1、电动汽车控制技术的研究进展摘 要汽车控制技术是推动汽车工业可持续发展的重要保障。在全球汽车行业竞争日益激烈的背景下，如何通过理论与方法的创新，提高我国汽车控制系统的自主研发能力，完成从消费大国向制造强国的过渡是我们目前面临的重大挑战。本文主要围绕新能源汽车的关键控制问题进行论述，其主要包括：混合动力汽车扭矩需求管理、电动汽车电池管理系统、电机驱动控制、能量回收控制，总结国内外的研究状况，提炼共性问题，对电动汽车控制的发展趋势给出了一些观点。关键词：电动汽车 扭矩需求管理 电池管理系统 能量回收控制AbstractAutomobile control technology is an impor
2、tant guarantee to promote the sustainable development of the automobile industry. Under the background of increasingly fierce competition in the global automotive industry, how to improve the independent research and development capability of Chinas automobile control system through the innovation o
3、f theory and method and complete the transition from consuming country to manufacturing country are the major challenges we are facing. This paper focuses on the key control issues of new energy vehicles, including: hybrid vehicle torque demand management, electric vehicle battery management system,
4、 motor drive control, energy recovery control. And summarizes the research situation at home and abroad, refines common problems, gives some views about the development trend of electric vehicle control.Key words: Electric Vehicle Torque demand management Battery management system Energy recovery co
5、ntrol1 前言能源枯竭、环境污染已经成为当前社会亟需解决的问题。电动汽车在节能减排、遏制气候变暖以及保障石油供应安全等方面有着传统汽车无法比拟的优势，受到了各国政府、汽车生产商以及能源企业的广泛关注。日益提升的电池设备、充电技术以及充电设施也促进电动汽车不断普及。研究表明，在中等发展速度下，至2020、2030和2050年，电动汽车占美国汽车总量的比例将分别达到35%，51%和62%。我国也制定了适合国情的发展规划，推进电动汽车产业化进程，提高车网(电网)融合程度。根据使用能源和驱动系统的不同，电动汽车可以分为纯电动汽车(pure electric vehicles，PEV)、插电式混合动
