混合动力电动汽车电机驱动控制系统.doc

1、1混合动力电动汽车电机驱动控制系统摘 要能源危机和环境污染这两大问题日益突出，因此开展新型动力汽车已刻不容缓。混合动力电动汽车(HEV)凭借其高效、节能、低污染的优势脱颖而出，成为了传统汽车向纯电动汽车的完美过渡，在提高功能效率和降低污染等方面有很好的应用前景。 本文首先介绍了混合动力电动汽车的分类，最终经比较选择了兼有串联式和并联式特点的混联式驱动方式。接着介绍了混合动力电动汽车的多能源动力总成系统的总体方案设计以及混联式驱动系统总体结构。之后，本文选用脉动转矩小、功率密度大、高控制精度的永磁电机（PMSM）作为驱动电机，着重介绍电机驱动控制系统，对电机控制系统的硬件进行了设计。系统硬件接口

2、电路包括主电路，IPM 驱动电路，电流、电压、位置及转速的检测电路等，同时为了系统安全稳定工作，设计了各种故障保护电路。接下来文中在研究了永磁同步电机的结构特点、工作原理、数学模型的基础上，对其控制策略进行了分析比较，最终选用将直接转矩控制（DTC）应用到永磁同步电机控制系统上，设计了 PMSM 的直接转矩控制框图，并用 MATLAB 进行了系统仿真。 本文还提出了一种将模糊控制与神经网络相结合的直接转矩智能控制方法，并采用基于蚁群优化算法的神经网络来建立磁链观测器。文中描述了算法的实现过程，最后对其进行仿真实验。仿真表明该算法的有效性，较传统控制系统动态响应加快，转矩脉动变小，稳态性能得到了

3、提高。 关键词：混合动力电动汽车；永磁同步电机；直接转矩；模糊神经网络；蚁群算法2目 录 摘要Abstract1 绪论 11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 电动汽车的发展简史及混合动力电动汽车的国内外的研究概况 21.3 混合动力电动汽车的发展趋势 41.4 混合动力电动汽车用电机驱动系统的发展现状 51.4.1 混合动力电动汽车中电动机的使用现状 51.4.2 混合动力电动汽车用永磁同步电机控制系统的发展现状 61.5 研究车用电机驱动系统的意义 71.6 本文的主要任务 72 混合动力电动汽车的分类及特点 92.1 混合动力电动汽车有关定义 92.2 混合动力汽车的基本原理 . 1

4、02.3 混合动力汽车的分类 . 102.4 串联混合动力电动汽车 . 102.4.1 串联混合动力电动汽车的结构与特点 . 102.4.2 串联式混合动力电动汽车的控制模式. 112.5 并联混合动力电动汽车. 122.5.1 并联混合动力电动汽车的结构与特点. 122.5.2 并联式混合动力电动汽车的控制模式. 1332.6 混联式混合动力电动汽车. 132.6.1 混联式混合动力电动汽车的结构与特点 132.6.2 混联式混合动力电动汽车的控制模式. 142.7 复合式混合动力电动汽车. 142.7.1 复合式混合动力电动汽车的结构与特点 142.7.2 复合式混合动力电动汽车的控制模式

5、. 152.8 混合动力电动汽车各驱动类型的比较. 152.9 本章小结 163 基于 CAN 总线的混合动力电动汽车多能源动力总成控制系统. 173.1 引言. 173.2 CAN 总线多能源动力总成系统方案设计. 183.3 混联式电动汽车驱动系统控制策略 203.4 本章小结 . 214 混合动力电动汽车电机驱动控制系统硬件设计. 224.1 混合电动汽车电机控制系统硬件整体结构 224.1.1 主控制器 DSP TMS320LF2407A 简述及外围电路设计. 234.1.2 主电路设计. 254.2 主要参量的检测及接口电路 284.2.1 电流检测与接口电路 . 284.2.2 电

6、压检测与接口电路 294.2.3 位置及转速检测与接口电路 304.3 故障检测及保护电路. 3344.3.1 过流检测保护电路 . 344.3.2 过压欠压检测保护电路. 354.3.3 过温检测保护电路. 364.3.4 故障综合及保护电路 374.4 键盘及显示控制电路 384.5 汽车档位油门给定电路设计 394.6 系统硬件采用的抗干扰措施 414.7 本章小结 415 永磁同步电机的原理及 DTC 控制与仿真分析. 425.1 永磁同步电动机的基本原理 425.1.1 永磁同步电动机的结构特点及工作原理 425.2 永磁同步电机的数学模型. 445.2.1 坐标变换 455.2.2

