混合動力汽車結(jié)構(gòu)及電控系統(tǒng)的分析研究

李浩++冉彤

摘 要：混合動力汽車擁有內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)兩種動力，具有高效率和低排放的特點，因此，開發(fā)和研究混合動力汽車能夠有效解決汽車排放污染和社會能源問題。該文介紹了混合動力汽車的幾種常見結(jié)構(gòu)和特點，概述了一種基于CAN總線的混合動力汽車電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制流程，分析了電控系統(tǒng)各組成部分的控制功能，為今后混合動力汽車電控系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電控系統(tǒng) 混合動力 控制流程 分析研究

中圖分類號：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0059-04

現(xiàn)代社會對汽車節(jié)能、環(huán)保的要求日益增高，研發(fā)節(jié)能、環(huán)保的新型汽車，成為汽車行業(yè)的一種發(fā)展趨勢。但因當(dāng)前電池技術(shù)和工藝瓶頸的限制，純電動汽車暫時還無法完全取代燃油發(fā)動機(jī)的汽車[1]。擁有內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)兩種動力的混合動力汽車，很好地兼顧了電動汽車和傳統(tǒng)汽車的優(yōu)點，從而成為更加務(wù)實的選擇。混合動力汽車除發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、蓄電池、變速器等主要部件外，更重要的是實現(xiàn)能量在各部件間合理分配以提升整車效率的電控系統(tǒng)，所以研究混合動力汽車的電控系統(tǒng)對推動混合動力汽車的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 混合動力汽車結(jié)構(gòu)概述

混合動力汽車?yán)^承和沿用了大部分內(nèi)燃機(jī)汽車的裝置和系統(tǒng)，將內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)、能量存儲裝置（蓄電池）有機(jī)地組合在一起，驅(qū)動系統(tǒng)一般有串聯(lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型三種布置形式[2]，分別如圖1、2、3所示。串聯(lián)型混合動力汽車的發(fā)動機(jī)可始終在最佳的工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和排放性。特別是在汽車低速運(yùn)行工況時可關(guān)閉發(fā)動機(jī)，只利用蓄電池向外輸出功率，降低汽車的排放污染；并聯(lián)型混合動力汽車的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況受汽車行駛工況的影響比較大，適合于在中、高速穩(wěn)定工況下行駛。而在其他工況下發(fā)動機(jī)不在最佳工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排污指標(biāo)不如串聯(lián)型。混聯(lián)型的布置形式綜合了串聯(lián)型和并聯(lián)型的共同優(yōu)點，在汽車低速行駛時，驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車在中、高速穩(wěn)定行駛時，則以并聯(lián)方式工作。

2 混合動力汽車電控系統(tǒng)類型及結(jié)構(gòu)

隨著電控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，汽車的電控系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)向現(xiàn)場總線構(gòu)成的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，特別是采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的電控技術(shù)已成為當(dāng)今汽車業(yè)界的先進(jìn)技術(shù)。混合動力汽車同時擁有內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)兩種動力，電子控制裝置復(fù)雜，檢測及交換的數(shù)據(jù)量較大，只有應(yīng)用高效的電控系統(tǒng)才能實現(xiàn)兩種動力的最佳匹配，發(fā)揮混合動力的優(yōu)勢[3]。因此，CAN總線構(gòu)成的電控系統(tǒng)是實現(xiàn)混合動力汽車兩種動力合理有效匹配的可靠手段。

為解決能源的協(xié)調(diào)問題，一種基于CAN總線結(jié)構(gòu)的電控系統(tǒng)在混合動力汽車上得到了廣泛應(yīng)用，其主要由中央控制器、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)及信號反饋和檢測裝置等幾部分組成，具體為整車控制器、發(fā)動機(jī)電控單元、變速器控制單元、電機(jī)控制單元、電池管理系統(tǒng)、高壓管理系統(tǒng)、ABS控制單元、儀表及顯示系統(tǒng)、監(jiān)控/標(biāo)定系統(tǒng)等[4]。整車控制器與各電控子單元、駕駛員及整車共同構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過CAN總線從各類傳感器上獲取駕駛員的操作指令和車輛的運(yùn)行狀態(tài)，再通過CAN總線實現(xiàn)各控制單元間信息的共享、交換和傳輸，最終完成整車動力系統(tǒng)的能量分配。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其中駕駛員的各項操作指令位于頂層，整車控制器在中間層，底層為各子控制單元[5]。

