石油資源的日益減少和人們環(huán)保意識(shí)的提高，迫切需要可節(jié)省能源和低排放甚至是零排放的綠色環(huán)保汽車產(chǎn)品。為此，世界各國(guó)政府以及各大汽車制造商都在加大力度研發(fā)各種不同類型的電動(dòng)汽車，主要包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車。從當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展情況來看，純電動(dòng)汽車由于受到電池性能的局限，續(xù)駛里程較短，難以推廣應(yīng)用。燃料電池汽車的基礎(chǔ)設(shè)施投入巨大，車輛成本極高，更不易在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。而混合動(dòng)力汽車具有節(jié)約能源、排放污染低、續(xù)駛里程長(zhǎng)、不改變基礎(chǔ)設(shè)施的突出優(yōu)點(diǎn)，是目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最佳產(chǎn)品。日本豐田、本田、美國(guó)福特等公司已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)了成熟的混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品，并在歐美及本國(guó)市場(chǎng)批量銷售。本文在對(duì)混合動(dòng)力汽車的技術(shù)狀況進(jìn)行簡(jiǎn)要地概述后，介紹了自行研發(fā)的基于行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的貨車混合動(dòng)力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的幾種工作模式。

1 混合動(dòng)力汽車的分類

    混合動(dòng)力汽車是采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過混合使用熱能和電力2 套系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)汽車，達(dá)到節(jié)省燃料和降低排氣污染的目的。使用的內(nèi)燃機(jī)既有柴油機(jī)又有汽油機(jī)，但共同的特點(diǎn)是排量小、質(zhì)量輕、速度高、排放好。使用的電動(dòng)力系統(tǒng)中包括高效強(qiáng)化的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和蓄電池。

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（SHEV）

    SHEV（Series Hybrid Electric Vehicle）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，再帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接參與SHEV 的驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力系統(tǒng)采用電傳動(dòng)的方式，同時(shí)也為蓄電池充電，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)由蓄電池的電能通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。

    SHEV 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)力特性更加趨近于純電動(dòng)汽車。SHEV 的缺點(diǎn)是在熱能-電能-機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換過程中，總效率低于內(nèi)燃機(jī)汽車。整個(gè)系統(tǒng)體積大，質(zhì)量重，一般適合大型客車采用，其結(jié)構(gòu)框圖參見文獻(xiàn)。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）

    PHEV（Parallel Hybrid Electric Vehicle）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過變速箱驅(qū)動(dòng)汽車，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過蓄電池及電動(dòng)機(jī)也并聯(lián)驅(qū)動(dòng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作在最佳工況下，起動(dòng)、加速及高速行駛時(shí)電力系統(tǒng)參加工作。因此可以采用較小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使得整個(gè)動(dòng)力總成的尺寸較小，質(zhì)量較輕，造價(jià)也較低。

    PHEV以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)被控制在低油耗、高效率和低污染的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。沒有了SHEV在熱能-電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗，動(dòng)力特性更加趨近于內(nèi)燃機(jī)汽車。然而，并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一套嚴(yán)密的控制策略和復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

1.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PSHEV）

    PSHEV （ Parallel-Series Combined Hybrid Electric Vehicle）綜合了SHEV 和PHEV 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以組合成更多形式的混合驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模式。它既可以實(shí)現(xiàn)車載能源環(huán)節(jié)的聯(lián)合，也可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系環(huán)節(jié)的聯(lián)合。這種結(jié)構(gòu)典型的例子就是日本豐田公司的Prius 混合動(dòng)力轎車。

2 基于PLC 控制的HEV 研發(fā)

2.1 HEV 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    本研究的混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示，它是在一臺(tái)前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)的小型貨車上增加了一個(gè)三相變頻永磁同步電機(jī)、傳動(dòng)箱及相關(guān)控制系統(tǒng)。傳動(dòng)箱包括一個(gè)單排行星齒輪機(jī)構(gòu)，制動(dòng)器A，制動(dòng)器B，離合器A1，離合器B1，皮帶輪C，皮帶輪D，傳動(dòng)箱控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，螺母螺桿，搖桿，制動(dòng)拉索，分離軸承等部件。傳動(dòng)箱控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)螺桿正反轉(zhuǎn)，螺桿正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)與之嚙合的螺母沿軸向左右移動(dòng)，螺母再同時(shí)帶動(dòng)制動(dòng)器拉索，搖桿和分離軸承來分離結(jié)合2 個(gè)制動(dòng)器和離合器。其中離合器采用傳統(tǒng)的膜片彈簧式摩擦離合器，通過搖桿推拉分離軸承來分離和結(jié)合。制動(dòng)器是采用自增力式的盤式制動(dòng)器，通過制動(dòng)鋼絲拉索拉動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力。同步電機(jī)通過花鍵軸與兩離合器摩擦盤常嚙合，兩離合器外殼分別與兩制動(dòng)器制動(dòng)盤固聯(lián)，而且通過制動(dòng)盤上固聯(lián)的皮帶輪分別通過皮帶與皮帶輪C，D 連接。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)離合器、變速箱與皮帶輪D 和行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈連接，皮帶輪C 與太陽輪固聯(lián)，最終的動(dòng)力將從行星架輸出，經(jīng)傳動(dòng)軸傳至車輪。

