生过热汽车动力电池采用大容量单体锂电池容易产生过热。(2)电池的性能不完全一致基于现有的正极材料和电池制造水平,单体电池之间尚不能达到性能的完全一致,在通过串并联方式组成大功率大容量动力电池组后,苛刻的使用条件也易诱发局部偏差,从而引发安全问题。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(3)电池成组后的主要问题1)过充/过放。串联的电池组充放电时,部分电池可能先于其他电池充满或放完。继续充放电就会造成过充或过放,锂电池的内部副反应将导致电池容量下降、热失控或者内部短路等问题。2)过大电流。并联、老化、低温等情况,均会导致部分电
19、池的电流超过其承受能力,降低电池的寿命。3)温度过高。局部温度过高,会使电池的各项性能下降,最终导致内部短路和热失控,产生安全问题。4)短路或者漏电。因为振动、湿热、灰尘等因素造成电池短路或漏电,威胁驾乘人员的人身安全。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术蓄电池管理系统的功能之一就是避免电池组出现上述问题,动态监测动力电池组的工作状态,实时采集每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压,估算出各电池的荷电状态，安全状态和电化学状态,然后通过控制其他器件,防止电池发生过充电或过放电现象,同时能够及时给出电池状况,找出有故障电池所在箱号和箱内位号,挑出有问题的电池,保
20、持整组电池运行的可靠性和高效性。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术2.蓄电池管理系统的结构蓄电池管理系统最基本的作用是进行电池组管理,还包括电线线路管理、热(温度)管理和电压平衡控制。(1)电池组管理系统管理电池的工作情况,避免出现过放电、过充电、过热,对出现的故障应能及时报警,以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。(2)电线线路管理系统管理动力电池组分组及连接、动力电线束、手动或自动断电器、传感器的类型以及传感器电线束。(3)热(温度)管理系统负责电池组组合方式、电池组分组和支架布置、通风管理系统和风扇、温度管理ECU及温度传感器、热能的管理与应用。(4)电压
21、平衡控制系统平衡各电池的充电量,能延长电池寿命,并对更换后的新电池进行容量平衡。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术3.蓄电池管理系统的功能(1)蓄电池测量和监控系统蓄电池管理系统是混合动力汽车支持电池管理的系统。系统的作用是对电池的组合、安装、充电、放电、电池组中各个电池的不均衡性、电池的热管理和电池的维护等进行监控和管理(2)动力电池组的安全管理动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理,一方面保证动力电池组的正常运作,显示动力电池组的动态响应并及时报警,使驾驶人随时都能掌握动力电池组的情况;另一方面要对人身和车辆进行安全保护,避免因电池引起的各种事故。(3)电池
22、箱热管理系统汽车上使用的动力电池组在工作时都会有发热现象,不同的蓄电池的发热程度各不相同,有的蓄电池在夏季采用自然通风即可满足电池组的散热要求,但有的蓄电池则必须采取强制通风来进行冷却,才能保证电池组正常工作并延长蓄电池的寿命。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(4)动力电池组的均衡管理电池组有别于单体电池,在目前的锂电池制造水平下,单体之间的性能差异在其整个生命周期里不可避免地存在,组合成多节串联电池组后如不采取技术措施,单体电池在充放电过程中的不一致会导致单体电池由于过充、过放而提前失效,要想避免单体电池由于过充、过放导致提前失效,使电池组的性能指标达到或者接近单