7、 定子电压和磁链方程 465.2.3 转矩方程 485.3 永磁同步电动机的基本控制策略 505.3.1 PMSM 直接转矩控制的原理. 525.3.2 定子磁链观测器. 525.3.3 电压空间矢量对定子磁链的影响. 535.4 PMSM 的 DTC 系统结构 575.4.1 建模仿真分析. 595.5 本章小结 6256 蚁群优化的模糊神经网络直接转矩永磁电机控制系统设计 636.1 模糊理论与神经网络结合的必要性 636.2 模糊神经网络直接转矩永磁电机控制系统设计 646.3 模糊直接转矩控制系统. 656.4 基于蚁群算法的神经网络在直接转矩中的应用 686.4.1 神经网络 686

8、.4.2 蚁群算法 696.4.3 蚁群神经网络的具体实现过程 . 706.5 仿真结果分析 . 726.6 本章小结 73结论 74参考文献 75作者简历 . 77学位论文数据集. 7961 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 自从 1885 年德国工程师卡尔本茨发明汽车以来，汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具，给人类的出行带来了极大的方便。汽车发展百年，其发展速度不断加快，已经与人们的日常生活密不可分。它的产生促进了人类文明和经济的迅猛发展，在人类的日常生活中占据了越来越重要的位置。 然而，汽车在推动世界经济发展、给人民生活带来便利的同时，也带来一系列的负面效应。比如说传统内

9、燃机燃烧后的产物二氧化碳、硫化物、氮化物等带来温室效应，臭氧层破坏和酸雨等环境问题。同时汽车在行驶过程中所释放出来的尾气和废气等带来的空气污染，危害人类生活环境和植物的生存条件1。汽车的能源需求主要是石油，但是目前石油资源匮乏，由此看来汽车的发展给环保、能源等带来巨大的挑战。人们不得不考虑未来汽车的动力问题，因此我们开发清洁、低油耗、高效智能的环保型汽车已成为必要的选择之一，电动汽车被认为是符合零排放标准的唯一可用技术，所以电动汽车迅速发展起来。自 20 世纪 70 年代后期，美国、中国、日本、澳大利亚、比利时、芬兰和前苏联等国都开始生产电动汽车，目前世界很多国家也都不惜投入大量的精力物力加入

10、到研究电动汽车队伍中来。 电动汽车广义上分为纯电动汽车、燃料电池汽车和混合电动汽车三种。纯电动汽车（EEV）用电动机取代发动机，纯粹用蓄电池发出的电能来驱动，因此纯电动汽车实现了零尾气排放，是真正的绿色环保汽车。但是，由于纯电动汽车对电池的要求很高，而目前蓄电池的发展技术受限，不能满足远距离行驶的需要，这些都限制了纯电动汽车的发展。燃料电池车（FCV）是指利用燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能，然后通过电机驱动的汽车。但是，燃料电池技术的安全性和价格仍需进一步改善。混合电动汽车（HEV）通常将发动机和电机混合使用，通过控制发动机和电机的能量分配和流动，实现减少油耗和排放的最终目的，是一种准环

11、保型的车辆。鉴于电动汽车的关键问题是一次充电续驶里程有限，在蓄电池技术未能突破之前，发展混合动力电动汽车，研究高效节能的电机驱动控制系统是实现电动汽车基本性能和解决这一关键问题的重要因素。混合电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案，在世界范围内成为新型汽车开发的热点。混合动力汽车可以通过回收制动能量来提高燃油经济性。传统汽车利用加速来获得动能，当需要减速时，传统汽车通过制动器，将动能转变为热能消耗掉；而混合动力汽车的驱动电机可当作发电机来使用，通过发电机来制动汽车，将汽车的动能转换为电能储存到蓄电池中。混合动力电动汽车是将新老技术结合的最佳产物，它既具有纯电动汽车的高效率和低排放

12、的性能，还具有传统汽车行驶里程长7和快速补充燃料的性能。 由此看来，混合动力电动汽车的研究和发展对解决能源危机和环境污染这两大人类面临的难题起到相当大的作用。同时，混合动力电动汽车驱动功能的实现涉及蓄电池、微处理器、电动机、电力电子等多学科领域，因此系统地研究并开发出高水平的电动机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平，对我国电动汽车的实用化和产业化具有重要意义。早在 1997 年 12 月的电动汽车国际会议上，大多数汽车工程师认为，在未来 10 年内世界上生产的汽车中混合动力汽车至少占 40%。日本丰田汽车公司宣称到 2010 年，混合动力汽车的生产量达到 150 万辆。有专家认为，混