6、力电动汽车(plug-in hybrid electric vehicles，PHEV)及燃料电池电动汽车。其中，纯电动汽车完全靠电能驱动；插电式电动汽车采用汽油和电能驱动；燃料电池电动汽车则以清洁燃料发出电能驱动。纯电动汽车受电池容量限制，尚未大规模普及，但代表着未来发展方向；插电式电动汽车采用两种能源，在提高能效的同时，使用方便、灵活，已具有相对成熟的技术，逐渐进入产业化的阶段。2 电动汽车控制研究现状电动汽车以其独特的节能环保的优势引起越来越多的国家的重视。发展以电能为核心能源的新能源汽车是缓解全球范围内能源危机，减少污染的重要途径之一。为了顺应这个潮流，电动汽车、混合动力汽车得到了飞速
7、的发展，开发电动汽车控制技术是今后汽车工业发展的必然方向。新能源汽车的关键控制问题主要包括：混合动力汽车扭矩需求管理、电动汽车电池管理系统、电机驱动控制、能量回收控制。2.1 混合动力汽车扭矩需求管理与优化混合动力汽车(Hybrid electrical vehicle，HEV) 至少包含两个动力供给装置和辅助的能量转换器。通常，其配备一个内燃机、电动机和一个辅助的电力储存系统，如电池或超级电容。不同的行驶工况 (起步、定速巡航、减速制动、爬坡等)，HEV 的内燃机和电动机均运行在不同的工作状态。通过使用高效率电机和电能储存系统，以及优化车辆运行和发动机操作，可以有效降低燃油消耗和减少空气污染
8、。能源管理策略要解决的核心问题正是如何合理配置发动机和电气设备的输出动力，既要满足驾驶员对整车驱动力的需求，同时又要优化发动机、电动机、蓄电池以及整车的效率，而且动力分配过程还受到发动机最高转速、电动机最高转速、发动机最大功率、电动机最大功率、电动机最小功率 (发电机最大功率) 等条件的限制，属于受约束的优化问题12。随着开发的深入进行，除了能量优化管理技术，扭矩动态协调控制越来越引起人们的重视。扭矩动态协调控制主要针对高度瞬态过程，例如混合动力模式切换、车辆起步、加减速等工况，对发动机、电机、离合器进行扭矩的综合控制。文献3针对并联式混合动力汽车，以发动机扭矩或车辆的扭矩为主要参数，通过扭矩
9、变化来协调匹配发动机、变速箱、制动和车辆动态控制之间的关系。文献4 基于并联式混合动力汽车不同的工作模式及时变的发动机扭矩需求得到了相应的能源管理策略。针对混合动力汽车中内燃机与电机之间存在的动力耦合和分离过程中能量管理策略的复杂性，提出了基于模糊逻辑控制的扭矩管理策略。文献 5-6中指出，在使用 AMT 的并联式混合动力汽车中，离合器作为发动机和电机的动力耦合装置，在驱动模式切换，如由 EV 模式切换到 PHEV、CV 模式时，需要启动发动机并接合离合器以便将发动机动力平稳地接入驱动系统。同时，在换档时，需要协调控制动力传动系统快速、平顺地完成换档过程。不论是能量优化管理技术还是扭矩动态协调
10、控制都可以看作基于扭矩管理的动力总成控制。扭矩管理策略以扭矩作为最主要的控制变量，在发动机和电动机之间对扭矩而不是对功率进行合理的分配。串联式混合动力汽车中，发动机与车轮之间没有机械动力耦合。与并联式混合动力汽车相比，串联式混合动力电动汽车可以避免并联型和混联型的机械装置和控制系统的复杂性78，同时可在提高发动机燃油经济性及环保性的前提下缓解现行车载电源续驶里程有限的不足。在简单的开关式规则控制中，发动机工作在一恒定的最优点，如何充分利用以上串联式混合动力汽车的结构特点，从系统优化的角度优化辅助功率单元 (Auxiliary power unit，APU) (主要是发动机) 的运行是串联式混合
11、动力汽车能量分配策略的关键。另一方面，由于动态变化过程中 APU 存在动态能量损失，在实际能量分配策略的优化中必须考虑 APU 的动态行为。增程式电动车是以电动机为主，发动机为辅工作的串联式混合动力汽车，发动机的唯一作用是发电。所谓增程式电动汽车，就是当车载电池电量消耗至最低临界限值时，增程器将自动启动并为其继续提供电能，以实现高达数百公里的续驶能力。另外，增程式电动汽车的电池容量只需纯电动汽车的 40 % 左右，极大地降低了成本。2.2 电动汽车电池管理系统动力电池是电动车上最常用的储能设备。动力电池作为电动车的主要能源，其性能和工作状态对整车而言是至关重要的。为确保动力电池组的良好性能，利
