1.3　新能源汽車的關鍵技術

近年來，混合動力汽車以其低油耗、低排放、續(xù)航里程長和生產成本相對較低等優(yōu)勢，成為了國際汽車界的研究熱點。混合動力汽車融合了純電動汽車和傳統(tǒng)內燃機汽車的優(yōu)點，是目前技術條件下最具發(fā)展?jié)摿彤a業(yè)化前景的新能源汽車之一。由于混合動力汽車結構復雜，開發(fā)混合動力汽車所涉及的構型分析、參數匹配、節(jié)能分析、電池技術、電控技術等關鍵技術，基本上涵蓋了大多數其他新能源汽車研發(fā)過程中的通用關鍵技術。因此，混合動力汽車關鍵技術在整個新能源汽車領域中最具代表性。因此，本節(jié)主要以混合動力汽車為主，闡述與新能源汽車相關的關鍵技術，包括新能源汽車的驅動理論與設計、新能源汽車的控制方法和新能源汽車的仿真和實驗技術。

1.3.1　新能源汽車的驅動理論與設計

新能源汽車種類繁多，不同類型新能源汽車的驅動形式與設計方法存在很大差別。下面主要介紹油電混合動力汽車相關的驅動理論與設計。

混合動力汽車的優(yōu)點是可以發(fā)揮兩種或多種動力源的優(yōu)勢，采用高功率的儲能裝置（動力電池、超級電容和飛輪）向汽車提供瞬間大功率，由此可減小發(fā)動機尺寸、提高發(fā)動機效率，降低排放。如表1-4所示，油電混合動力汽車根據其傳動系統(tǒng)的拓撲結構或者連接關系的不同，可以分為三種基本結構類型：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。其中，串聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機與車輪之間沒有直接的機械連接，控制發(fā)動機相對容易，但由于工作過程中存在二次能量轉換，其傳動效率較低；與串聯(lián)式相比，并聯(lián)式混合動力汽車發(fā)動機功率通過機械路徑直接傳遞到車輪，傳動效率高，但是由于不能實現發(fā)動機與路載之間的解耦，發(fā)動機不易控制，發(fā)動機受路載變化的影響較大；而混聯(lián)式混合動力汽車則綜合了串聯(lián)式與并聯(lián)式的優(yōu)點，在實現發(fā)動機最優(yōu)控制的同時可以達到較高的傳動效率，但是其控制十分復雜。此外，按混合度（混合度是指驅動電機的輸出功率在整個系統(tǒng)輸出功率中所占的比例）分類則可將混合動力汽車分為弱混、中混、強混和插電混合動力四種，如表1-5所示。表1-6則對各種混合動力電動汽車在整車布置、適用條件和開發(fā)成本方面進行了比較。

混合動力汽車的驅動理論與設計，主要涉及構型設計與節(jié)能分析兩方面內容。在當前混合動力汽車構型繁多的情況下，如何設計出滿足設計要求的最優(yōu)構型，以及如何根據所設計構型的系統(tǒng)特性合理選配各關鍵部件，運用混合動力汽車的節(jié)能機理進行節(jié)能分析，從而提高整車的性能，是混合動力系統(tǒng)驅動理論與設計所研究的關鍵問題之一。關于混合動力汽車的驅動理論與設計的具體內容，本書的第2章與第3章將會有具體闡述。

1.3.2　新能源汽車的控制方法

新能源汽車由于引入了電機或液壓泵/馬達等驅動子系統(tǒng)，其結構的復雜程度增加，也導致了其控制方法變得更加復雜。鑒于混合動力汽車的控制較復雜且極具代表性，下面將以混合動力汽車為對象，對新能源汽車的控制方法和控制策略進行簡單的介紹。混合動力控制策略主要分為穩(wěn)態(tài)控制策略和動態(tài)控制策略兩部分。

