1.3　新能源汽车的关键技术

近年来，混合动力汽车以其低油耗、低排放、续航里程长和生产成本相对较低等优势，成为了国际汽车界的研究热点。混合动力汽车融合了纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点，是目前技术条件下最具发展潜力和产业化前景的新能源汽车之一。由于混合动力汽车结构复杂，开发混合动力汽车所涉及的构型分析、参数匹配、节能分析、电池技术、电控技术等关键技术，基本上涵盖了大多数其他新能源汽车研发过程中的通用关键技术。因此，混合动力汽车关键技术在整个新能源汽车领域中最具代表性。因此，本节主要以混合动力汽车为主，阐述与新能源汽车相关的关键技术，包括新能源汽车的驱动理论与设计、新能源汽车的控制方法和新能源汽车的仿真和实验技术。

1.3.1　新能源汽车的驱动理论与设计

新能源汽车种类繁多，不同类型新能源汽车的驱动形式与设计方法存在很大差别。下面主要介绍油电混合动力汽车相关的驱动理论与设计。

混合动力汽车的优点是可以发挥两种或多种动力源的优势，采用高功率的储能装置（动力电池、超级电容和飞轮）向汽车提供瞬间大功率，由此可减小发动机尺寸、提高发动机效率，降低排放。如表1-4所示，油电混合动力汽车根据其传动系统的拓扑结构或者连接关系的不同，可以分为三种基本结构类型：串联式、并联式和混联式。其中，串联式混合动力汽车的发动机与车轮之间没有直接的机械连接，控制发动机相对容易，但由于工作过程中存在二次能量转换，其传动效率较低；与串联式相比，并联式混合动力汽车发动机功率通过机械路径直接传递到车轮，传动效率高，但是由于不能实现发动机与路载之间的解耦，发动机不易控制，发动机受路载变化的影响较大；而混联式混合动力汽车则综合了串联式与并联式的优点，在实现发动机最优控制的同时可以达到较高的传动效率，但是其控制十分复杂。此外，按混合度（混合度是指驱动电机的输出功率在整个系统输出功率中所占的比例）分类则可将混合动力汽车分为弱混、中混、强混和插电混合动力四种，如表1-5所示。表1-6则对各种混合动力电动汽车在整车布置、适用条件和开发成本方面进行了比较。

混合动力汽车的驱动理论与设计，主要涉及构型设计与节能分析两方面内容。在当前混合动力汽车构型繁多的情况下，如何设计出满足设计要求的最优构型，以及如何根据所设计构型的系统特性合理选配各关键部件，运用混合动力汽车的节能机理进行节能分析，从而提高整车的性能，是混合动力系统驱动理论与设计所研究的关键问题之一。关于混合动力汽车的驱动理论与设计的具体内容，本书的第2章与第3章将会有具体阐述。

1.3.2　新能源汽车的控制方法

新能源汽车由于引入了电机或液压泵/马达等驱动子系统，其结构的复杂程度增加，也导致了其控制方法变得更加复杂。鉴于混合动力汽车的控制较复杂且极具代表性，下面将以混合动力汽车为对象，对新能源汽车的控制方法和控制策略进行简单的介绍。混合动力控制策略主要分为稳态控制策略和动态控制策略两部分。

（1）稳态控制策略

稳态能量管理策略是混合动力系统控制算法中研究最多的内容之一。其核心问题是如何合理分配发动机和电动机之间的动力，既要满足驾驶员对整车驱动力的需求，又要优化发动机、电动机、动力电池以及整车的效率。同时，稳态控制策略还考虑动力分配过程中发动机最高转速、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。因此，它也属于受约束的优化问题。混合动力汽车稳态控制策略主要包括基于逻辑门限的稳态能量管理策略、基于模糊规则的智能型能量管理策略和基于优化算法的能量管理策略。

①基于逻辑门限的稳态能量管理策略　主要依据工程经验，具体而言即根据部件的稳态效率MAP图，来确定如何进行发动机和电动机之间的动力分配。图1-16表示了发动机MAP图的划分规则。