圖1 混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.1.2 傳動(dòng)箱的傳動(dòng)控制

如表1 所示，傳動(dòng)箱具有3 種傳輸途徑。傳動(dòng)箱上的傳動(dòng)箱電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿正反旋轉(zhuǎn)，使螺桿上的螺母處于左、中、右3 個(gè)位置，螺母拉動(dòng)搖桿和制動(dòng)拉索分離或結(jié)合離合器、制動(dòng)器。

    傳動(dòng)箱電機(jī)的工作有主控制器PLC 來控制。PLC 根據(jù)汽車所處的工作模式及傳動(dòng)箱位置傳感器信號(hào)，控制2 個(gè)繼電器1，2 的工作，再由繼電器來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因?yàn)殡姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)有一定的慣性，容易導(dǎo)致螺母的位置不準(zhǔn)確，離合器、制動(dòng)器的正常工作，為了減小電機(jī)的慣性，在傳動(dòng)箱電機(jī)斷電時(shí)，需用導(dǎo)線將傳動(dòng)箱電機(jī)兩極短路使之能耗制動(dòng)。另外電機(jī)的其中一個(gè)接線柱通過外殼搭鐵，而發(fā)動(dòng)機(jī)蓄電池負(fù)極也是搭鐵的，為了避免短路，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)不能共用電源。圖2 是傳動(dòng)箱傳動(dòng)控制的電路圖。

圖2 傳動(dòng)箱傳動(dòng)控制電路圖

2.2 混合動(dòng)力汽車的工作模式

    本研究的混合動(dòng)力汽車有包括5 種工作模式，如表2 所示。汽車行駛時(shí)的主控制器根據(jù)實(shí)際的行車工況，自動(dòng)采用合適的工作模式。

1）純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工作模式

   車輛起步及低速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，由變頻同步電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車。動(dòng)力傳輸途徑為：電機(jī)→離合器B→皮帶輪C→太陽輪→行星架→車輪。

2）純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式

    在大部分情況下，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)帶動(dòng)汽車行駛。在該模式下，電機(jī)不工作，動(dòng)力傳輸途徑有2 種：

3）并聯(lián)驅(qū)動(dòng)工作模式

    在汽車處于加速或者大負(fù)荷工況時(shí)，電動(dòng)機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，動(dòng)力傳輸途徑有2 種：

4）發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及發(fā)電工作模式

    在電池組荷電狀態(tài)較低情況下，汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，給電池組充電。動(dòng)力傳輸途徑有2 種：

5）能量回饋制動(dòng)工作模式

    車輛需要緩速或下坡限速時(shí)，主控制器根據(jù)制動(dòng)踏板信號(hào)，向電機(jī)發(fā)出信號(hào)，使其處于反拖發(fā)電狀態(tài)，向電池組回饋電能。當(dāng)制動(dòng)踏板信號(hào)繼續(xù)增大時(shí)，使原有機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)也開始工作，以首先保證滿足制動(dòng)安全性的需要。動(dòng)力傳輸途徑有2 種：

2.3 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案

    如圖3 所示，本研究的混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用PLC（可編程序控制器）作為主控制器，主控制器根據(jù)油門踏板傳感器、制動(dòng)踏板傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、車速傳感器、傳動(dòng)箱位置傳感器、電源荷電狀態(tài)等一系列信號(hào)，確定混合動(dòng)力汽車的工作模式，控制傳動(dòng)箱的傳輸途徑，通過RS485 串行通訊控制發(fā)動(dòng)機(jī)和同步電機(jī)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）工作。

圖3 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案

    驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各控制器之間采用單主機(jī)/多從機(jī)的組網(wǎng)方式，PLC 主控制器為主機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門控制器（舵機(jī)控制器）、同步電機(jī)變頻器等為從機(jī)。采用RS485 接口：異步，半雙工，采用MODBUS 協(xié)議，波特率9600bps，數(shù)據(jù)格式：1-8-N-2，RTU。主控制器采用艾默生公司的PLC，結(jié)構(gòu)小巧，運(yùn)算速度快，抗干擾能力較強(qiáng)，可靠性較好；支持開關(guān)量、模擬量輸入輸出，支持高頻輸入輸出；有2 個(gè)異步串行通訊端口：PORT0：RS232，PORT1：

    RS232 或RS485；支持編程口協(xié)議、MODBUS 協(xié)議、自由口協(xié)議、ECBUS（艾默生專用協(xié)議），可組成1:N，N:N 網(wǎng)絡(luò)等。

    發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門的開度采用一個(gè)舵機(jī)（特殊電機(jī)）來驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)通過舵機(jī)控制器來控制。舵機(jī)控制器采用89C52 芯片，為舵機(jī)提供固定頻率不同占空比的脈沖輸入，改變占空比可以改變舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而改變節(jié)氣門開度。主控制器通過RS485 串行通訊