（1）穩(wěn)態(tài)控制策略

穩(wěn)態(tài)能量管理策略是混合動力系統(tǒng)控制算法中研究最多的內容之一。其核心問題是如何合理分配發(fā)動機和電動機之間的動力，既要滿足駕駛員對整車驅動力的需求，又要優(yōu)化發(fā)動機、電動機、動力電池以及整車的效率。同時，穩(wěn)態(tài)控制策略還考慮動力分配過程中發(fā)動機最高轉速、電動機最高轉速、發(fā)動機最大功率、電動機最大功率、電動機最小功率（發(fā)電機最大功率）等條件的限制。因此，它也屬于受約束的優(yōu)化問題。混合動力汽車穩(wěn)態(tài)控制策略主要包括基于邏輯門限的穩(wěn)態(tài)能量管理策略、基于模糊規(guī)則的智能型能量管理策略和基于優(yōu)化算法的能量管理策略。

①基于邏輯門限的穩(wěn)態(tài)能量管理策略　主要依據工程經驗，具體而言即根據部件的穩(wěn)態(tài)效率MAP圖，來確定如何進行發(fā)動機和電動機之間的動力分配。圖1-16表示了發(fā)動機MAP圖的劃分規(guī)則。

常用的邏輯門限控制策略主要有下面幾種。

a.“恒溫器”控制策略　當動力電池SOC降到設定的低門限時發(fā)動機啟動，在最低油耗（或排放點）時按恒功率輸出，一部分功率用于驅動車輪，另一部分給動力電池充電。而當SOC上升到高門限時，發(fā)動機關閉，純電動行駛，汽車為零排放，這與溫室的溫度控制類似。在這種模式中，驅動電機所需的電能只能從動力電池獲得，這樣動力電池就必須滿足所有瞬時功率的需要，其放電電流的波動會很大，經常出現大電流放電的情況，對電池放電效率和使用壽命均有不利影響；其次，動力電池要滿足所有瞬時功率的需求，電池充放電循環(huán)引起的功率損失可能會減少發(fā)動機優(yōu)化所帶來的好處，這種模式對發(fā)動機有利，而對電池不利。

b.發(fā)動機功率跟隨控制策略　發(fā)動機的功率緊緊跟隨車輪驅動功率的需求，這與傳統(tǒng)的汽車運行相類似。采用這種控制策略，動力電池的工作循環(huán)將消失，與充放電有關的功率損失被減少到最低程度。但發(fā)動機必須在從低到高的整個負荷區(qū)內運行，而且發(fā)動機的功率快速而動態(tài)變化，對發(fā)動機的效率和排放性能（尤其在低負荷區(qū)）影響很大。解決措施是采用自動無級變速器（CVT，Continuo-usly Variable Transmission），通過調節(jié)CVT速比，控制發(fā)動機按最小油耗曲線運行，同時也減小了碳氫化合物和一氧化碳的排放量。上述模式可結合起來使用，其目的是充分利用發(fā)動機和電池的高效區(qū)，使其達到整體效率最高。

c.電機助力型控制策略　在并聯(lián)混合動力汽車控制中較為常見。其主要思想是將發(fā)動機作為主要的驅動力源，電機驅動系統(tǒng)作為輔助動力源，電機對發(fā)動機輸出轉矩起到“削峰填谷”的作用，同時將動力電池的SOC值保證在一定范圍內。

②模糊控制策略　模糊控制（Fuzzy Logic）是典型的智能型能量管理策略之一。模糊控制策略是人類語言通過計算機實現模糊表達的控制規(guī)則，是體現人的控制經驗的一種控制方法。該控制策略以模糊控制原理為基礎，設計模糊邏輯控制器。將車速、需求功率、發(fā)動機轉速及轉矩、動力電池SOC等輸入量模糊化后作為模糊控制器的輸入，同時將“專家”知識與經驗以規(guī)則的形式輸入到模糊控制器中形成模糊推理機制，以此判斷汽車的工作模式和功率分配，并將輸出量逆模糊化后輸出，實現混合動力系統(tǒng)的合理控制。

模糊控制策略基于模糊推理，模仿人類的思維方式，對難以建立精確數學模型的對象實現模糊控制。該控制方法的魯棒性強，對于一些非線性、時變的系統(tǒng)具有較好的控制效果。同時，對于控制較為復雜的混合動力系統(tǒng)也有較好的適用性。