常用的逻辑门限控制策略主要有下面几种。

a.“恒温器”控制策略　当动力电池SOC降到设定的低门限时发动机启动，在最低油耗（或排放点）时按恒功率输出，一部分功率用于驱动车轮，另一部分给动力电池充电。而当SOC上升到高门限时，发动机关闭，纯电动行驶，汽车为零排放，这与温室的温度控制类似。在这种模式中，驱动电机所需的电能只能从动力电池获得，这样动力电池就必须满足所有瞬时功率的需要，其放电电流的波动会很大，经常出现大电流放电的情况，对电池放电效率和使用寿命均有不利影响；其次，动力电池要满足所有瞬时功率的需求，电池充放电循环引起的功率损失可能会减少发动机优化所带来的好处，这种模式对发动机有利，而对电池不利。

b.发动机功率跟随控制策略　发动机的功率紧紧跟随车轮驱动功率的需求，这与传统的汽车运行相类似。采用这种控制策略，动力电池的工作循环将消失，与充放电有关的功率损失被减少到最低程度。但发动机必须在从低到高的整个负荷区内运行，而且发动机的功率快速而动态变化，对发动机的效率和排放性能（尤其在低负荷区）影响很大。解决措施是采用自动无级变速器（CVT，Continuo-usly Variable Transmission），通过调节CVT速比，控制发动机按最小油耗曲线运行，同时也减小了碳氢化合物和一氧化碳的排放量。上述模式可结合起来使用，其目的是充分利用发动机和电池的高效区，使其达到整体效率最高。

c.电机助力型控制策略　在并联混合动力汽车控制中较为常见。其主要思想是将发动机作为主要的驱动力源，电机驱动系统作为辅助动力源，电机对发动机输出转矩起到“削峰填谷”的作用，同时将动力电池的SOC值保证在一定范围内。

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。模糊控制策略是人类语言通过计算机实现模糊表达的控制规则，是体现人的控制经验的一种控制方法。该控制策略以模糊控制原理为基础，设计模糊逻辑控制器。将车速、需求功率、发动机转速及转矩、动力电池SOC等输入量模糊化后作为模糊控制器的输入，同时将“专家”知识与经验以规则的形式输入到模糊控制器中形成模糊推理机制，以此判断汽车的工作模式和功率分配，并将输出量逆模糊化后输出，实现混合动力系统的合理控制。

模糊控制策略基于模糊推理，模仿人类的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实现模糊控制。该控制方法的鲁棒性强，对于一些非线性、时变的系统具有较好的控制效果。同时，对于控制较为复杂的混合动力系统也有较好的适用性。

③基于优化算法的能量管理策略　通常以给定循环工况中车辆燃油经济性最优为目标函数，建立包括传动系统速比、电机效率等在内的优化计算模型，利用动态优化技术对发动机、电动机（发电机）所分配的转矩和传动系统速比进行计算，并确定电机和发动机的工作点，从而达到最佳的燃油经济性。由于实际车辆控制的复杂性，这种优化方法只适用于特定的驾驶循环工况，不能用于实际的车辆控制。另外，也有些优化控制策略以燃油经济性为目标将发动机和电机控制在高效区工作，从而达到最佳的燃油经济性。这种方法可用于汽车的实时控制，但是没有考虑汽车驾驶循环工况的影响及发动机的排放问题。

（2）动态控制策略

在混合动力汽车进行动力切换时，有可能造成发动机和电动机转矩的突变。动态协调控制问题是指当发动机和电动机目标转矩发生大幅度变化或者突变时，在发动机和电动机达到各自目标转矩之前，如何控制发动机和电动机协调工作，从而保证发动机和电动机输出的转矩之和不产生较大波动，并符合驾驶员对驱动转矩的需求，是一个从动力性和驾驶舒适性角度出发的控制问题。

如果发动机和电动机具有相同的动态特性，即发动机和电动机从当前的转矩变化到目标转矩的规律是相同的，则不需要进行动态协调控制，发动机和电动机只需要按照各自的目标转矩进行控制即可。然而，正是由于发动机和电动机的动态特性不同，才使得当发动机和电动机目标转矩发生大幅度变化或者突变时，必须进行动态协调控制。

在混合动力汽车进行模式切换时，对其进行协调控制是为了避免在模式切换时出现动力间断、动力不足或者动力突变等现象。这时通过动态控制使动力源输出的动力更加平稳，从而保证整车在模式切换时具有良好的动力性、耐久性以及舒适性。

关于混合动力汽车稳态与动态控制策略的具体介绍，在本书第4章将会有具体阐述。

1.3.3　新能源汽车的仿真与实验技术

众所周知，将计算机仿真技术与电动汽车的研究相结合，既可以在研发初期为新能源汽车的设计提供性能预测与参考，又可以在后续过程中对新能源汽车的动力性能及控制策略等进行优化，从而提高新能源汽车设计研究的前瞻性，降低研究成本。下面将简单介绍新能源汽车的仿真和实验技术。

