汽车控制文献综述

低速汽车及其控制系统的现状和相关研究
一、前言
经过10多年的努力，我国电动汽车自主创新取得了重要突破，自主开发的产品开始批量化进入市场，发展环境逐步改善，产业发展具备了较好基础，具有了加快发展的有利条件和比较优势。

我国在自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国电动汽车自主创新取得了重大进展。

在“节能与新能源汽车产业发展规划（2011-2020年）（征求意见稿）中，提出纯电动车为我国汽车工业转型的主要战略取向。

从性能参数来看，国内小型低速电动汽车典型产品性能基本相似，但与进入“目录”的电动汽车产品有较大的差距。

在关键零部件方面，动力蓄电池大多采用成本低廉的铅酸蓄电池，比能量较低，寿命较短，没有完善的蓄电池管理系统，用后有环境污染问题；大多采用有换向器的直流励磁电机或直流无刷电机，极少采用先进的交流永磁电机，以初级电路或简单模拟电路控制为主，没有先进的电机控制系统；车辆配置简单。

二、主题
2.1混合动力汽车的发展
混合动力电动汽车（HEV）是指采用了两种动力装置(内燃机和电动机),通过储能装置(蓄电池等)和控制系统对能量的调节,能实现最佳的能量分配,达到整车的低排放、低油耗和高性能的混合动力汽车。

混合动力电动汽车具有两个动力源。

当汽车爬坡或加速时,两个动力源联合输出动力,蓄电池输出电能通过电机进行助力;当汽车在下坡或制动时,发电机发电可以对再生或制动能量进行回收,以电能形式储存在蓄电池中;当汽车较长时间怠速停车时,可以通过控制发动机熄火,实现怠速启停,节省燃油。

控制策略是混合动力电动汽车开发的关键，直接影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能。

对于串联式混合动力汽车，其发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。

包括①恒温器控制模式②发动机跟踪器控制模式③两者结合起来；对于并联式汽车，现在的控制策略基本上是基于转矩或功率的控制。

目前已经提出的控制策略主要可以分为4类：基线控制策略、瞬时优化控制策略、智能控制策略和全局最优控制策略。

对于混联式动力汽车，其控制策略有以下四类：发动机恒定工作点控制策略、发动机最优工作曲线控制策略、瞬时优化控制策略、全局优化控制策略。

2.1.1 混合动力汽车的分类
混合动力汽车目前共分为四类:(1)串联式混合动力汽车:由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成,发动机、发电机和驱动电动机采用串联的方式组成驱动系统。

(2)并联式混合动力汽车:由发动机联的方式组成驱动系统。

(3)混联式混合动力汽车:是上述两种混合动力汽车的结构特点组成、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成。

发动机、电动/发电机或驱动电动机采用并的,是由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。

(4)外接充电式混合动力汽车:最新的一代混合动力汽车类型,即在混合动力汽车上增加了纯电动行
驶工况,并且加大了动力电池容量,使PHEV采用纯电动工况可形行驶,一定里程,超过该里程就启动内燃机,采用混合驱动模式。

2.1.2串联式混合动力电动汽车的整车控制器
串联式混合动力电动汽车的动力部件主要由发动机一发电机组、蓄电池、电动机构成。

三者之间通过电传动的方式连接。

发动机一发电机组产生的电能和蓄电池的电能共同提供电动机所需的能量, 以驱动电动汽车。

整车控制器通过对当前车辆功率的需求和蓄电池当前的状态计算并控制发电机一发动机组的输出功率, 实现比普通燃油汽车更高的燃油经济性、低排放等目标。

而串联式混合动力电动汽车可以采用恒电池荷电状态（SOC）的控制策略来设计整车控制器
恒SOC 值的选择不能过低, 否则在切换到纯电动模式下就不能满足车辆动力性能的要求。

但是Soc 值也不能选择的太高, 过高的Soc 影响蓄电池吸收再生制动的能力。

混合动力电动汽车蓄电池恒SOC 的控制是一个复杂、非线性的控制。

影响蓄电池SOC 的外在因素很多,比如电动机的需求功率, 蓄电池的温度, 发动机一发电机组的功率等。

采用模糊控制算法控制发动机一发电机组的功率输出以满足SOC 和燃油消耗的需求,可以使发动机有较好的燃油经济性。

模糊控制器的目标是调节发动机一发电机组的功率输出,以满足当前的功率需求并且使得蓄电池的SOC 能够维持在0. 7 附近，使蓄电池有着较小的充放电内阻。

2.1.3多轴独立电驱动混合动力车整车控制系统
多轴混合动力车辆是在现有成熟车型底盘结构上进行设计开发的，整车动力驱动系统包括动力子系统、驱动子系统、传动子系统和控制子系统。