③基于優(yōu)化算法的能量管理策略　通常以給定循環(huán)工況中車輛燃油經濟性最優(yōu)為目標函數，建立包括傳動系統(tǒng)速比、電機效率等在內的優(yōu)化計算模型，利用動態(tài)優(yōu)化技術對發(fā)動機、電動機（發(fā)電機）所分配的轉矩和傳動系統(tǒng)速比進行計算，并確定電機和發(fā)動機的工作點，從而達到最佳的燃油經濟性。由于實際車輛控制的復雜性，這種優(yōu)化方法只適用于特定的駕駛循環(huán)工況，不能用于實際的車輛控制。另外，也有些優(yōu)化控制策略以燃油經濟性為目標將發(fā)動機和電機控制在高效區(qū)工作，從而達到最佳的燃油經濟性。這種方法可用于汽車的實時控制，但是沒有考慮汽車駕駛循環(huán)工況的影響及發(fā)動機的排放問題。

（2）動態(tài)控制策略

在混合動力汽車進行動力切換時，有可能造成發(fā)動機和電動機轉矩的突變。動態(tài)協(xié)調控制問題是指當發(fā)動機和電動機目標轉矩發(fā)生大幅度變化或者突變時，在發(fā)動機和電動機達到各自目標轉矩之前，如何控制發(fā)動機和電動機協(xié)調工作，從而保證發(fā)動機和電動機輸出的轉矩之和不產生較大波動，并符合駕駛員對驅動轉矩的需求，是一個從動力性和駕駛舒適性角度出發(fā)的控制問題。

如果發(fā)動機和電動機具有相同的動態(tài)特性，即發(fā)動機和電動機從當前的轉矩變化到目標轉矩的規(guī)律是相同的，則不需要進行動態(tài)協(xié)調控制，發(fā)動機和電動機只需要按照各自的目標轉矩進行控制即可。然而，正是由于發(fā)動機和電動機的動態(tài)特性不同，才使得當發(fā)動機和電動機目標轉矩發(fā)生大幅度變化或者突變時，必須進行動態(tài)協(xié)調控制。

在混合動力汽車進行模式切換時，對其進行協(xié)調控制是為了避免在模式切換時出現動力間斷、動力不足或者動力突變等現象。這時通過動態(tài)控制使動力源輸出的動力更加平穩(wěn)，從而保證整車在模式切換時具有良好的動力性、耐久性以及舒適性。

關于混合動力汽車穩(wěn)態(tài)與動態(tài)控制策略的具體介紹，在本書第4章將會有具體闡述。

1.3.3　新能源汽車的仿真與實驗技術

眾所周知，將計算機仿真技術與電動汽車的研究相結合，既可以在研發(fā)初期為新能源汽車的設計提供性能預測與參考，又可以在后續(xù)過程中對新能源汽車的動力性能及控制策略等進行優(yōu)化，從而提高新能源汽車設計研究的前瞻性，降低研究成本。下面將簡單介紹新能源汽車的仿真和實驗技術。

（1）新能源汽車仿真技術研究

早在20世紀70年代，國外就已經開始了新能源汽車匹配與仿真技術的研究，并以此為基礎進行了仿真軟件研發(fā)。雖然經過長時間的驗證，早期大部分的仿真模型與軟件已經不能滿足目前的研究需求，但其大量的實驗積累與軟件開發(fā)經驗為以后的新能源汽車仿真研究奠定了基礎。

20世紀90年代中期，新能源汽車仿真技術的研究取得了較大進展，其中以美國的大學與研究機構開發(fā)出的多個仿真軟件為代表。如愛達荷（Idaho）國家工程實驗室基于DOS平臺開發(fā)的仿真軟件SIMPLEV3.0可以通過定義模型部件參數與道路循環(huán)參數進行仿真，并以圖表形式顯示結果，但其控制方法需要在源代碼中修改，操作較為困難。科羅拉多礦業(yè)學校（Colorado）開發(fā)的基于Matlab/Simulink的仿真軟件CSM HEV加入了仿真參數分析功能，且操作界面友好，但其仿真效果較差。得克薩斯農工大學（Teaxs A&M）開發(fā)的VElph具有可視化模型、易于改變車輛配置與控制方法的優(yōu)點，但其使用仍比較復雜。此階段開發(fā)出的仿真軟件雖然普遍具有操作方法復雜、功能單一、仿真效果不理想等缺點，但大量仿真軟件的研發(fā)仍為新能源汽車仿真技術帶來了巨大的飛躍，特別是基于Matlab/Simulink平臺建模方法的提出，大大加快了新能源汽車的研發(fā)進程。