（1）新能源汽车仿真技术研究

早在20世纪70年代，国外就已经开始了新能源汽车匹配与仿真技术的研究，并以此为基础进行了仿真软件研发。虽然经过长时间的验证，早期大部分的仿真模型与软件已经不能满足目前的研究需求，但其大量的实验积累与软件开发经验为以后的新能源汽车仿真研究奠定了基础。

20世纪90年代中期，新能源汽车仿真技术的研究取得了较大进展，其中以美国的大学与研究机构开发出的多个仿真软件为代表。如爱达荷（Idaho）国家工程实验室基于DOS平台开发的仿真软件SIMPLEV3.0可以通过定义模型部件参数与道路循环参数进行仿真，并以图表形式显示结果，但其控制方法需要在源代码中修改，操作较为困难。科罗拉多矿业学校（Colorado）开发的基于Matlab/Simulink的仿真软件CSM HEV加入了仿真参数分析功能，且操作界面友好，但其仿真效果较差。得克萨斯农工大学（Teaxs A&M）开发的VElph具有可视化模型、易于改变车辆配置与控制方法的优点，但其使用仍比较复杂。此阶段开发出的仿真软件虽然普遍具有操作方法复杂、功能单一、仿真效果不理想等缺点，但大量仿真软件的研发仍为新能源汽车仿真技术带来了巨大的飞跃，特别是基于Matlab/Simulink平台建模方法的提出，大大加快了新能源汽车的研发进程。

20世纪初期至今，随着各国对于新能源汽车研发重视程度的加大，在之前仿真建模研究的基础上涌现出了一批仿真效果较好，且具有一定的开放性与可扩展性的仿真软件，其中以美国可再生能源实验室开发的Advisor、美国阿贡国家实验室开发的PSAT和奥地利AVL内燃机及测试设备公司开发的商用仿真软件Cruise、法国IMAGINE公司开发的AMESim为代表。这四款新能源汽车仿真软件均具有模型较为完善、功能较多、操作友好等特点，是目前电动汽车仿真研究中应用最多的四款软件。

①Advisor　这是由美国可再生能源实验室NREL在Matlab和Simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件。它采用模块化的思想设计，可建立包括发动机、离合器、变速器、主减速器、车轮和车轴等部件的仿真模型。用户可以在现有模型的基础上根据需要对一些模块进行修改，然后重新组装需要的汽车模型，这样会大大节省建模时间，提高建模效率。并且仿真模型和源代码全部开放，可以在网站上免费下载。用户可以方便地研究Advisor的仿真模型及其工作原理，在此基础上根据需要修改或重建部分仿真模型、调整或重新设计控制策略，使之更接近于实际情形，得出的仿真结果也会更合理。此外，Advisor采用了以后向仿真为主、前向仿真为辅的混合仿真方法，这样便较好地集成了两种方法的优点，既使仿真计算量较小，运算速度较快，同时又保证了仿真结果的精度。总体来说，由于其广泛的适用性与开源性，Advisor是目前发展较为成熟的一款基础性仿真软件。

②PSAT　该仿真软件采用的仿真方法是前向仿真，这一仿真方式使模型更加接近实车系统，因此仿真精度更高，仿真动态性能好，适用于硬件在环系统的开发，其主要缺点是计算量大，建模难度较高。PSAT提供了丰富的部件模型库，用户可以选择不同级别的部件模型进行仿真，例如发动机模型有简单模型，仅需用户设置ON/OFF参数来运行发动机模型，也有详细模型，需要用户设置燃料流量和空气流量等参数来满足计算发动机转矩的需要。最新版本PSAT5.1增加了伴侣原型软件（companion prototyping software）PSAT-PRO，它能在实验台上控制任何结构的混合动力电动汽车的动力系统。PSAT-PRO不仅能使用PSAT中的模型以实时方式来控制原型（prototypes，或者称为样车），而且能校正PSAT中的模型。这种测试方法建立在分析仿真数据与实验数据差异的基础上。因为PSAT与PSAT-PRO的真正集成，用户能方便地集成到PSAT中去修改模型，直到仿真数据与实验数据一致。PSAT-PRO提供了控制一台测功机（dynamometer）仿真车辆的功能，这样用户可以在原型中，以相同结构和工况测试HEV中的某个单一部件，整个过程就像在真实车辆上进行测试一样。与Advisor相比，PSAT更适用于进行精确的部件实时仿真研究。

