石油資源的日益減少和人們環(huán)保意識的提高，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汽車，主要包括純電動汽車、混合動力汽車、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)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。而混合動力汽車具有節(jié)約能源、排放污染低、續(xù)駛里程長、不改變基礎(chǔ)設(shè)施的突出優(yōu)點，是目前實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最佳產(chǎn)品。日本豐田、本田、美國福特等公司已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)了成熟的混合動力汽車產(chǎn)品，并在歐美及本國市場批量銷售。本文在對混合動力汽車的技術(shù)狀況進行簡要地概述后，介紹了自行研發(fā)的基于行星齒輪傳動機構(gòu)的貨車混合動力機械傳動系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)的幾種工作模式。

1 混合動力汽車的分類

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

1.1 串聯(lián)式混合動力電動汽車（SHEV）

    SHEV（Series Hybrid Electric Vehicle）驅(qū)動系統(tǒng)是由發(fā)動機帶動發(fā)電機，再帶動電動機驅(qū)動汽車，發(fā)動機不直接參與SHEV 的驅(qū)動。動力系統(tǒng)采用電傳動的方式，同時也為蓄電池充電，當(dāng)發(fā)動機停止時由蓄電池的電能通過電動機驅(qū)動汽車。

    SHEV 驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)比較簡單，動力特性更加趨近于純電動汽車。SHEV 的缺點是在熱能-電能-機械能之間的轉(zhuǎn)換過程中，總效率低于內(nèi)燃機汽車。整個系統(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。

1.2 并聯(lián)式混合動力電動汽車（PHEV）

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

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

1.3 混聯(lián)式混合動力電動汽車（PSHEV）

    PSHEV （ Parallel-Series Combined Hybrid Electric Vehicle）綜合了SHEV 和PHEV 的結(jié)構(gòu)特點，可以組合成更多形式的混合驅(qū)動的驅(qū)動模式。它既可以實現(xiàn)車載能源環(huán)節(jié)的聯(lián)合，也可實現(xiàn)傳動系環(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 混合動力轎車。

2 基于PLC 控制的HEV 研發(fā)

2.1 HEV 傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 傳動系統(tǒng)總體設(shè)計

    本研究的混合動力汽車傳動系統(tǒng)如圖1 所示，它是在一臺前置發(fā)動機后輪驅(qū)動的小型貨車上增加了一個三相變頻永磁同步電機、傳動箱及相關(guān)控制系統(tǒng)。傳動箱包括一個單排行星齒輪機構(gòu)，制動器A，制動器B，離合器A1，離合器B1，皮帶輪C，皮帶輪D，傳動箱控制驅(qū)動電機，螺母螺桿，搖桿，制動拉索，分離軸承等部件。傳動箱控制驅(qū)動電機通過減速機構(gòu)帶動螺桿正反轉(zhuǎn)，螺桿正反轉(zhuǎn)帶動與之嚙合的螺母沿軸向左右移動，螺母再同時帶動制動器拉索，搖桿和分離軸承來分離結(jié)合2 個制動器和離合器。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。制動器是采用自增力式的盤式制動器，通過制動鋼絲拉索拉動產(chǎn)生制動力。同步電機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器制動盤固聯(lián)，而且通過制動盤上固聯(lián)的皮帶輪分別通過皮帶與皮帶輪C，D 連接。發(fā)動機動力經(jīng)離合器、變速箱與皮帶輪D 和行星齒輪機構(gòu)的齒圈連接，皮帶輪C 與太陽輪固聯(lián)，最終的動力將從行星架輸出，經(jīng)傳動軸傳至車輪。

圖1 混合動力汽車傳動系統(tǒng)示意圖

2.1.2 傳動箱的傳動控制

如表1 所示，傳動箱具有3 種傳輸途徑。傳動箱上的傳動箱電機驅(qū)動螺桿正反旋轉(zhuǎn)，使螺桿上的螺母處于左、中、右3 個位置，螺母拉動搖桿和制動拉索分離或結(jié)合離合器、制動器。

    傳動箱電機的工作有主控制器PLC 來控制。PLC 根據(jù)汽車所處的工作模式及傳動箱位置傳感器信號，控制2 個繼電器1，2 的工作，再由繼電器來控制電機的正反轉(zhuǎn)。因為電機的旋轉(zhuǎn)有一定的慣性，容易導(dǎo)致螺母的位置不準(zhǔn)確，離合器、制動器的正常工作，為了減小電機的慣性，在傳動箱電機斷電時，需用導(dǎo)線將傳動箱電機兩極短路使之能耗制動。另外電機的其中一個接線柱通過外殼搭鐵，而發(fā)動機蓄電池負極也是搭鐵的，為了避免短路，電機與發(fā)動機不能共用電源。圖2 是傳動箱傳動控制的電路圖。