23、体电池的水平,必须对电池组中单体电池进行均衡控制,电池组均衡的使命是,将多节串联后的电池组内部各电池单体充放电性能恶化减到最小或使其消失。(5)电池状态故障诊断故障诊断功能是BMS的重要组成部分,故障诊断可以在动力电池组工作过程中,实时掌握电池的各种状态,甚至在停机状态下也能将电池的故障信息定位到动力电池系统的各个部分。故障级别分为:一般故障、警告故障和严重故障。BMS根据故障的级别将电池状态归纳成尽快维修、立即维修和电池寿命警告三类信息传递到仪表板以警示驾驶人,从而保护电池不被过分使用。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术1)BMS的重要诊断内容:起动过程的BMS硬件
24、故障诊断,包括传感器信号的合理性诊断、电池组电压信号合理性诊断、电池模块电压合理性诊断、起动过程电流信号合理性诊断、起动过程温度信号合理性诊断;行车过程的BMS诊断,包括电压波动诊断、无模块电压诊断、无电池组电压诊断、无温度信号诊断、电流故障诊断、流量传感器故障诊断、模块电压一致性故障诊断、过流故障诊断、通信系统故障诊断、通风机故障诊断、高压电控故障诊断、模块电压的过充诊断、电池组电压的过充诊断、模块电压变化率的过充诊断、电池组电压变化率的过充诊断、SOC的过充诊断、传感器温度的过充诊断、平均温度的过充诊断、传感器温度变化率的过充诊断、平均温度变化率的过充诊断、模块电压的过放诊断、电池组电压的
25、过放诊断、模块电压变化率的过放诊断、电池组电压变化率的过放诊断、SOC的过放诊断、传感器温度的过放诊断、平均温度的过放诊断、传感器温度变化率的过放诊断、平均温度变化率的过放诊断。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术2)诊断策略与失效处理:根据各故障原因,对各种故障诊断分别设置了诊断程序的进入与退出条件;采用分时诊断流程,节约CPU时间资源;根据电池充电倍率,动态调节充电诊断过程参数;根据电池放电倍率,动态调节放电诊断过程参数;故障诊断分三种不同级别进行(报警、故障与危险);故障诊断结果通过CAN总线送至VMS(速度测量系统);故障诊断结果参与电池实际工作电流的控制;故障
26、诊断结果参与高压电控制。监视软件监测的内容包括:监测动力蓄电池的单体或模块电压;监测动力蓄电池组总电压;监测电流;电池组SOC;电池组工作平均温度;模块电压极大值;模块电压极小值;温度传感器极大值;温度传感器极小值;监测最大允许充电电流和最大允许放电电流;监测蓄电池组故障码状态；显示工况运行时间;存储数据,采用Office软件进行后处理分析。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术4.蓄电池管理系统的组成动力蓄电池管理系统的基本组成如图6-6所示。图6-6 动力蓄电池管理系统的基本组成三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术 (一)混合动力汽车的
27、分类1.按系统结构分类图6-97 串联式混合动力汽车的结构(1)串联式串联式混合动力汽车的结构如图6-7所示。串联式混合动力汽车由发动机、发电机、电动机、电池组、控制器以及汽车的传动系统串联组成。在该结构中,发动机和发电机与驱动系统之间不存在直接的机械连接而仅由主驱动电机单独驱动车辆运行,其主要功用是以电能的方式驱动电机或给电池充电。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术(2)并联式并联式混合动力汽车由发动机和电机以机械动力合成的方式来驱动汽车。主要包括发动机、整车控制器、变速器、电池组、电机、电机控制器、动力合成装置以及汽车其他传动系统等部件。在该结构中,电机既
28、可以作电动机又可以作发电机使用。图6-8 并联式混合动力汽车三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术(3)混联式在结构上,混联式混合动力汽车综合了串联式和并联式混合动力汽车的优点,不仅克服了串联式结构高速工况下动力不足,而且也屏蔽了并联式动力系统低速工况高消耗、低效率的缺点,从而具有较理想的综合性能,也更能适应各种复杂的工况。混联式驱动系统（图6-9）能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态,因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。图6-9 混联式混合动力汽车三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混