其最大的特点是采用三轴独立驱动结构，分别用三个电动机独立驱动三个车轴，能最大限度地提高整车动力性和通过性。

在其整车分层式控制系统结构方案中，采用整车功率跟随式能量管理策略，重点研究稳压型APU变增益PID控制策略和多轴独立电驱动多目标驱动力控制策略。

其整车控制策略包括车辆运行模式识别，驱动功率控制策略，制动功率控制策略和APU 控制系统的开发。

APU（辅助动力装置）作为电动汽车的主要能量源，对车辆的燃油经济性、排放特性以及整车的动力性都有极大的影响。

针对高压供电系统需求，设计了APU控制系统的结构，确定了柴油机的最优工作区间，在此基础上设计了发动机转速变增益PI控制器。

APU控制策略根据当前实际输出功率、SOC等信号计算出发动机参考转速和发电机参考输出电压。

APU控制器对发动机和发电机分别采用转速闭环控制和输出电压闭环控制；同时发动机根据当前实际输出的功率调整转速，以期使APU工作在最优的工作点上。

2.2 CAN总线技术在汽车控制的应用
控制器局部网（Controller Area Network ）是一种多主机局部网，它能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线(Field Bu3)的范畴。

而 CAN总线是德国Bosch公司在80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。

电机控制器与电动汽车的其他部分的通信通过CAN 总线完成。

CAN 控制系统可以非常有效地构成各种分布式实时测控系统，并且具有很高的灵活性和可靠性。

在国外, CAN 总线技术已得到了广泛的应用, 上至卫星, 下至工业控制, 尤其在汽车工业, 如奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺及帕里奥汽车都采用了CAN总线技术。

然而, 在国内自主开发的汽车中,CAN 总线技术的应用研究尚处起步阶段。

通过遍布车身的传感器，汽车的各种行驶数据会被发送到“总线”上，这些数据不会指定唯一的接收者，凡是需要这些数据的接收端都可以从“总线”上读取需要的信息。

CAN 总线的传输数据非常快，可以达到每秒传输32bytes有效数据，这样可以有效保证数据的实效性和准确性。

传统的轿车在机舱和车身内需要埋设大量线束以传递传感器采集的信号，而Can-Bus总线技术的应用可以大量减少车体内线束的数量，线束的减少则降低了故障发生的可能性。

2.3纯电动汽车整车控制器进展
纯电动汽车整车控制器相当于汽车的大脑，它在汽车行驶过程中执行多项任务，包括以下功能。

1）接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向各个部件控制器发送控制指令，使车辆按驾驶员期望行驶。

2）整车驱动系统由驱动电机、燃料电池、蓄电池、DC ／DC转换器等部件组成。

与电机、DC ／DC、镍氢蓄电池组等进行可靠通信，以及针对关键信息的模拟量进行状态的采集输入及控制指令量的输出。

3）整车控制器提供对相应部件进行直接控制的信号通道，包括D ／A转换和数字量输出等。

4）接收处理各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的能源状况信息。

为保证驾驶员的安全操作和对汽车控制的可视化，采用了外接液晶显示器以及触摸屏的方式来显示一些重要的信号量，因此选用了一个串行通信口（UART）。

5）系统故障的判断和存储，动态检测系统信息，记录出现的故障。

6）对整车具有保护功能，视故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以关掉发电机及切断母线高压系统。

2.3.1 国外整车控制器发展现状
在国外，纯电动汽车整车控制器主要用于结构复杂的四轮驱动纯电动汽车和轮毂电机纯电动汽车中，其作用是协调2个或2个以上电机控制器同步工作。