13、合动力汽车的发展，己不再是汽车工业的一次简单的技术革新，而是一次新的汽车工业革命。 1.2 电动汽车的发展简史及混合动力电动汽车的国内外的研究概况 国外电动汽车的研究己有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发展是近十几年，而混合动力汽车的研发还不到十年。19 世纪末，许多美国、英国和法国的公司都开始生产电动汽车。据统计，到 1890 年在全世界 4200 辆汽车中，有 38%为电动汽车，40%为蒸汽车，22%为内燃机汽车。1911 年 Kettering 发明了汽车起动机，同时由于石油的大量开采，燃油汽车的续驶里程是电动汽车的 2-3 倍，使用成本低等种种优越，从此打破了电动汽车在市场上的主导

14、地位。因此到 20 世纪 30 年代，电动汽车几乎消失了。 直到 20 世纪 70 年代能源危机和石油短缺，人们开始考虑替代石油的其他能源，因此电动汽车又一次被人瞩目，世界许多国家都开始发展电动汽车。到 70 年代后期由于能源危机和石油短缺问题不是很严重，电动汽车的发展缓慢。第三次生机开始于 20 世纪 80 年代，世界上除了已存在的能源问题之外，内燃机汽车的排放污染，给全球的环境以灾难性的影响，因此开发生产无污染的交通工具成为各国所追求的目标，电动汽车的零污染优点，使其成为当代汽车发展的主要方向。 混合动力汽车作为一项崭新的技术，20 世纪 90 年代初以来，混合动力电动汽车的开发得到了美国

15、、日本和欧洲等许多发达国家的高度重视，国外知名的汽车公司投入巨资开始进行研制和开发，发展相当迅速，而国内目前还处于探索的初级阶段。 日本：日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司2。丰田汽车公司从 1971 年开始研制电动汽车，先后研制了从 EV-10 到 EV-40 的一系列电动车。并在 1997 年成功开发了实用的混合电动汽车 Prius,它是世界上第一种大批量生产的混合动力汽车，它的创新性得到了全世界的高度好评，目前累计销量已突破了 40 万辆，在混合动力汽车领域已经

16、走在了世界的最前列，并带动了汽车行业绿色环保技术的发展。最近丰田又推出了一种新型的 Post-Prius 混合动力系统。除了丰田以外，日本的本田、日产等汽车公司也不甘落后，分别研制了属于自己的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩。其中本田公司已投产的 Insight 混合动力汽车，被美国环保总8署评为 2001 年美国十大节能汽车的第一名，丰田汽车公司的 Prius 混合动力汽车3 则为第二名。 美国：美国是世界上最早关注并研制电动汽车的国家之一。美国的通用、福特等知名汽车公司在电动汽车发展中起着及其重要的作用。迄今为止已经研发出多款混合动力电动汽车，如克菜斯勒的 ESX3、福特的 Prodigy

17、 2000、Escape 通用的 Precept 和 Ben Z 等。但是美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比日本逊色不少，三大汽车公司仅仅都是小批量生产。 欧洲：欧洲一直以来都很重视电动汽车的研究和推广，取得了很大的成就。欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的电动汽车4。德国宝马公司于 1989 年推出 E30E，1991 年研制出第二代电动汽车 E36E，奔驰公司 1997 年 9 月，在法兰克福汽车展览会上推 出一款燃料电池电动汽车。其 HEV 的突出代表是法国的 Berlinge，法国雷诺公司开发研制的 VERT 和 HYMME 两款混合动力汽车已进行了 10000 公里的运行试

18、验。德国西门子和博世（Bosch）等著名零部件公司也积极与汽车公司联手研制混合动力汽车。目前，德国己有 20 辆混合动力大客车在运行，奥迪公司生产的混合动力电动汽车 Duo 也已经开始出租，预计四年内出租约 400 辆。我国也是研制电动汽车技术较早的国家之一。19 世纪 20 年代，上海就出现了蓄电池车，直到 20 世纪 70 年代末，由于诸多原因未能继续发展下来。进入 20 世纪 80 年代，随着国民经济突飞猛进的发展，逐步意识到内燃汽车给人类带来的环境污染的严重性和能源危机的紧迫性，我国的电动汽车研究便开始起步。目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心认证试验，各项指标均满足有关国家

19、标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司等单位研发的纯电动轿车，其整车指标已超过法国雪铁龙公司赠送的纯电动轿车，初步形成了关键技术的研发能力。 我国在“八五”和“九五”期间也进行了混合动力电动汽车的技术领域的开发。但所开发的混合动力电动汽车形式大部分都是串联式的，只是两种动力源简单的结合，缺乏统一协调，这与真正意义上的混合动力汽车还有很大差距。进入 2007 年以后，我国对于混合动力汽车的研制也进入了高峰期，一汽、东风、奇瑞、长安等汽车公司都投入了人力物力。长安汽车公司采用的同轴 ISG 轻度混合方案，在国内率先开展了混合动力专用发动机开发，并成功开发了第二轮功能样车和第三轮性能样车。一