29、合动力汽车功率分配器控制技术(4)多模式多模式混合动力汽车是在混联式混合动力汽车的基础上延伸得到的混合动力汽车类型,它在采用行星齿轮机构作为动力耦合结构的混联式混合动力汽车的行星齿轮排连接点(太阳轮、行星架与齿圈)之间加入了离合器,通过离合器的切换能够实现多种不同的工作模式,包括上述串联、并联与混联。多模式混合动力汽车的特点在于,它不仅具有混联式混合动力汽车的高能量效率优点,多个模式能够适应不同的驾驶环境,还比单一模式混合动力汽车更加节能;同时,并联模式的存在,使其具有比传统混联式混合动力汽车更加优异的加速性能。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术2.按照混合度
30、划分根据HEV的电动机的峰值功率和发动机的额定功率可以将HEV的动力系统分为：(1)微混合型混合动力电动汽车也称为“起停混合。在微混合动力系统中,电机仅作为内燃机的起动机/发电机一般情况下,电动机的峰值功率和发动机的额定功率之比5%。(2)轻度混合(弱混合)型混合动力电动汽车混合动力系统采用集成起动电机，车辆以发动机为主要动力来源,助动电机被安装在发动机和变速器之间。(3)中度混合型混合动力电动汽车 它是以发动机和/或电动机为动力源的混合动力电动汽车。一般情况下,电动机的峰值功率和发动机的额定功率之比为15%40%。(4)重度混合(强混合)型混合动力电动汽车它是以发动机和/或电动机为动力源,且
31、电动机可以独立驱动车辆行驶的混合动力电动汽车。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术(二)混合动力汽车的功率分配控制1.串联式混合动力汽车能量管理控制策略能量管理策略设计的关键在于选择最佳的工作模式,并合理地在发动机-发电机组与动力电池组之间进行功率分配。图6-10为能量管理策略流程图,图中S为当前电池SOC水平;H与L分别为电池组SOC正常工作范围的上限值与下限值;Pm为电机功率;Pm_min为电机最小功率;Pc_max为电池最大充电接收功率;P1与P2分别为发动机工作区间的上、下限逻辑门限;Po为发动机最优工作点功率;Pf为联合工作时的发动机功率;Pch为行车
32、充电功率;Pr为需求功率;Pb为电池组功率;con为DC/DC变换器效率。三、混合动力汽车功率分配器控制技术图6-10 能量管理策略流程图三、混合动力汽车功率分配器控制技术为了将发动机工作点控制在高效率点,结合发动机万有特性图确定发动机效率最高点时所对应的母线电压。根据工作模式切换控制策略、电池SOC和需求功率确定发动机的目标功率为Pe=fs(Pr,S,)式中,Pe为发动机功率;为模式切换状态。控制策略先将驾驶人的踏板信号解释为电机输出力矩,根据当前电机转速与驾驶人踏板信号可以确定电传动系统的功率需求为 式中,A和B分别为驾驶人加速踏板与制动踏板信号;m为电机效率;为制动力分配系数;Tm_ma
33、x为电机输出转矩;m为电机转速;TB_max为整车最大制动力矩;w为车轮转速。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术发动机效率最优不等同于整体效率最优,使发动机工作在最优效率区域虽然有利于降低发动机油耗,但是有可能导致电池放电电流过大,对电池寿命和工作效率均有损害。如何合理进行二者之间的功率分配又很难用简单的逻辑门限来限定,因此在上述能量管理策略的基础上增加模糊修正算法,模糊输入为需求功率和电池SOC,模糊输出为发动机目标功率修正因子。图6-11 模糊输入的隶属度函数(注:图中L、M、H、S、B、Z、VB、VS均为模糊语言变量)三、混合动力汽车功率分配器控制技术三