对于结构简单的单电
机驱动的纯电动汽车，通常由电机控制器实现扭矩控制和再生制动控制等功能，没有设计整车控制器。

丰田公司整车控制器，丰田公司整车控制器的原理图如图1所示，该车是后轮驱动，左后轮和右后轮分别由2个轮毂电机驱动。

其整车控制器接收驾驶员的操作信号和汽车的运动传感器信号，并将这些信号经过控制策略计算，通过左右2组电机控制器和逆变器分别驱动左后轮和右后轮。

日立公司整车控制器，该电动汽车是四轮驱动结构，其中前轮由低速永磁同步电机通过差速器驱动，后轮由高速感应电机通过差速器驱动。

整车控制器的控制策略是在不同的工况下使用不同的电机驱动电动汽车，或者按照一定的扭矩分配比例，联合使用2台电机驱动电动汽车，使系统动力传动效率最大。

车起步或爬坡时，由低速、大扭矩永磁同步电机驱动前轮。

当电动汽车高速行驶时，由高速感应电机驱动后轮。

其他的还有日产公司的日产聆风LEAF，它是5门5座纯电动轿车，搭载锂离子电池，续驶里程是160 km。

2.3.2 国内整车控制器发展现状
国内市场没有纯电动汽车整车控制器产品的生产和销售，整车控制器主要由一些高校研发。

其技术方案是通过微处理器的嵌入结构，编写控制软件代码，实现高效率驱动纯电动汽车的功能。

它一般采集加速踏板、制动踏板、换档位置、车速等信号，使用CAN总线与电机控制器和电池管理系统通信，实现对整车的管理与控制。

天津大学整车控制器包括微控制器、模拟量调理、开关量调理、仪表驱动、继电器驱动、高速和低速CAN总线接口、存储器、信息存储、电源和通信接口等模块。

整车控制器对纯电动汽车动力链的各个环节进行管理、协调和监控，以提高整车能量利用效率。

该整车控制器采集驾驶员驾驶信号，通过CAN总线获得电机和电池系统的相关信息，进行分析和运
算，通过CAN总线给出电机控制和电池管理指令，实现整车驱动控制、能量优化控制和制动回馈控制。

北京理工大学整车控制器，该系统主要由电机控制模块、再生制动控制模块、整车控制模块、电池管理模块、仪表显示模块及故障诊断模块、真空助力模块、转向助力模块、电动空调模块、DC ／DC模块、制动踏板模块等组成。

通过CAN实现各个控制模块间的信息通信。

除了指令的发送和接收外，汽车的一些基本状态信息（如电机转速、电池荷电状态、车速等）是大部分控制单元必须获取的数据，控制单元采用广播方式向总线发送数据。

其他的还有湖南大学整车控制器，其电机及整车总成控制器将电动汽车电机控制器和整车控制器集成到一起。

奇瑞QR纯电动轿车整车控制器PTCM，和众泰2008EV的整车控制器（VCU）。

2.4基于数字信号处理(DSP)的电动汽车驱动控制系统的实现
永磁同步电机( PMSM)以其体积小、质量轻(其比质量为0. 5～1. 0 kg/kW) 、效率高、调速范围广(德国KOVO 电技术公司已研制出转速达50 000 r /min、功率达1. 5 kW 的无刷电动机)等优点尤其适合于电动汽车和电动车组等转动系统,成为现在的研究与应用的热点。

目前国际上先进的电动汽车驱动系统多采用矢量控制和直接转矩控制(DTC) 。

基于DTC方式的诸多优点决定了在电动汽车驱动控制系统中有着非常实用的价值。

将DTC应用于电动汽车用PMSM是全面提高电动汽车性能的又一途径,但PMSM的DTC研究一直比较滞后。

采用PMSM的电动汽车驱动控制系统在稳态下应用零电压矢量而在动态下应用非零电压矢量进行切换的电压空间矢量控制方法,能够在保证DTC系统良好动态性能的同时,有效降低系统稳态时的损耗。

2.5基于直流电机的电动汽车控制器
当前应用于电动汽车中的驱动电机主要有直流电动机、交流感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁电动机等．直流电动机具有控制技术简单成熟，转矩／速度特性较为符合牵引特性的要求等特点．其中，串励直流电动机具有较大的起动转矩和过载能力，可以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启／停等要求。

控制器内部分为功率回路和控制回路两大部分。

功率回路主要是由功率半导体开关器件及其缓冲电路和续流二极管构成的直流斩波器，通过双刀双掷接触器以H桥的形式连接到主回路中，用以改变电动汽车的行使方向。

控制回路通过调速信号（油门信号）的检测来限制控制器输出，然后凋速信号与三角波形成PWM脉宽调制信号，PWM信号经过门极驱动模块放大驱动绝缘栅双极型晶体管（IGBT），主回路的过流检测通过检测IGBT导通期间的导通压降来实现。