20、汽丰田也推出了国内下线的丰田普锐斯，真正国产意义上的混合动力汽车也有很多例子，如长安杰勋 HEV，该车从整车、发动机到混合动力系统，均系完全自主研发。它除了具有基本功能外，还实现了怠速起停、动力助力、制动能量回收等标志性功能。但同国外电动汽车水平相比，我国的技术还有一定的距离。 1.3 混合动力电动汽车的发展趋势 虽然在未来的 20 年中燃料电池车的商业化速度也会加快，因为只有燃料电池车在续驶9里程和性能方面能与燃油车进行媲美。但是，由于燃料电池不可逆的特点，在制动和减速时无法回收能量，另外燃料电池汽车启动问题也是有待解决的。基于以上分析，混合动力电动汽车的产业化发展是必然的趋势。同时有的专家

21、还认为在未来的 30 年里，纯电动汽车和混合电动汽车有可能都会市场化，并且会占有各自的市场。纯电动汽车适合于特定的市场如交通、电价便宜和零排放管制的城市；而混合电动汽车适合于长途运输。不管新兴技术如何发展，我们的最终的目标是追求清洁、高效、智能的车俩。1.4 混合动力电动汽车用电机驱动系统的发展现状 混合动力电动汽车的发展关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等等。概括起来有三大关键技术，即电机驱动技术、能量存储技术和动力总成技术5。电机驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统，能量存储系统包括蓄电池和能量智能管理系统，动力总成系统包括动力源之间的工作协调和能量流的管理。电动

22、汽车存在的主要问题是初始成本高，行驶里程不理想，为解决行驶里程的问题，正在开发一些先进高能量密度的蓄电池电池。但蓄电池技术始终没有取得突破的进展，因此，在蓄电池取得突破进展之前，电机驱动系统技术的研究就显得十分重要，开发性能优良的电动机、高效的驱动控制系统和合理的动力总成系统直接影响了汽车的行驶性能、尾气排放量以及续驶里程。1.4.1 混合动力电动汽车中电动机的使用现状 目前混合动力电动汽车使用的电机主要有直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机等几种。 国内外电动汽车电机的使用情况：第一汽车集团公司的混合动力轿车CA7180AE 采用的是直流电机；三菱的串联 C

23、anter 混合动力车采用的是交流感应电机；丰田的 Coaster 混合动力车采用的也是交流感应电机，但丰田 Prius 采用的则是永磁同步交流电动机；东风电动车辆股份有限公司的混合动力客车EQ6110HEV 采用的是开关磁阻电机；戴姆勒克莱斯勒的 ESX3 采用的是直流永磁无刷电机。下面简单的介绍下各种电机的性能及特点。 直流电动机（DCM）技术成熟、速度控制简单，但由于其有换向器和电刷，直流电机驱动系统体积大，效率低，可靠性低且需要定期维护，存在着较大的问题，另外随着电子器件的发展，交流感应电机和永磁电动机将有取代直流电机的趋势；感应电机是应用最广的电动机，结构简单，牢固，可靠性高，成本和

24、维护费用也不高，其驱动技术最成熟，因此，混合动力驱动电机广泛采用感应电动机作为驱动电机。但其损耗高，要不断冷却电机，效率相对于永磁电机和开关磁阻电机也低，这都对感应电机在混合动力电动汽车中的应用有很大的影响；开关磁阻电机(SRM)被认为是混合动力汽车中最有潜力的汽车之一，它具有很多优点。但由于其运行时噪声大，转矩纹波大，难于控制等缺点，特别是功率变换器的结10构很复杂，电流波动和电磁干扰噪声等严重的影响了它的运用性能，加上其控制方法还不够成熟，因此目前的电动汽车很少应用该类电机；无刷直流电动机 (BDCM)具有功率密度大，转速和转矩密度高，易冷却的优点，但由于无刷直流电动机采用方波驱动，所以存