34、、混合动力汽车功率分配器控制技术为了提高控制效果,对需求功率的模糊输入进行量化处理,即式中,P为需求功率模糊输入;Prm为最大需求力矩。模糊控制的输出为发动机目标功率修正因子x,其作用是对发动机目标功率进行模糊修正,使工作点适当偏离发动机的最优效率区域。当电池SOC越高时,越倾向于发动机工作在接近效率最优区域;当负载需求功率越高时,越倾向于发动机偏离效率最优区域。结合图6-13所示模糊隶属度函数可以建立15条模糊规则,模糊规则的形式为IFS=AiANDP=Bj THENx=xk发动机目标功率的模糊输出采用面积中心原理进行解模糊。从模糊控制的输出x向发动机目标功率的转换关系为Pf=P2+x(Pe
35、_max-P2)式中,Pe_max为发动机最大功率;x为模糊算法决定的发动机目标功率修正因子。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术2.并联式混合动力汽车能量管理控制策略并联式混合动力汽车能量管理的控制,本质上是一个在一定约束条件下的燃料与排放的最优控制问题。一方面由于行驶路况和驾驶人的操作具有随机性,并联式混合动力汽车的最优控制是一个随机性动态系统的最优控制问题。另一方面并联式混合动力系统包括众多不同类型的部件,各部件之间存在着复杂的协调工作关系,系统工作时各部件的运行状态均处于不断变化之中,因此系统的动态方程非常复杂。同时,并联式混合动力汽车的控制策略与串联式
36、混合动力汽车不同,通常需要根据电池的SOC、驾驶人的加速踏板位置、车辆和驱动轮的平均功率等参数进行控制,使发动机和电动机输出相应的转矩,以满足驱动轮驱动力矩的要求。因此,导致了并联式混合动力汽车在能源控制策略上常采用动态优化控制策略和基于模糊逻辑或神经网络的智能控制策略。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术在采用动态优化控制策略的方法中,首先在忽略了各部件所受温度的影响,以及忽略了离合器、变速器的动态过程的情况下,建立离散化公式来表示并联式混合动力汽车的数学模型。其数学模型建立如下:以能量管理为主要目的,为了方便讨论这里以转矩分配来代替传统功率分配的讨论方法。通
37、过车辆动力学可知:驾驶人在车轮上需求的转矩Tw可以通过车速由运动学公式得到:Tw(k)=R(g(k)(Te(k)+Tm(k)w(k)=v(k)/rw(v(k)=m(k)/R(g(k)w(k+1)=w(k)+(Tw(k)-Bww(k)-rw(Fr+Fa)/(Mr)式中,w、e、m分别是车轮、发动机和电动机的转速;Te、Tm分别是发动机、电动机的输出转矩;R(g(k)是从变速器到前轮的总的变速器速比;是从变速器到前轮的总的传动效率;对于给定的车速,车辆的参数是前迎风面积Af,阻力系数Cd,滚动阻力系数fr,汽车质量m,车轮的动态半径rw(v);Fr和Fa分别是滚动阻力和空气阻力。Mr=Mv+Jr/
38、是车辆的有效质量,Jr是汽车旋转部件的等效惯量。在考虑其他部件数学模型时,基于以下规则:三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术1)发动机。基于准静态假设,发动机的动态响应过程被忽略。而且假定发动机已完全预热,从而不考虑发动机的温度效应。发动机的燃油消耗率和排放假定为发动机转速和发动机转矩的静态函数。2)变速器。变速器档位变换被建模为一个离散时间动态系统,每次变换持续的时间为1s。其中,状态表示变速器当前所处的档位,变速器可以采取的动作为向上迁移、保持不变和向下迁移,分别用1,0和-1来表示;g(k)为变速器当前所处档位,shift(k)为迁移档位。三、混合动力汽车
39、功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术3)离合器。离合器通常负责从发动机到变速器的力矩和速度传递。它有三种状态:分离、滑动摩擦和接合。当离合器分离时,它不传递任何发动机的转矩到变速器;当处于滑动摩擦状态时,它传递部分发动机的力矩到变速器,离合器两侧处于不同的速度;当离合器接合时,它将发动机的转矩和速度丝毫不变的传递到变速器。4)电机。与发动机建模类似,电机模型采用试验数据和动力学相结合的方法。主要为电机动力学(机械特性)模型,没有涉及复杂的电机电磁学模型。电机模型主要将输入功率转化为输出转速和转矩。电机的效率是电机转矩和转速的函数。由于电池功率和电机最大输出转矩的限制,电机输出转