而电压调节模块和上电保护电路则用来启动保护电路。

而控制器控制电路设计主要是以PWM脉宽发生器SGl526为核心，以IGBT驱动模块M57962为基础来构建的。

其中包括限流参考电路，上电保护、启动保护和失控保护电路，过流保护电路，短路保护及IGBT驱动电路。

这种控制器是针对使用直流电机为驱动电机的电动汽车设计的，使用基于PWM脉宽调制技术的斩波器来控制驱动电机转速；电动汽车的换向操作通过改变电机励磁线圈电流方
向来实现；同时也采用改变励磁线圈电流方向和控制其大小来实现电动汽车的反接制动。

控制器功率回路中电枢续流二极管的应用使电动汽车的平稳反接制动得以实现，强调了控制器的安全性和可靠性。

2.6控制系统在汽车转向系统的发展
作为汽车的一个重要组成部分, 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成,汽车转向系统的发展经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3 个基本阶段, 线控转向系统为其发展趋势。

2.6.1汽车电动助力转向系统(EPS)
EPS 在日本最先获得实际应用, 电动助力转向系统是一项采用现代控制方法的高新技术，
通常由转矩传感器、车速传
感器、电子控制器、电动机、
电磁离合器和减速机构等组
成, 其结构示意如图1。

而
该系统的控制框架主要是通
过车速和转矩传感器来采集
汽车车速和转向盘转向力信
号, 进行必要的运算处理后
发出控制指令给电动机, 由
电动机为转向提供辅助力。

EPS的工作原理如下：
汽车处于起动或者低速行驶
状态时, 操纵转向盘转向,
装在转向柱上的转矩传感器
不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩, 并将此信号与车速信号同时输入电子控制器, 处理器对输入信号进行运算处理, 确定助力扭矩的大小和方向, 从而控制电动机的电流和转向, 电动机经离合器及减速机构将转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆, 最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效; 当车速超过一定的临界值或者出现故障时, 为保持汽车高速时的操控稳定性, EPS 系统退出助力工作模式, 转向系统转入手动转向模式。

不转向的情况下, 电动机不工作。

2.6.2线控转向系统( Steering by Wire-SBW)
线控转向系统( Steering by Wire-SBW) 是更新一代的汽车电子转向系统, 线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接。

图 4 所示为ZF 公司开发的线控向工况控制路感转向系统。

该系统具有2 个电机:路感电机和驱动电机。

路感电机安装在转向柱上, 控制器根据汽车转电机产生合适的转矩, 向驾驶员提供模拟路面信息。

驱动电机安装在齿条上, 汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服, 转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。

线控转向系统由于转向盘和转向柱之间无机械连接, 生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难; 且电子器件的可靠性难以保证。

所以线控转向系统目前处于研究阶段, 只配备在一些概念汽车上。

三、总结
1）在HEV中，控制策略是关键技术之一，对于不同的混合电动汽车，选择不同的控制策略，以实现整车最佳的燃油经济性。

而采用小功率电机和小容量蓄电池组的并联型混合动力汽车，能够极大地降低混合动力汽车的自重和制造成本，是十分有市场化前景的一种结构型式。

2）CAN 总线系统以其高性能、高可靠性和高性价比，被越来越多的应用于车用电控单元和仪表系统之中，可以方便地对电动汽车电机实现速度控制，并与其他控制单元进行实时通讯。

3) 国外纯电动汽车整车控制器主要用于结构复杂的四轮驱动纯电动汽车和轮毂电机纯电动汽车中，对于单电机驱动的纯电动汽车，通常由电机控制器代替整车控制器实现控制功能。

在国内市场有少数高校和企业小批量生产和销售纯电动汽车整车控制器产品。

4)汽车转向系统越来越多的应用现代控制系统，选择性价比高的传感器来采集各种信号。

研究各种控制策略，如鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和自适应控制理论等。

以来抑制电机的力矩波动、路面干扰和传感器的噪声，和获得较好的路感进一步优化和改善助力转向系统的动态性能和稳定性。

5)开发汽车控制系统，必须进行车辆系统的模拟研究、台架试验和道路试验,，这些过程都离不开汽车动力学理论。

世界上一些汽车工业发达国家的有关方面极为汽车控制系统的开发和应用。

可以说，未来的汽车性能是控制系统更理想的体现。

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