12、用动力电池的能量，延长电池的使用寿命，对其进行有效的管理和控制显得尤为重要。电池管理相当复杂，它需要反映电池的若干信息，其中包括电池的电荷状态 (State of charge，SOC)、电池的健康状态 (State of health，SOH) 和寿命管理。传统的汽车在行驶时通过油表来显示汽车的可续驶里程，而电动汽车中需要计算电池组的电荷状态 (SOC)。SOC是电池状态的重要参数，用来诊断电池的健康状态和判断电池是否过充放电等的重要依据之一，但是由于蓄电池本身是个复杂的、封闭的电化学反应系统，且影响 SOC估算的因素很多，所以对于 SOC准确估算的难度较大，是动力电池研究领域的热点问题9。
13、目前，SOC估算方法主要有放电实验法、开路电压法、内阻法、安时法、模糊逻辑、神经网络法、卡尔曼滤波等。由于传统的放电实验法、开路电压法、内阻法具有很大的局限性，很少应用于实际汽车动力电池的 SOC估计。安时法也因为它的局限性与其他方法组合使用。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室对安时法进行了改进，该方法以安时法为主线，引入开路电压法与卡尔曼滤波法来改进安时法的不足10；近年来又相继提出了许多在线预测 SOC的算法并得到了广泛应用，如模糊逻辑算法、神经网络算法、卡尔曼滤波估计算法。卡尔曼滤波算法适应于电流波动比较剧烈的 SOC估计，很适合应用在电动汽车上。如果电池模型比较准确，卡尔曼滤波算法可
14、以很快收敛到电池 SOC真值附近，对电池SOC估算的初值要求不高。文献11中提出用自适应卡尔曼滤波来处理在未知噪声环境下的锂离子电池SOC的估计问题，从而克服相同条件下传统的卡尔曼滤波的发散现象，并与扩展卡尔曼滤波的估计结果进行比较，结果表明自适应卡尔曼滤波的SOC估计误差低于扩展卡尔曼滤波的估计误差。文献12在安时法的基础上结合自适应卡尔曼滤波对镍氢电池 SOC进行估计，并与放电实验法得出的SOC参考值进行比较，该方法的估计误差远低于单独使用安时法时的误差。神经网络方法具有非线性的基本特性，具有并行结构和学习能力，适合于SOC的在线估计。神经网络方法适用于各种电池，缺点是需要大量的参考数据进
15、行训练，估计误差受到训练数据和训练方法的很大影响。近期又出现了线性模型法、支持向量回归算法以及滑模法。由于电池长期使用必然发生老化或劣化，因而必须测量电池的寿命状态，也称为健康状态 (SOH)。SOH 是电池使用一段时问后其实际容量与标称容量的比值，用来判断电池老化后的实际状态，其实际表现在电池内部某些参数 (如内阻、容量等) 的变化上。传统的SOH 的预测估计方法主要有电池放电电压Coup de fouet分析方法、电池阻抗分析方法、电池充放电操作状态分析方法等。近年来，人们在传统方法的基础上，又提出了一些新的研究方法。文献13提出了寿命衰减模型，该模型一般只用于作电池寿命衰减的定性分析；文
16、献14根据大量试验数据推导出了锂离子电池的循环寿命经验模型，该模型由于考虑电池的很多物理因素，因此，并不能很好地适应不同电池；文献15提出了锂离子电池容量衰减的数学模型；文献16提出了基于模糊逻辑的SOH 估计算法，通过交流阻抗来估计SOH。文献17提出了一种基于等效电路模型的在线估计SOH 的方法，由于电池老化过程中等效电路模型参数也随着变化，利用电池端电压和电流估计变化的参数，进而获得SOH。文献18提出在等效电路模型的基础上，利用自适应估计器获得电路参数，进而计算得到电池SOH。文献19提出用模糊逻辑的方法估计铅酸电池的SOH。文献20中提出用扩展卡尔曼滤波器 (Extended Kal