3 電控系統(tǒng)各單元控制功能

3.1 整車控制器（VSC）

整車控制器（VSC，Vehicle System Controller），是整個電控系統(tǒng)的核心，具有管理和控制整個車輛的重要功能。主要完成車輛信息采集和駕駛員意圖的判別，對采集到的點火、踏板及檔位信號、車速、發(fā)動機(jī)和電動機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速、電池電荷狀態(tài)（SOC）、故障碼等主要信息進(jìn)行迅速處理，并通過內(nèi)部相應(yīng)的控制策略，分析計算出發(fā)動機(jī)、電動機(jī)等當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，得出滿足最佳需求的功率或扭力矩分配、最佳的充電功率、自動變速器的最佳檔位控制等，控制車輛的實際運(yùn)行[6]。當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它會及時對故障進(jìn)行處理，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.2 發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）

汽車發(fā)動機(jī)電子控制單元（ECU）是發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)從各種傳感器接受到的信息來控制各種工況下的燃油噴射時刻、噴射量和點火時刻（汽油機(jī)），向發(fā)動機(jī)提供最佳空燃比的混合氣，使發(fā)動機(jī)始終處在最佳工作狀態(tài)，提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。它通過CAN總線接收整車控制器發(fā)出的對發(fā)動機(jī)的命令，經(jīng)判斷處理后對發(fā)動機(jī)進(jìn)行控制，同時也可以通過通訊接口與車內(nèi)其他電子控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

3.3 電機(jī)控制單元（MCU）

電機(jī)控制單元由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、驅(qū)動和接口電路及電機(jī)調(diào)速控制等幾部分組成。它不僅能夠通過CAN總線接收整車控制器發(fā)出的對電動機(jī)的控制指令并及時執(zhí)行，以控制電機(jī)的發(fā)電與電動狀態(tài)的切換、電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢及輸出力矩的正負(fù)，還可以向CAN總線發(fā)送電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，比如實際扭矩、轉(zhuǎn)速、充放電電流、故障碼等。同時該控制單元的故障自診斷功能還可保證當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時能夠自行處理，以保障車輛的行駛安全。

3.4 電池管理系統(tǒng)（BMS）

電池管理系統(tǒng)（BMS）實時監(jiān)測電池的電壓、容量、充放電電流、電池的SOC值，并將這些信息通過CAN總線發(fā)送到整車控制器進(jìn)行處理，以提升電池性能和壽命[7]。同時，BMS還要對電池系統(tǒng)內(nèi)單體電池的電荷均衡進(jìn)行監(jiān)測和控制，以保證電池組正常工作，也會將電池組的SOC值傳送到顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

3.5 高壓管理系統(tǒng)

高壓管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)高壓用電設(shè)備的上、下電管理，監(jiān)測高壓設(shè)備的工作狀態(tài)，并通過CAN總線向整車控制器報告。遇到故障或緊急情況時采取保護(hù)措施，減小電流沖擊，防止設(shè)備損壞[8]。

3.6 儀表及顯示系統(tǒng)

混合動力汽車的儀表及顯示系統(tǒng)除動態(tài)顯示車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、里程、水溫、油量等傳統(tǒng)信息外，還能接收CAN總線上的訊號，額外顯示工作模式、電池SOC值、充放電電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等必要信息。駕駛員能夠通過儀表及車載顯示系統(tǒng)實時了解車輛的運(yùn)行狀態(tài)，因而該系統(tǒng)是整個電控系統(tǒng)的眼睛。