25、在一定程度的振动，其控制精度不高；永磁同步电机(PMSM)结构上与无刷直流电动机基本相似，不同之处在于 PMSM 采用的是正弦波驱动，所以在具备 BDCM 优点的同时，还具有低噪声，体积小，功率密度大，转动惯量小，脉动转矩小，高控制精度等独有的特点，特别适用于混合动力电动汽车电机驱动系统，以此达到减小系统体积，改善汽车加速性能和加强行驶平稳等目的。因此，PMSM 受到了全世界各大汽车生产厂家的高度重视，特别是日本在用于电动汽车的 PMSM 结构及其控制方法上做了大量研究，并取得了显著的成果。著名的丰田 Prius 混联式混合动力电动汽车采用了额定功率为 33kw 的 PMSM，日本 Nissa

26、n 公司的 Altra EV 使用了额定功率为 62kw 的 PMSM，混合动力电动汽车 Insight 采用了额定功率为 10kw 的 PMSM 等。 综合考虑各种电机的功率密度、效率、可控制性、可靠性、成熟性、成本等因素，永磁电机随着技术成熟和成本减低，将是最受欢迎的。因此，研究基于永磁电机的混合动力电动汽车的驱动系统，将在保证汽车行驶里程的前提下，缓解传统汽车排放对环境的危害以及对石油资源的过度消耗，这一研究将有深远的意义。1.4.2 混合动力电动汽车用永磁同步电机控制系统的发展现状 在蓄电池技术没有取得突破的情况下，为了满足电动汽车高速运行，混合电动汽车用永磁同步电动机的效率及功率密度

27、是一个很重要的指标，弱磁性能也是电动汽车用永磁同步电动机研究的另一个重要方面。 电动汽车用永磁同步电动机属于调速电机，供电电源是变频器。日本的本田公司电动汽车EVPLUS 中的永磁同步电动机转子采用了表面插入式结构。日本丰田公司的 Prius 混合动力车中的两台永磁同步电机转子采用内置径向式结构。 目前，在电动汽车驱动系统的控制器选择上，电机专用数字信号处理器(DSP)占了主导地 位。电动汽车中电力电子器件主要采用智能功率模块(IntelligentPower ModuleIPM)。早期的交流调速采用变压变频（VVVF)速度开环的方式，但这种调速方式是基于电机稳态模型的，在动态过程中磁链和转矩

28、的变化并没有实现很好的控制，所以动态性能比较差，难以满足高性能调速的要求。1971 年德国的 F.Blaschke 和美国学者 P.C.Custman 等人提出交流电机磁场定向控制理论和定子电压坐标变换原理，在此基础上发展起来的矢量控制是交流调速史上的一次质的飞跃。矢量控制是一般应用 PMSM 系统中采用的优良的控制方式。1985 年德国鲁尔大学教授 M.De Penbrock 和日本教授 I.Takahashi 分别提出了直接转矩控制 (DTC)方法，其中 M.De Penbrock 教授提出的 DTC 是基于六边形磁链轨迹的，而 I.Takahashi 教授提出的 DTC 则是基于圆形磁链

29、轨迹的。直接转矩控制技术采用空间11电压矢量的分析方法，其直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩。采用定子磁场定向的方法，借助离散的两点式调节 (BandBand 控制)产生 PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，来获得转矩的高动态性能，动态性能更好，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。目前，感应电机驱动的电动汽车用 DTC 控制器已研制成功。把直接转矩控制应用于电动汽车用永磁同步电动机的控制中，一定可以进一步提高电动汽车的动力性能,但是永磁同步电机的直接转矩技术却还不是很成熟。 1.5 研究车用电机驱动系统的意义 无论是研究串联、并联和混联式的混合驱动系统，电机驱动系统性能

30、的好坏直接影响整个混合驱动系统。在串联 HEV 中，驱动车轮的全部扭矩都由电动机提供，发动机则带动发电机产生电能，用于车用蓄电池充电。在并联 HEV 中，发动机通常工作于燃烧效率最佳的稳定状态，由电动机来补偿发动机与驾驶意图之间所产生的扭矩差。由此可见，电机驱动系统是混合动力汽车的关键部件，混合动力电动汽车对电机驱动系统要求较高，即它在高速、低速、加速、制动、上下坡等工况下都要能提供安全可靠的所需动力。1.6 本文的主要任务 本文主要工作包括以下几方面的内容：1)第一章绪论，主要通过阅读国内外文献，介绍了混合动力电动汽车的国内外研究现状及应用前景、发展趋势等。2)第二章论述了混合动力电动汽车的