17、man filter，EKF) 算法估计等效电路参数，以电压、电流、温度等三个电池参数作为分类算法特征向量，并用二次判别分析法得到SOH。文献21中提出一种用子空间状态估计的方法来计算SOH。2.3 电动汽车电机驱动控制电动汽车相对于传统的汽车，特殊之处就在于增加了电池 电机系统。目前，比较适合汽车动力的电机主要有：交流感应电机、永磁电动机、开关磁阻电机和多态电机。对于新能源汽车而言，电机驱动系统的控制至关重要，一个好的电机系统的控制策略，会使整车性能得到大大提高。目前，对于驱动电机控制策略的研究，是电动汽车领域研究的一个热点。截至目前，感应电机的调速控制方法已有很多，大体可分为恒压频比 (V
18、/f) 控制、转差频率控制、矢量控制 (Vector control，VC) 和直接转矩控制 (Direct torque control，DTC) 等。V/f 控制和转差频率控制是相对简单的交流调速方法，在工业领域上有着广泛的应用246。这两种控制策略都是以脉宽调制 (Pulse width modula-tion，PWM) 方式作为其实现的技术方式，控制曲线会随负载变化而变化，转矩响应慢，不适用于频繁加减速场合，因此这种控制方法不适用于电动车的驱动系统。矢量控制 (VC) 又称为磁场定向控制 (Field cri- ented control)，它是 1975 年由德国西门子公司的Blas
19、chke 提出的一种基于坐标变换的高性能感应电机控制方式，它可以在很大程度上提高感应电机的传动效率，在电池容量相同的条件下，使用这样的驱动系统的汽车，其续驶里程更长。由于矢量控制交流电机在性能上可以和直流电机相媲美，矢量控制系统是20年来实际应用最为广泛的高性能交流调速系统，在电动车和混合动力汽车的交流驱动系统中的应用也是最成熟的，动态性能好，调速范围宽。矢量控制有两个比较突出的缺点：1) 对电机参数的依赖性很大，电机参数的估算准确与否直接影响控制性能的好坏；2) 转子磁场的定向需要使用坐标变换，计算量比较大。同矢量控制不同，直接转矩控制 (DTC) 摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，直接
20、对电机进行控制，它是一种发展较快的新兴的电机高性能控制方法。1985 年，直接转矩控制技术由德国鲁尔大学的DePenbrock 教授提出22，首见于异步电动机，它是继矢量控制之后感应电机调速控制技术上又一个重大突破。直接转矩控制具有如下特点：1) 相比矢量控制，不需要进行坐标变换，直接通过控制转矩差和定子磁通差就能确定电压矢量；2) 采用Bang-Bang 控制；3) 与 PWM 技术并用来进行转矩控制；4) 动态响应快，控制性能优良，适用于电动车和机车牵引传动。由于直接转矩系统采用了 Bang-Bang 控制，由此而产生了转矩脉动，限制了系统的调速范围；5) 系统未能彻底摆脱电机参数的影响，
21、低速控制性能不好。为提高性能和改进这些缺点，各国学者经过十多年的共同努力，取得了长足的进步。文献23针对电动车在行驶过程中出现的各种复杂工况，提出了包含空间电压向量和定子磁链优化的永磁式同步电机直接转矩控制方法。文献24选择无刷直流电机作为低成本电动车的驱动系统，利用克里格 (Kriging) 预测算法来估计电机转矩，并作为控制器的反馈，提高了系统的快速性。文献25介绍了电压空间矢量调节和离散电压空间矢量调制方法的直接转矩控制。文献26采用分段解析模糊控制器选择逆变器的开关状态，使系统起动阶段转矩反应更快，超调量也更小。凡是高性能交流电机控制系统，包括矢量控制系统、直接转矩控制系统或者其他系统
22、，都需要转速反馈。然而速度传感器的使用带来了系统成本增加、可靠性降低、体积增大及易受工作环境影响等缺点。因此，无速度传感器控制技术是交流电机调速控制的重要课题。基于无速度传感器技术，直接转矩控制方法中的转速估计主要借助于直接计算法、模型参考自适应法 (MRAS)、卡尔曼滤波算法、神经网络法、滑模变结构法。2.4 电动汽车制动能量回收控制在城市循环工况下，汽车的平均时速较低，负荷率起伏变化大，需要频繁的启动与制动，汽车制动过程中的能量绝大部分以热能的形式散失到空气中，如果对该部分损失的能量加以回收利用，车辆的续航能力会大大提高。制动能量回收是在保证车辆行驶稳定性的前提下，将电动汽车制动或减速时的