40、矩的表达式为三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术 式中,Tm,req是需求的电机转矩;Tm,dis和Tm,chg分别是电机驱动状态下的最大输出转矩和发电状态下的最大输入转矩;Tbat,dis和Tbat,chg分别是基于电池组充放电电流限制下的最大驱动转矩和最大充电转矩。因此,根据准静态原理,就可以建立起混合动力汽车的模型。系统状态向量包括4个变量:驾驶人需求转矩Tdem(k)=Te(k),车轮转速w(k),档位g(k)和SOC(k)。整体数学模型采用下式表示:X(k+1)=f(X(k),u(k)式中,X(k)为系统的状态向量,它的维数取决于控制任务所需要的精度;
41、u(k)是控制向量,由发动机输出转矩Te(k)、电机输出转矩Tm(k)、档位变换命令shift(k)和SOC(k)决定,由于并联式混合动力汽车的机械结构属于一种转矩叠加式并联结构,即真正的转矩变量只有一个电机产生的转矩或发动机产生的转矩,另外一个可以根据公式得到:Tw(k)=R(g(k)(Te(k)+Tm(k)三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术发动机和电机的速度通过以公式得到:k(k)=v(k)/rw(v(k)=m(k)/R(g(k)SOC(k)的参量由电池管理系统可知作为常数。最终,确定混合动力汽车系统的控制变量为(Te(k),shift(k)。从而建立了并
42、联式混合动力汽车的动态控制策略数学模型,通过数值动态规划算法、软件仿真、试验分析等手段,最终获得能量管理的动态优化控制。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术3.混联式混合动力汽车能量管理控制策略(1)发动机恒定工作点模式这种策略采用发动机作为主要动力源,电机和电池通过提供附加转矩的形式进行功率调峰,使系统获得足够的瞬时功率。由于采用了行星齿轮机构使发动机转速可以不随车速变化,这样使发动机工作在最优的工作点,提供恒定的转矩输出,而剩余的转矩则由电机提供。这样由电机负责动态部分,避免了发动机动态调节带来的损失。而且与发动机相比,电机的控制也更为灵敏,容易实现。三、混
43、合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术(2)发动机最优工作曲线模式这种策略从静态条件下的发动机万有特性出发,经过动态校正后,跟踪由驱动条件决定的发动机最优工作曲线,从而实现对发动机及整车的控制。发动机在高于某个转矩或功率限值后才会打开。发动机停止后,离合器可以脱开(避免损失)或接合(工况变化复杂时,发动机起动更为容易)。只有当发电机电流需求超出电池的接受能力或者当电机驱动电流需求超出电机或电池的允许限制时,才调整发动机的工作点。图6-142 发动机最优工作曲线三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术(3)瞬时优化模式在发动机最优工作曲线模式思
44、想的基础上,对混合动力汽车在特定工况点下整个动力系统的优化目标(如效率损失、名义油耗)进行优化,便可得到瞬时最优工作点,然后基于系统的瞬时最优工作点,对各个状态变量进行动态再分配。为了研究在不同电池充电电流下效率损失的变化,采用灵敏度分析,即 式中,Pl(ne,Te)表示电池电流改变到Ib(ne,Te)后,对应于发动机工作点(ne,Te)的功率损失;Pl0、Ib0表示对应于特定驱动条件下的最小功率损失及此时的电池电流;灵敏度S表示每增加单位充电电流而增加的功率损失,它在特定驱动条件下是发动机工作点的函数。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术4.多模式混合动力汽车