20世紀初期至今，隨著各國對于新能源汽車研發(fā)重視程度的加大，在之前仿真建模研究的基礎上涌現出了一批仿真效果較好，且具有一定的開放性與可擴展性的仿真軟件，其中以美國可再生能源實驗室開發(fā)的Advisor、美國阿貢國家實驗室開發(fā)的PSAT和奧地利AVL內燃機及測試設備公司開發(fā)的商用仿真軟件Cruise、法國IMAGINE公司開發(fā)的AMESim為代表。這四款新能源汽車仿真軟件均具有模型較為完善、功能較多、操作友好等特點，是目前電動汽車仿真研究中應用最多的四款軟件。

①Advisor　這是由美國可再生能源實驗室NREL在Matlab和Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級車輛仿真軟件。它采用模塊化的思想設計，可建立包括發(fā)動機、離合器、變速器、主減速器、車輪和車軸等部件的仿真模型。用戶可以在現有模型的基礎上根據需要對一些模塊進行修改，然后重新組裝需要的汽車模型，這樣會大大節(jié)省建模時間，提高建模效率。并且仿真模型和源代碼全部開放，可以在網站上免費下載。用戶可以方便地研究Advisor的仿真模型及其工作原理，在此基礎上根據需要修改或重建部分仿真模型、調整或重新設計控制策略，使之更接近于實際情形，得出的仿真結果也會更合理。此外，Advisor采用了以后向仿真為主、前向仿真為輔的混合仿真方法，這樣便較好地集成了兩種方法的優(yōu)點，既使仿真計算量較小，運算速度較快，同時又保證了仿真結果的精度。總體來說，由于其廣泛的適用性與開源性，Advisor是目前發(fā)展較為成熟的一款基礎性仿真軟件。

②PSAT　該仿真軟件采用的仿真方法是前向仿真，這一仿真方式使模型更加接近實車系統(tǒng)，因此仿真精度更高，仿真動態(tài)性能好，適用于硬件在環(huán)系統(tǒng)的開發(fā)，其主要缺點是計算量大，建模難度較高。PSAT提供了豐富的部件模型庫，用戶可以選擇不同級別的部件模型進行仿真，例如發(fā)動機模型有簡單模型，僅需用戶設置ON/OFF參數來運行發(fā)動機模型，也有詳細模型，需要用戶設置燃料流量和空氣流量等參數來滿足計算發(fā)動機轉矩的需要。最新版本PSAT5.1增加了伴侶原型軟件（companion prototyping software）PSAT-PRO，它能在實驗臺上控制任何結構的混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)。PSAT-PRO不僅能使用PSAT中的模型以實時方式來控制原型（prototypes，或者稱為樣車），而且能校正PSAT中的模型。這種測試方法建立在分析仿真數據與實驗數據差異的基礎上。因為PSAT與PSAT-PRO的真正集成，用戶能方便地集成到PSAT中去修改模型，直到仿真數據與實驗數據一致。PSAT-PRO提供了控制一臺測功機（dynamometer）仿真車輛的功能，這樣用戶可以在原型中，以相同結構和工況測試HEV中的某個單一部件，整個過程就像在真實車輛上進行測試一樣。與Advisor相比，PSAT更適用于進行精確的部件實時仿真研究。

③AVL Cruise　這是奧地利李斯特內燃機及測試設備公司（AVL LIST Gmbll）開發(fā)的研究汽車動力性、燃油經濟性、排放性能及制動性能的仿真分析軟件。它采用模塊化的設計方法，可以對任意結構形式的汽車傳動系統(tǒng)進行建模和仿真。Cruise可用于汽車開發(fā)過程中的動力系統(tǒng)的匹配、汽車性能預測和整車仿真計算；可以進行發(fā)動機、變速器、輪胎的選型及它們與車輛的匹配優(yōu)化；還可以用于混合動力汽車和電動汽車的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化。