23、一部分机械能经再生系统转换为其他形式的能量，并经功率转化装置存储于储能单元中，同时产生一定的制动阻力使车辆减速制动。制动能量回收系统是 EV/HEV 中重要的系统之一，其性能主要依赖于该系统的控制策略。制动能量控制系统的设计需要参考整车的动力传递结构，其目标通常是提高能量的回收率和优化驾驶员感受和车辆稳定性。在研究制动能量回收控制时，还需要考虑汽车在能量回收时的一些约束条件：1) 蓄电池组的状态 SOC；2) 汽车低速能量回馈的平顺性；3) 电机的发电功率不能超过蓄电池可以接收的最大功率；4) 逆变器的温度、电压和电流，油门和制动系统的状态。回收的能量如果不能得到良好的利用，那么能量回收则毫无
24、意义。因此，制动力分配是制定再生制动控制策略要研究的首要问题，它直接影响到制动能量回收效果。文献27-28提出了三种制动力分配控制策略，即：并联再生制动控制策略、理想再生制动控制策略和最大能量回收控制策略，并在城市循环工况下分别对控制策略进行了仿真分析。日本 Eco-Vehicle 使用的制动控制器直接接收主缸压力信号，然后计算车辆上的回收制动力，并将结果作为电信号发送给车辆控制器，车辆控制器将实际参与能量回收制动，然后将结果反馈到制动控制，通过对压力控制阀的调节，实现对制动压力的控制。文献29以驾驶员的制动意图和制动能量回收率为设计指标，基于最优控制理论和PI控制理论设计了一套有效的制动力模
25、型，从提高能量回收率的角度来看，最优控制方法更适合该系统。文献30根据混合动力汽车的不同行驶工况，设计了能够得到最大回收制动扭矩的控制策略，达到了最优刹车效率的同时获得了最大的能量收益。文献31研究了车辆在低摩擦系数下转弯时的制动能量回收控制策略，考虑到制动时的约束条件以及过大的横摆力矩会使车辆稳定性受到影响，设计了MPC控制器，在保证车辆稳定行驶的同时，得到了最大的制动回收能量。文献32以二象限的DC-DC直流斩波器驱动结构为模型对PWM微观过程进行了解析，提出一种理论上可行的恒定回馈电流再生制动控制策略。在再生制动系统与常规制动、ABS 系统兼容方面，文献33针对制动能量回收系统与 ABS
26、系统兼容的问题，通过精确设计电机制动门限，能够区分制动力分配，从而利用调节电机制动转矩和制动器制动转矩来实现车轮的防抱死控制和电机回馈能量。文献34通过电机制动控制系统和传统的 ABS液压控制系统进行协调控制，在确保制动安全性的前提下，对非紧急制动状态条件下以及在不同路面附着条件下紧急制动情况下的能量回收进行了研究。在电动车能量回收系统中，再生制动力矩是一个非常重要但是不可测量的物理量，文献 35利用测量轮速建立了再生制动力矩观测器，并基于此观测器建立了制动力矩跟踪控制器。3 电动汽车控制系统的展望综上，电动汽车控制技术取得了令人瞩目的进展，然而电动汽车控制系统由多个功能独立但动力学关联耦合的
27、子系统组成，每部分的动力学机理复杂、性能指标相互影响。同时大量新技术的广泛应用，满足了汽车的节能减排、动力性及安全性，但引入了诸多新型电控执行器，增加了控制自由度和动力学耦合的复杂程度，使得电控系统的设计、标定和实验更加困难，对传统控制理论和方法的应用提出了新的挑战。虽然电动汽车控制中还存在很多重要且尚未解决的问题需要从事汽车控制的科研人员去探索和认知，但是汽车控制行业对自主创新认识逐步深刻，我们的目标越来越清晰。虽然任重道远，但前途光明，希望将来能有更多的学者从事汽车控制领域的研究。参考文献1 Sundstrom O, Soltic P, Guzzella L. A transmission
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