圖2 傳動箱傳動控制電路圖

2.2 混合動力汽車的工作模式

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

1）純電動驅(qū)動工作模式

   車輛起步及低速時，發(fā)動機不工作，由變頻同步電機單獨驅(qū)動汽車。動力傳輸途徑為：電機→離合器B→皮帶輪C→太陽輪→行星架→車輪。

2）純發(fā)動機驅(qū)動工作模式

    在大部分情況下，由發(fā)動機單獨帶動汽車行駛。在該模式下，電機不工作，動力傳輸途徑有2 種：

3）并聯(lián)驅(qū)動工作模式

    在汽車處于加速或者大負荷工況時，電動機輔助發(fā)動機驅(qū)動汽車，動力傳輸途徑有2 種：

4）發(fā)動機驅(qū)動及發(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)動機驅(qū)動，同時發(fā)動機帶動電機發(fā)電，給電池組充電。動力傳輸途徑有2 種：

5）能量回饋制動工作模式

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

2.3 混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制方案

    如圖3 所示，本研究的混合動力汽車驅(qū)動系統(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、制動踏板傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、車速傳感器、傳動箱位置傳感器、電源荷電狀態(tài)等一系列信號，確定混合動力汽車的工作模式，控制傳動箱的傳輸途徑，通過RS485 串行通訊控制發(fā)動機和同步電機（驅(qū)動電機）工作。

圖3 混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制方案

    驅(qū)動系統(tǒng)各控制器之間采用單主機/多從機的組網(wǎng)方式，PLC 主控制器為主機，發(fā)動機節(jié)氣門控制器（舵機控制器）、同步電機變頻器等為從機。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，運算速度快，抗干擾能力較強，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)動機節(jié)氣門的開度采用一個舵機（特殊電機）來驅(qū)動，舵機通過舵機控制器來控制。舵機控制器采用89C52 芯片，為舵機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

    給舵機控制器發(fā)送節(jié)氣門開度指令。另外，由于同步電機工作時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場對電磁式的車速傳感器會產(chǎn)生較大的干擾，所以，車速傳感器采用抗干擾能力較強的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器?；魻柺杰囁賯鞲衅鲗④囁傩盘杺魉徒o舵機控制器，再通過舵機控制器傳送給PLC。

2.4 驅(qū)動電機的選擇及控制

2.4.1 驅(qū)動電機類型選擇

    因交流永磁同步電機具有無電刷、低轉(zhuǎn)子損耗，較高運行效率；同樣體積的電機，永磁電機可輸出更大的功率；轉(zhuǎn)動慣量小，可獲得較高的加速度；轉(zhuǎn)矩脈動小，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)速時有控制轉(zhuǎn)矩，可做到高速運行，并且能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)等優(yōu)點，適合車用，所以選擇永磁同步交流電機作為混合動力電動汽車的驅(qū)動電機。

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

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

2.4.2 電機控制

    同步電機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 串行通訊完成對變頻器控制參數(shù)（啟動、正反轉(zhuǎn)、運行頻率、停車方式、加減速時間等）的修改，實現(xiàn)對同步電機工作的間接控制，還可以通過檢索變頻器狀態(tài)參數(shù)獲取變頻器運行頻率、輸出電流、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

    因為車用電機要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩和速度控制精度較高，而且作為驅(qū)動電機，需要頻繁啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)、驅(qū)動發(fā)電等，所以需要對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速方向進行跟蹤和判別，這需要在電機軸上安裝PG（編碼器），并對電機進行轉(zhuǎn)矩矢量控制。結(jié)合電動汽車的特點，同步電機采用速度控制，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 和積分時間I，可以改變矢量控制的速度響應(yīng)特性。

3 討 論

    作者項目組利用PLC作為主控制器，在對原車的傳動系統(tǒng)進行改造，增加雙離合器的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了混合動力電動車的基本功能。眾所周知，混合動力汽車技術(shù)開發(fā)的核心是混合動力總成的參數(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，完成試驗驗證作為下一步研究的重點，為混合動力總成的控制系統(tǒng)開發(fā)和整車方案設(shè)計提供理論依據(jù)。具體如下：

1）混合動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)計的混合動力汽車在理論上滿足預(yù)定的整車動力性能指標(biāo)的同時，也滿足整車經(jīng)濟性能指標(biāo)。

2）混合動力汽車動力總成的核心技術(shù)是控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)。混合動力總成控制系統(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。將以混合動力汽車動力傳動系結(jié)構(gòu)和整車控制策略為基礎(chǔ)，設(shè)計混合動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 對變頻器方便、快捷地控制，以便更好地控制同步電機。但是，從混合動力電動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作為主控制器更為合適。

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