3.7 監(jiān)控與標(biāo)定系統(tǒng)

該系統(tǒng)最初用來完成整車控制系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試與檢驗。在實現(xiàn)其基本功能后，監(jiān)控與標(biāo)定系統(tǒng)一方面可以準(zhǔn)確及時地檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門負(fù)荷、真空度、冷卻水溫、檔位、空調(diào)狀態(tài)等車輛參數(shù)，并通過CAN總線送往整車控制器進(jìn)行決策，送往顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示；另一方面又可以通過標(biāo)定系統(tǒng)的接口來優(yōu)化各個參數(shù)，使車輛運(yùn)行達(dá)到最佳效果。

3.8 電動助力轉(zhuǎn)向（ESP）及防抱死制動系統(tǒng)（ABS）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ESP）通過傳感器監(jiān)測駕駛員施加在方向盤上的力矩和車速，然后根據(jù)控制單元內(nèi)置的算法來控制轉(zhuǎn)向助力電機(jī)的運(yùn)行，向駕駛員提供合適的轉(zhuǎn)向助力力矩；防抱死制動系統(tǒng)（ABS）在車輛制動時，監(jiān)測車輪的滑移率來自動控制制動器制動力的大小，防止車輪抱死，以保證車輪與地面間的最大附著力。當(dāng)ABS作用時會通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)向其他控制單元告知其狀態(tài)，從而觸發(fā)VSC相應(yīng)的管理模塊，終止制動能量回饋功能，以保證車輛安全。

4 電控系統(tǒng)的控制流程與特點

整車控制器（VSC）根據(jù)汽車當(dāng)前的實際運(yùn)行狀態(tài)及駕駛員的操作意圖確立合理的運(yùn)行模式（即發(fā)動機(jī)驅(qū)動與電機(jī)驅(qū)動模式的選擇），以保證車輛的駕駛性能。在選定的運(yùn)行模式下，VSC可通過CAN總線與各子控制單元或系統(tǒng)進(jìn)行通訊。整個工作過程中，各子控制單元或系統(tǒng)分別采集各自控制對象的信號和動態(tài)參數(shù)，通過現(xiàn)場總線發(fā)給VSC，VSC利用這些信息，通過控制策略的運(yùn)算來進(jìn)行信號流和能量流的處理和分配工作，并通過現(xiàn)場總線向各子控制單元或系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行指令。各子控制單元或系統(tǒng)接受執(zhí)行指令，并根據(jù)控制對象的當(dāng)前動態(tài)參數(shù)，再發(fā)出對控制對象的控制命令。例如，VSC根據(jù)采集到的參數(shù)和運(yùn)算策略計算出目標(biāo)擋位后，會向變速器控制單元（TCU）發(fā)送換擋命令，TCU根據(jù)指令將控制變速器的執(zhí)行部件完成擋位變換。

該電控系統(tǒng)由主控制單元和子控制單元組成，整體是一個高度集成的控制網(wǎng)絡(luò)。整車控制器（VSC）作為主控單元，負(fù)責(zé)管理各個子控制單元的能量分配和子部件系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作，顯現(xiàn)了很強(qiáng)的集成性能[9]。而子控制單元將控制任務(wù)模塊化，每個模塊都有一個控制單元來接管，降低了系統(tǒng)的故障率，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。不僅如此，這種面向?qū)ο笤O(shè)計的分布式系統(tǒng)還提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，便于建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)。

5 結(jié)語

混合動力汽車有效減輕了能源與環(huán)保問題，發(fā)展前景十分廣闊。電控系統(tǒng)肩負(fù)著在不同運(yùn)行工況和駕駛習(xí)慣下提升混合動力汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的責(zé)任，同時還要兼顧電池壽命、整車部件的安全可靠性及成本，可謂任道而重遠(yuǎn)。混合動力汽車的電控系統(tǒng)還需在當(dāng)前的框架之下不斷完善其控制過程，來推動汽車工業(yè)的發(fā)展，這是我們要為之努力奮斗的方向。

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