45、能量管理控制策略由于多模式混合动力包括了上述的串联、并联与混联三种类型的混合动力结构,故上文描述的功率分配控制方法均不适用。基于效率分析法的多模式混合动力汽车能量管理控制策略如图6-13所示。图6-13 多模式混合动力汽车的能量管理控制策略NEMS归一化效率最大化策略DP动态规划三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术(1)驾驶循环工况离散化将标准驾驶循环工况以车辆车速与驾驶人需求转矩两个变量进行划分,并组成一个两维概率表p(Vm,Tn),称为STC(Speed Torque Cell),即 式中,num(vm,Tn)代表该循环工况中,在某一速度区间与某一转矩区间的
46、工作点个数,而num(vm,Tn)total为总工作点个数。在这里,使用需求转矩的概念代替车辆加速度,是为了能够将车辆行驶坡道信息统一起来,以便在后面的工作中,遇到坡道信息时,可以快速转化为转矩需求。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术(2)模式分析1)纯电动模式。相比于混合动力模式,纯电动模式的能量流相对简单,系统的能量来源始终为电池,而系统的能量输出单元为驱动电机。由于我们假设,在每一个时间区间,电池的开路电压与内阻是常数,故系统的效率仅取决于电机的效率,其表达式如下:式中,为系统的输入功率,即电池功率;为系统的损失功率,即电机损失功率。三、混合动力汽车功率
47、分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术由于系统中有两个电动机/发电机存在,所以上式中电机与电池功率的比值并不一定等于电机的效率。例如,在一个单自由度双电机模式中,可以任意分配两个电机的输出转矩以达到需求转矩;而双自由度双电机模式中,电机的转速可任意调节匹配以获得相同的输出转速,故通过编辑两个MG的转矩与转速,并求它们中的最大值,即可得到系统的最优控制律,即式中,out、MG1与MG2分别表示车辆输出轴、电机1和电机2的转速;Tout、TMG1与TMG2分别表示车辆输出轴、电机1和电机2的转矩。通过上式的求解,可以得到上一步骤中STC中所有非零单元的每一个模式的最佳工作效率与最佳控制命
48、令。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术2)制动能量回收模式。当驾驶人需求转矩为负时,车辆进入制动能量回收模式。此时,系统与纯电动模式下类似,不同的是电机做负功,电池处于充电状态,而系统的最佳效率仍然取决于电机的效率,仍然可以通过式(6-16)与式(6-17)求解系统制动能量回收状态下,最佳系统效率与对应的最佳控制命令。3)混合动力模式。相对于纯电动模式,由于两个动力能量源的存在,使得混合动力模式下车辆的能量流相对复杂。能量传递流可大致分为4部分:发动机功率通过发电机(此时任意MG可以是发电机)转化为电能并存入电池的Pe_1;发动机功率通过发电机发电产生电能并提
49、供给电机驱动车辆的Pe_2;发动机功率通过机械传递直接传导到车轮的Pe_3;此时电池提供的驱动车辆的能量Pbatt。对上述四个能量传递过程中的能量流进行归一化处理,得到式(6-18)中的归一化效率Hybrid(e,Te),通过与纯电动模式中相同的方法,编辑所有可行的发动机转速e与转矩Te,得到STC中所有非零单元的最佳效率值|out,Tout与对应的控制命令、输出轴转速out和输出轴转矩需求Tout。三、混合动力汽车功率分配器控制技术 3)混合动力模式。相对于纯电动模式,由于两个动力能量源的存在,使得混合动力模式下车辆的能量流相对复杂。能量传递流可大致分为4部分:发动机功率通过发电机(此时任意
50、MG可以是发电机)转化为电能并存入电池的Pe_1;发动机功率通过发电机发电产生电能并提供给电机驱动车辆的Pe_2;发动机功率通过机械传递直接传导到车轮的Pe_3;此时电池提供的驱动车辆的能量Pbatt。对上述四个能量传递过程中的能量流进行归一化处理,得到式(6-18)中的归一化效率Hybrid(e,Te),通过与纯电动模式中相同的方法,编辑所有可行的发动机转速e与转矩Te,得到STC中所有非零单元的最佳效率值|out,Tout与对应的控制命令、输出轴转速out和输出轴转矩需求Tout。三、混合动力汽车功率分配器控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术式中,Pfuel是对应于发动机喷射的燃料的