③AVL Cruise　这是奥地利李斯特内燃机及测试设备公司（AVL LIST Gmbll）开发的研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的仿真分析软件。它采用模块化的设计方法，可以对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真。Cruise可用于汽车开发过程中的动力系统的匹配、汽车性能预测和整车仿真计算；可以进行发动机、变速器、轮胎的选型及它们与车辆的匹配优化；还可以用于混合动力汽车和电动汽车的动力系统、传动系统及控制系统的开发与优化。

④AMESim　全称为Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems（高级工程系统建模环境），是由法国IMAGINE公司自1995年开发的一款新型的高级建模和仿真软件。该软件提供了一个系统工程设计的完整平台，使用户可以建立复杂的多学科领域系统的模型，并进行仿真计算和深入的分析。AMESim采用物理模型的图形化建模方式，软件中提供了丰富的应用元件库，用户可以采用基本元素法，按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型，从而使用户从繁琐的数学建模中解放出来，而将更多的精力投入到实际物理模型本身的研究。主要应用于航空航天、车辆、船舶、重工制造业。其应用领域包括燃料喷射系统、悬挂系统、车辆动力学、制动系统、润滑系统、动力操纵系统、冷却系统、传动系统、变量阀压力脉动、液压元件、阀/管路/升降机、系统控制、液压回路、机械系统。

另外，新能源汽车的仿真技术还包括硬件在环仿真（Hardware Inthe Loop，HIL）。硬件在环仿真系统是一套实时性要求较高的软硬件系统，它的发展依赖于微电子技术和计算机技术的发展。硬件在环仿真的研究和开发也是随着近几年电子技术和计算机技术的发展而发展起来的。

硬件在环仿真系统是由处理器模板与外围I/O板通过ISA总线构成的多处理器系统。处理器之间的数据传输速率高达1Gb/s以上。I/O板和处理器之间可通过共享内存/光纤接口进行数据交换。用户可以根据自己的需要扩展处理器模板，以构建合适的仿真系统。在软件方面，采用Mathworks公司的Stateflow进行算法的开发、系统的建模、离线仿真；利用实时接口（RTI）作为连接dSPACE实时系统与软件开发工具Matlab/Simulink之间的纽带；通过实时工作间（RTW）实现从Simulink模型到dSPACE实时运行硬件代码的无缝自动下载。另外，dSPACE还提供了综合实验环境ControlDesk，可以对实验过程进行综合管理，它是一个基于VME总线的分布式处理器仿真系统，它由高速计算机和高速I/O系统组成，而且可以连接成局域网。仿真系统中的通信处理器在运行中就像VME总线的主模板一样，为总线上的所有处理器之间的通信服务。在软件方面，ADRTS是由ADI公司自己开发的仿真语言提供支持。ADSIM不仅具有很高的执行速度，而且还具有在线人机对话功能，可以在不重新编译的情况下改变参数或积分算法、选择变量进行绘图和显示等。通过采用硬件在环仿真系统，可大大缩短开发周期，节约人员、设备及资金的投入。

国外企业及研究院所在这方面的研究起步较早，目前取得了一些实用性的成果，比较有代表性的主要有dSPACE公司、ADI公司等。

（2）新能源汽车实验技术研究

新能源汽车研发实验方式主要有计算机软件仿真实验、台架平台实验和实车道路实验三种。计算机仿真具有适应性强、开发周期短、费用低等优点，但与实际情况差别较大，仿真结果必须通过其他途径来检验。室外实车道路虽然能够提供真实环境，但实验成本高、测试和调节难度大。而室内台架实验平台不受自然环境限制，零部件布置可以脱离整车的限制，实验台的模块化开发还可以为不同类型的动力电池、驱动电机和整车控制器提供所需的实验环境。由于受整车总布置和车上各总成型号的限制，实车实验平台上只能进行特定总成和整车的实验。根据实验方案和动力总成控制技术可以在实验场地完成总成实验和整车动力性实验，但排放性能实验则需要在转鼓实验台架上来完成。经济性实验可以在转鼓实验台上通过运行循环工况来完成，也可在实验场进行实验再经过对实验数据的后处理完成。

目前，我国对新能源汽车的研究尚处于起步阶段，新能源汽车技术并不成熟，建立一套具有高水平完整的新能源汽车实验台系统，无论是对新能源汽车技术的理论研究还是新能源汽车技术成果的推广都具有重要意义。