31、分类及各类型的结构特点，并将各类型进行比较分析，本文最终选择混联式驱动。3)第三章介绍了混合动力电动汽车的动力总成系统的总体方案以及混联式驱动控制总体结构。 4)第四章对基于 DSP 的混合动力汽车电机驱动系统进行了硬件的设计。 5)第五章主要介绍了永磁同步电动机的工作原理、数学模型，直接转矩控制理论及 PMSM 直接转矩控制原理结构，并对其进行仿真。 6)第六章主要是在第五章的基础上介绍了一种动态性能更好的经过蚁群优化的模糊神经网络直接转矩控制系统，并对其仿真，与原始的直接转矩控制进行了仿真对比分析。 最后对本文所做的主要工作进行总结，并在现有研究基础上展望今后研究的方向。2 混合动力电动汽

32、车的分类及特点 2.1 混合动力电动汽车有关定义 混合动力电动汽车是指汽车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汽车5-7。国际电子技术委员会对混合动力车辆的定义为：“在特定的工作条件下，可以由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少由一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车”。一般认为混合动力电动汽车就是采用燃油发动机的动力进12行发电并驱动电动机的电动车。既有内燃机又有电动机驱动。 混合动力电动汽车结构系统由机械子系统、电力电子子系统、以及信息子系统等组成8。机械子系统包括底盘和车身、驱动装置、变速器以及电源箱体等；电力电子子系统主要包括能源、动力网、控制器

33、电动机系统等；信息系统主要利用通讯网络、数据处理算法等来处理驾驶员的意愿，监控汽车运行、电动机、控制器等工作状态的。其整体结构图如图 2.1 所示。混合动力电动汽车驱动系统，指的是所有的用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称，由车载能量源、原动机和传动系统三部分组成。本文研究的电机驱动控制系统则是混合动力电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。电机驱动控制系统分为电气和机械两大系统，其中电气系统包括控制器、功率转换器和驱动电机三部分。电机驱动控制器是电机驱动控制的核心，主要功能是采集与电机运行相关的输入信号，采用

34、合理的算法来处理这些信号，各种对电机操作的指令都是通过电机控制器来实现的。 图 2.1 混合动力电动汽车基本结构图2.2 混合动力汽车的基本原理 混合动力汽车的基本原理是采用内燃机和电动机作为混合的动力源，在一整套严密的控制策略的控制下，使燃料转换装置（内燃机）、储能装置（蓄电池）和电动机在运行工况下，尽可能工作在高效率、低排放区域；在汽车制动工况下，通过发电机或电动机工作象限的调整回收部分制动能量，从而大大改善汽车变工况行驶时的燃油经济性能、尾气排13放性能、续驶里程和其它使用性能。 2.3 混合动力汽车的分类 传统的混合动力车分为串联式和并联式，近年来根据驱动系统各部件在汽车上的位置及功能

35、可以分为以下四种类型:串联式、并联式、混联式和复合式2,6。下面简单的介绍下各驱动类型的结构特点。2.4 串联混合动力电动汽车 2.4.1 串联混合动力电动汽车的结构与特点 串联式混合动力电动汽车驱动系统是混合动力电动汽车最简单的一种，主要由发动机、发电机、功率转换器、蓄电池、电动机和传动装置等组成。结构如图 2.2 所示。系统中发动机作为原动机拖动发电机，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电以此来延长混合动力电动汽车的行驶里程，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。另外，蓄电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，这样使混合动力电动汽车在零污染状

36、态下纯电动运行。和燃油车相比较，它是一种发动机辅助性的电动汽车，主要是为了增加车辆的行驶里程。由于在发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器，因而它有一定的灵活性。图 2.2 串联式混合动力汽车示意图串联式混合动力汽车的主要特点是在纯电动模式下，内燃机和发电机一起工作来产生汽车运行所需要的电能，结构比较简单，是一种能量源的混合。单一的原动机传动系统，发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率比较高，能减少污染，有节能效果。但是发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能,由于机电能量转换和电池充放电的效率较低,使得燃油能量的利用率比较低。整个系统的规模庞大，增加了车辆成本及机构布置难

37、度。动力传递过程中，由于在能量转换中存在损失，因此降低了能量的利用率，其综合效率低于燃油汽车。 142.4.2 串联式混合动力电动汽车的控制模式 在串联式混合动力电动汽车上，由发动机带动发电机所产生的电能和电池输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶，电力驱动是唯一的驱动模式。车辆启动、正常行驶或加速行驶时，发动机与发电机直接相连和蓄电池一起产生电能传递给功率转换器来驱动电动机，然后通过机械传动装置来驱动车轮；当车辆轻载时，发动机发出的功率大于车辆所需要的功率，剩余的能量则通过发电机输送给蓄电池进行充电；当车辆制动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，通过功率转换器传给蓄电池进行充电；当