④AMESim　全稱為Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems（高級工程系統(tǒng)建模環(huán)境），是由法國IMAGINE公司自1995年開發(fā)的一款新型的高級建模和仿真軟件。該軟件提供了一個系統(tǒng)工程設計的完整平臺，使用戶可以建立復雜的多學科領域系統(tǒng)的模型，并進行仿真計算和深入的分析。AMESim采用物理模型的圖形化建模方式，軟件中提供了豐富的應用元件庫，用戶可以采用基本元素法，按照實際物理系統(tǒng)來構建自定義模塊或仿真模型，從而使用戶從繁瑣的數學建模中解放出來，而將更多的精力投入到實際物理模型本身的研究。主要應用于航空航天、車輛、船舶、重工制造業(yè)。其應用領域包括燃料噴射系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、車輛動力學、制動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、動力操縱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、變量閥壓力脈動、液壓元件、閥/管路/升降機、系統(tǒng)控制、液壓回路、機械系統(tǒng)。

另外，新能源汽車的仿真技術還包括硬件在環(huán)仿真（Hardware Inthe Loop，HIL）。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是一套實時性要求較高的軟硬件系統(tǒng)，它的發(fā)展依賴于微電子技術和計算機技術的發(fā)展。硬件在環(huán)仿真的研究和開發(fā)也是隨著近幾年電子技術和計算機技術的發(fā)展而發(fā)展起來的。

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是由處理器模板與外圍I/O板通過ISA總線構成的多處理器系統(tǒng)。處理器之間的數據傳輸速率高達1Gb/s以上。I/O板和處理器之間可通過共享內存/光纖接口進行數據交換。用戶可以根據自己的需要擴展處理器模板，以構建合適的仿真系統(tǒng)。在軟件方面，采用Mathworks公司的Stateflow進行算法的開發(fā)、系統(tǒng)的建模、離線仿真；利用實時接口（RTI）作為連接dSPACE實時系統(tǒng)與軟件開發(fā)工具Matlab/Simulink之間的紐帶；通過實時工作間（RTW）實現從Simulink模型到dSPACE實時運行硬件代碼的無縫自動下載。另外，dSPACE還提供了綜合實驗環(huán)境ControlDesk，可以對實驗過程進行綜合管理，它是一個基于VME總線的分布式處理器仿真系統(tǒng)，它由高速計算機和高速I/O系統(tǒng)組成，而且可以連接成局域網。仿真系統(tǒng)中的通信處理器在運行中就像VME總線的主模板一樣，為總線上的所有處理器之間的通信服務。在軟件方面，ADRTS是由ADI公司自己開發(fā)的仿真語言提供支持。ADSIM不僅具有很高的執(zhí)行速度，而且還具有在線人機對話功能，可以在不重新編譯的情況下改變參數或積分算法、選擇變量進行繪圖和顯示等。通過采用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，可大大縮短開發(fā)周期，節(jié)約人員、設備及資金的投入。

國外企業(yè)及研究院所在這方面的研究起步較早，目前取得了一些實用性的成果，比較有代表性的主要有dSPACE公司、ADI公司等。

（2）新能源汽車實驗技術研究

新能源汽車研發(fā)實驗方式主要有計算機軟件仿真實驗、臺架平臺實驗和實車道路實驗三種。計算機仿真具有適應性強、開發(fā)周期短、費用低等優(yōu)點，但與實際情況差別較大，仿真結果必須通過其他途徑來檢驗。室外實車道路雖然能夠提供真實環(huán)境，但實驗成本高、測試和調節(jié)難度大。而室內臺架實驗平臺不受自然環(huán)境限制，零部件布置可以脫離整車的限制，實驗臺的模塊化開發(fā)還可以為不同類型的動力電池、驅動電機和整車控制器提供所需的實驗環(huán)境。由于受整車總布置和車上各總成型號的限制，實車實驗平臺上只能進行特定總成和整車的實驗。根據實驗方案和動力總成控制技術可以在實驗場地完成總成實驗和整車動力性實驗，但排放性能實驗則需要在轉鼓實驗臺架上來完成。經濟性實驗可以在轉鼓實驗臺上通過運行循環(huán)工況來完成，也可在實驗場進行實驗再經過對實驗數據的后處理完成。

目前，我國對新能源汽車的研究尚處于起步階段，新能源汽車技術并不成熟，建立一套具有高水平完整的新能源汽車實驗臺系統(tǒng)，無論是對新能源汽車技術的理論研究還是新能源汽車技術成果的推廣都具有重要意義。