    給舵機(jī)控制器發(fā)送節(jié)氣門開度指令。另外，由于同步電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)電磁式的車速傳感器會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，所以，車速傳感器采用抗干擾能力較強(qiáng)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器?；魻柺杰囁賯鞲衅鲗④囁傩盘?hào)傳送給舵機(jī)控制器，再通過舵機(jī)控制器傳送給PLC。

2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇及控制

2.4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型選擇

    因交流永磁同步電機(jī)具有無電刷、低轉(zhuǎn)子損耗，較高運(yùn)行效率；同樣體積的電機(jī)，永磁電機(jī)可輸出更大的功率；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可獲得較高的加速度；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，可得到平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，尤其在極低的速度下能滿足有高精度位置控制的要求；零轉(zhuǎn)速時(shí)有控制轉(zhuǎn)矩，可做到高速運(yùn)行，并且能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，適合車用，所以選擇永磁同步交流電機(jī)作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

    混合動(dòng)力汽車的混合度是指混合動(dòng)力汽車電系統(tǒng)功率與驅(qū)動(dòng)總功率的比值。針對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，混合度fr為：

    混合度在10%以下的為微混合動(dòng)力系統(tǒng)，10%-20%為輕混合動(dòng)力系統(tǒng)，20%-30%為中混合動(dòng)力系統(tǒng)，30%以上的為完全混合動(dòng)力系統(tǒng)。我們研究的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車屬于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，屬于中混合動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為38kW，永磁同步電機(jī)功率為13kW，混合度為25%。所選的同步電機(jī)的其他主要參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定頻率100Hz，極對(duì)數(shù)為4，額定電壓380V。

2.4.2 電機(jī)控制

    同步電機(jī)的控制器采用艾默生公司的EV6000變頻器，支持直流輸入、PWM 波交流輸出，支持RS485 串行通訊，直流輸入為500V 等。主控制器PLC可以通過RS485 串行通訊完成對(duì)變頻器控制參數(shù)（啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行頻率、停車方式、加減速時(shí)間等）的修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)同步電機(jī)工作的間接控制，還可以通過檢索變頻器狀態(tài)參數(shù)獲取變頻器運(yùn)行頻率、輸出電流、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

    因?yàn)檐囉秒姍C(jī)要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩和速度控制精度較高，而且作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要頻繁啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)發(fā)電等，所以需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)行跟蹤和判別，這需要在電機(jī)軸上安裝PG（編碼器），并對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩矢量控制。結(jié)合電動(dòng)汽車的特點(diǎn)，同步電機(jī)采用速度控制，在矢量控制方式下，通過設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的比例增益P 和積分時(shí)間I，可以改變矢量控制的速度響應(yīng)特性。

3 討 論

    作者項(xiàng)目組利用PLC作為主控制器，在對(duì)原車的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加雙離合器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力電動(dòng)車的基本功能。眾所周知，混合動(dòng)力汽車技術(shù)開發(fā)的核心是混合動(dòng)力總成的參數(shù)匹配、控制算法以及多能源系統(tǒng)控制技術(shù)。因此，課題組將研究混合動(dòng)力總成的參數(shù)匹配、控制算法以及多能源系統(tǒng)控制，完成試驗(yàn)驗(yàn)證作為下一步研究的重點(diǎn)，為混合動(dòng)力總成的控制系統(tǒng)開發(fā)和整車方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。具體如下：

1）混合動(dòng)力汽車總成元件參數(shù)匹配與控制參數(shù)優(yōu)化。主要任務(wù)是確定合理的總成部件參數(shù)與總成控制參數(shù)，其目的是使設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車在理論上滿足預(yù)定的整車動(dòng)力性能指標(biāo)的同時(shí)，也滿足整車經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

2）混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成的核心技術(shù)是控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)?；旌蟿?dòng)力總成控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中控制軟件的開發(fā)是其研發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。將以混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)和整車控制策略為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)混合動(dòng)力汽車的硬件和軟件控制系統(tǒng)。

本研究利用PLC 作為主控制器，主要是考慮利用PLC 對(duì)變頻器方便、快捷地控制，以便更好地控制同步電機(jī)。但是，從混合動(dòng)力電動(dòng)車整體控制考慮以及行業(yè)內(nèi)的流行方案，還是以嵌入式的單片機(jī)作為主控制器更為合適。

3）動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)、控制參數(shù)的匹配和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)僅是研發(fā)工作的第一步，第二步則要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，包括零部件試驗(yàn)和整車臺(tái)架試驗(yàn)。對(duì)整車設(shè)計(jì)而言，臺(tái)架試驗(yàn)不但可以縮短混合動(dòng)力汽車整車試驗(yàn)周期，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本，而且可以指導(dǎo)相關(guān)零部件的研發(fā)，而控制策略臺(tái)架試驗(yàn)是整車臺(tái)架試驗(yàn)的第一步。本課題組準(zhǔn)備將以上研究作為基礎(chǔ)，提出混合動(dòng)力汽車控制策略臺(tái)架試驗(yàn)方案，繼而在該臺(tái)架上完成控制策略臺(tái)架試驗(yàn)，并給出試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理的結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)論，為混合動(dòng)力汽車其他車型的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。