38、车辆停车时，发动机也可以通过发电机和功率变换器给蓄电池充电。这种驱动模式，可以减少发动机所受到的汽车运行工况的影响，使发动机进行最优地喷油和点火控制，使其在最佳工况点附近工作。 2.5 并联混合动力电动汽车 2.5.1 并联混合动力电动汽车的结构与特点 与串联式相比，它只需要两个驱动装置：发动机和电动机。结构如图 2.3 所示。并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统分别通过不同的离合器来驱动车轮。如果其中的一条驱动线路出了问题，另一个仍然可以驱动汽车。由于发动机与驱动车轮直接连接，所以发动机的运转情况受驱动工况的影响，该系统不需要发电机，因此提高了能量转化率。它是电力辅助型

39、的燃油车，目的是为了降低尾气排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于电动车所需的功率或再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量传送给蓄电池进行续驶里程充电。但是此时不能提供全部的动力资源，并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混合动力电动汽车上。 图 2.3 并联式混合动力汽车示意图并联混合型的主要特点是内燃机和电动机通过各自的驱动轴驱动车轮。省去了独立的15发电机，结构简单,能量利用率较高，使得并联式的燃油经济性比串联的高。两套动力装置要根据汽车状态进行切换。但由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响,因此不适于变化频繁的行驶工况，相比于串联式结构,需要较为复杂的变速装置和

40、动力复合装置以及传动机构。 2.5.2 并联式混合动力电动汽车的控制模式 当车辆启动时，发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需要的驱动能量；车辆正常行驶时，电动机关闭，仅由发动机工作提供车辆行驶需要的动力；车辆制动或减速时，电动机工作在发电机模式，通过功率转换器给蓄电池充电。由于发动机和电动机驱动同一个驱动轴，因此车辆轻载时，发动机发出的功率可以通过电动机转换为电能给蓄电池充电。目前，本田的 Insight 混合电动汽车采用的就是类似的驱动控制方式。通常有四种组合驱动方式:驱动力结合式、双轴式转矩结合式、单轴式转速结合式和转速结合式。 2.6 混联式混合动力电动汽车 2.6.1 混联式混合动

41、力电动汽车的结构与特点 混联式混合电动汽车在结构上综合了串并联式的特点。如图 2.4 所示，发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给传动装置驱动车轮,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能传送给电动机或蓄电池,电动机产生的驱动力通过传动装置传送给驱动桥来驱动车轮。其控制策略为:在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时,则以并联方式为主。图 2.4 混联式混合动力汽车示意图混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、电动机等16部件进行更好的优化匹配, 可以使发动机经常保持在高效率，低排放的平稳工况下工作9。车辆可以以发动机，电动机多种合成方

42、式驱动。从而保证了在更复杂的工况下同样使系统工作在最优状态下,更容易实现排放和油耗的控制目标,因此是最具影响力的。但是总体结构很复杂，质量大，维修不便。由于它有多种驱动模式，对控制系统的功能和精度等要求很高，也增加了制造成本。丰田的 Prius 就是混联型混合动力电动汽车的最典型代表。2.6.2 混联式混合动力电动汽车的控制模式 混联兼有串并联的特点，因此它有很多控制模式。主要分为两种：发动机主动型，电力主动型2。在市区运行时发动机直接带动电动/发电机发电，主要以电力驱动模式来驱动，使得更加接近“电动汽车”的运行状态，在郊外或高速公路上行驶时又可以充分发挥发动机驱动模式的效能。简单的介绍下电力

43、主动型，当车辆启动或轻载运行时，发动机关闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动汽车；车辆正常运行、加速行驶时，发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需要的功率。通常用行星齿轮机构将一部分功率用于驱动车辆，一部分用来驱动发电机；车辆减速或制动时，电动机工作在发电机模式并通过功率转换器给蓄电池充电；停车时，发动机也可以通过发电机给蓄电池充电，丰田的 Prius 混合动力电动汽车就采用了这种控制方式。可利用离合器使该系统在串联和并联系统之间切换。当汽车在城市里行驶时，要求低排放，此时可以断开离合器，系统工作在串联模式；而当高速行驶时，有较高的负载要求，串联系统由于发动机的高功率输出而不能有效工作，于是结合

44、离合器，转变为并联系统模式。 2.7 复合式混合动力电动汽车 2.7.1 复合式混合动力电动汽车的结构与特点 复合式的结构与混联相似，但两者有一定的区别，主要在于复合型中的发电机允许功率流双向流动，而混联型中的发电机只允许功率流单向流动。双向流动有更多的控制模式，现在有些新型的电动汽车采用这种复合式系统。17图 2.5 复合式混合动力汽车示意图2.7.2 复合式混合动力电动汽车的控制模式 复合式混合动力电动汽车的发展主要集中于双轴驱动混合动力系统。该系统，前轴和后轴之间没有转换器或驱动轴相连，这样可以大大减轻驱动系统的重量，增强车辆装配的灵活性，而且同时回收 4 个车轮的制动动能，可以大大提高

45、车辆的燃油利用率2。该复合式 HEV 主要有前轴混合驱动后轴电驱动和前轴电驱动后轴混合驱动两种驱动方式。 2.8 混合动力电动汽车各驱动类型的比较 各类驱动类型都有其各自的特点，串联式混合动力电动汽车完全依靠电动机提供动力，发动机、发电机和电动机的功率都很大；而且它对电池的要求较高，电池的重量、体积、成本相对较高，价格性能比较低。并联式混合动力电动汽车主要依赖于发动机提供动力，能量传递损失较小，但是排放污染最大，发动机的燃烧效率不高5。从低尾气排放角度来看，串联式电动车的性能要优于其他的驱动类型；从动力总成和驱动模式来看，串联结构简单，并联结构较复杂，而混联式结构最复杂，他们都能回收制动能量，

46、混联式的传动功率最高。从燃油经济性来看，混联式电动车燃油经济性最好。因此混联方式是相对完善的混合动力驱动方式，能够有效地弥补串联式和并联式的不足，但其结构复杂，成本高。经过综合比较分析后，本文采用的是混联式结构的混合动力电动汽车，其结构如图 2.4 所示。2.9 本章小结 本章主要论述了混合动力电动汽车的四种驱动方式:串联式、并联式、混联式和复合式。然后对这四种类型的混合动力电动汽车的结构和特点分别进行了介绍，并做了综合比较，最后通过比较分析，选定了混联式结构的混合动力电动汽车的电机驱动控制进行研究。183 基于 CAN 总线的混合动力电动汽车多能源动力总成控制系统 3.1 引言 对于混合动力

47、电动汽车来说，多能源动力总成系统设计是关系车辆性能的重要因素，为了节约能源，还需要设计合理的控制策略来保证电源的最佳利用率。针对现代工业的生产过程越来越复杂，对自动控制的要求已经不仅仅是实现个别变量的稳定，而是要求实现多个变量的最优控制6。在生产自动化控制领域，集中式控制系统得到了广泛的应用，但是由于各种功能集中在一台计算机上，因此需要庞大而复杂的软件系统，使系统的软件可靠性下降，计算运行速度下降。而且如果当计算机发生故障时，将影响整个系统的运行，甚至导致整个系统瘫痪。在这种情况下，分布式控制系统以高可靠性、高灵活性和操控简便得到广大工业用户的青睐，广泛应用于电力、冶金、造纸和石油等工业领域。

48、本文将采用的是分布式控制系统方案。 相对于集中式控制系统而言，分布式控制系统是一种新型计算机控制系统。它是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT 技术和控制技术即 4C 技术于一体的新型控制系统。其基本思想是分散控制、分级管理、集中操作、组态方便。可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。随着现代工业的发展，实现分布控制是现代控制技术中的一个重要发展方向。分布式控制系统中的网络必须是一个实时性很强的网络，该网络需要根据现场通信实时性的要求将数据上传或下载。 该系统主要包括动力总成控制单元、发动机电

49、控单元、电机控制器、AMT 控制器及动力电池管理系统10。其中的动力总成单元用来确定电动机和发动机输出功率的比例，以此来满足汽车的动力性能、排放性等性能指标。在这个总成系统中，本文采用的是分布式控制，多能源控制器的主控单元选用的 DSP TMS320LF24O7A，通过 CAN 总线与电机控制器、电池控制器、机械式自动变速器、发动机控制器、人机界面等系统进行信息通信与控制。在通信过程中，DSP 控制芯片作为总的控制器核心，处理各个控制器部件之间的通信运作问题，并且每个控制器本身也有独立的控制芯片来完成自身的控制任务。其分布式控制方案如图 3.1 所示。19图 3.1 多能源动力总成系统分布式控制方案3.2 CAN 总线多能源动力总成系统方案设计 多能源动力总成系统主要用于实现发动机工况的优化运行。在正常行使的情况下，发动机的能量分为两路，一路传递给车辆传动与推进系统，驱动车辆正常行驶，另一路则带动电机工作，向蓄电池供电。通过 CAN 总线实现了各个控制器模块之间的数据传输和通信，达到了资源信息共享的目的6。由于本系统采用的是分布式控制方式，即使当 CAN 总线发生故障，每个控制器模块也能单独完成自身的操作任务，不会造成整个系统瘫痪的严重后果。