39、混合动力电动汽车智能控制系统解析

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混合动力电动汽车智能控制系统解析

一、引言

在现代城市中，交通系统的电气化已成为必然趋势。与燃油动力汽车相比，电动汽车凭借通信技术的优势、税收优惠以及较低的电能价格，正逐渐成为不可或缺的交通工具。近年来，多数国家都在致力于发展其交通系统，新技术带来的便利以及全球对环境保护的重视，推动了交通系统向电气化方向发展。未来的目标是淘汰所有基于污染性能源的交通系统，采用清洁能源的交通系统已成为大多数国家的必要选择。

交通运输部门在 2011 年消耗了全球近 66%的石油产量，产生了超过 70%的全球温室气体排放，汽车行业是这些问题的核心所在。因此，电动汽车相关技术的研发变得至关重要。在这个领域，电能存储是取得成功的关键因素之一。一般来说，电动汽车要在市场上具有竞争力，就必须具备较高的盈利性。而所使用的充电系统模型，直接影响着车辆型号相对于其他车型的分类。

传统的充电系统存在一些问题，例如使用电网连接充电器的电动汽车，充电时间通常较长，长途旅行时需要长时间停车充电。随着新的锂电池技术以及移动充电系统（如光伏、混合动力或移动接触系统）的出现，这些问题开始得到解决。此外，还出现了可适应的光伏能源系统、停车时的无线充电系统等。不过，所有充电系统的效率都与所使用的控制和能量分配类型有关，常见的控制方式包括模糊逻辑（FL）、神经网络（NN）和基于 ANFIS 的策略等。

二、电动汽车的分类

电动汽车主要分为混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV）两种类型。两者的主要区别在于混合动力汽车配备了燃烧发动机，而纯电动汽车则没有。电动汽车的初始组件包括能源源和电池系统，它们连接到电力电子转换器，为主要的电动马达供电。同时，还需要一个控制系统和一个高性能的计算器来管理能量和控制车辆速度。

纯电动汽车对环境友好，基于环境和气体排放问题，该领域的研究致力于提高其运输效率，主要集中在优化电机尺寸、改进电池技术以及开发各种充电解决方案等方面。根据国际电工技术委员会（IETCTC）的定义，如果一辆汽车使用两种或更多能源、存储系统或转换器来驱动车辆，并且至少有一个能源供应电力，则被称为混合动力电动汽车。电动汽车根据能源组合可分为多种类型，如电池电动汽车（BEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）、混合动力电动汽车（HEV）和插电式电动汽车（PEV）等。

三、混合动力汽车的架构

混合动力汽车可以分为三种主要架构，根据热能和电能输送到车轮的方式进行分类，分别是串联、并联和串并联（功率旁路）架构。
1. 串联混合动力架构
- 工作原理 ：在这种架构中，热机驱动交流发电机，在电池放电时为其充电，在高功率需求时为电动马达供电。
- 优点：具有良好的低速能源效率（在城市地区可实现全电动模式），能很好地控制热机，发电机组不一定要与电动牵引机相邻放置，增加了部件布置的自由度，相对容易管理和设计控制，所需的机械设备较少（无需离合器或变速箱）。
- 缺点：整体能源效率较低（在城市外地区），需要使用 3 台机器，其中电动牵引机功率至少较高（尺寸最大），并非所有热模式都可行。
2. 并联混合动力架构
- 工作原理 ：热机像传统车辆一样将动力提供给车轮，同时与一台电动机器机械耦合以提供辅助。根据结构和设计，可分为扭矩叠加和速度叠加两种类型。扭矩叠加结构通过皮带、滑轮或齿轮将电动机器和热机的扭矩相加，以驱动车辆或为电池充电；速度叠加结构则通过行星齿轮将热机和电动机器的速度相加，所得速度与传动系统相关。
- 优点：能源效率良好，使用单台电动机器，在某些情况下可实现全热和全电动模式，传动系统与传统车辆相比改动较小。
- 缺点：热机的运行增加，动态性能较差，扭矩设定点必须始终在两个扭矩源之间分配，机械耦合和能量控制较为复杂。
3. 串并联混合动力架构
- 工作原理 ：这种架构结合了串联和并联架构的运行模式和优点，例如丰田普锐斯使用行星齿轮和两台电动机器，一台使发动机达到最佳性能点，另一台参与牵引。部分由热机提供的能量通过机械方式传输到车轮，同时电动机器根据需求从传动系统获取或提供能量。
- 优点：能源效率高，能量分配良好，车辆灵活性高，所有模式（热、电、串联、并联或串并联）均可使用，车轮处无扭矩中断。
- 缺点：需要使用 3 台机器或 2 台带 2 个离合器的机器，耦合非常复杂，管理难度大，成本高且重量大。

四、电动汽车的组件架构

电池技术
电池是电动汽车中存储能量并提供电能的设备，主要分为一次电池和二次电池。一次电池在放电时只能提供一次能量，而二次电池可以在整个生命周期内进行充电和放电。电动汽车中常用的二次电池包括铅酸（Pb - acid）、镍镉（NiCd）、镍氢（Ni - MH）和锂离子（Li - ion）电池等。不同电池的特性如下表所示：
| 电池类型 | 能量密度（Kh/kg） | 充放电循环次数 | 充电时间 | 工作温度 |
| — | — | — | — | — |
| 铅酸电池 | 30 - 50 | 500 - 800 | 6 - 12 小时 | -20 - 60 °C |
| 镍镉电池 | 45 - 80 | 1000 - 2000 | 1 - 2 小时 | -40 - 60 °C |
| 镍氢电池 | 60 - 120 | 600 - 1500 | 2 - 4 小时 | -20 - 60 °C |
| 锂离子电池 | 160 - 200 | 400 - 1200 | 2 - 4 小时 | -20 - 60 °C |
超级电容器
超级电容器（SC）以静电形式存储能量，能量密度较低，但功率密度较大。它们通常用于瞬态阶段，以提供所需的功率峰值，从而减少电流应力，减小主要能源（电池或燃料电池）的尺寸并延长其使用寿命。超级电容器由两个金属集电器和两个浸渍有电解质的碳质多孔电极组成。与电池相比，超级电容器的电荷转移动力学更快，寿命可达数十万次充放电循环。
电动机
电动机是电动汽车的核心组件，基于电磁铁和永磁体之间的相互作用力工作。当制动时，机械链成为电源的一部分，而主要能源（电池）则成为接收器。常见的电动机类型包括：
- 直流电动机（DC Motors） ：长期以来用于电动汽车，提供简单的速度控制，具有良好的电动推进特性（低速时扭矩曲线良好），但生产成本高，需要维护电刷 - 集电器系统，速度受限，比功率低（通常为 0.3 - 0.5 kW/kg），可靠性较差，不太适合电动汽车。
- 异步电动机（Asynchronous Motors） ：由定子和转子组成，定子有三个绕组，可根据供电网络连接成星形（Y）或三角形（Δ）。转子可以是可通过三个环和三个电刷访问的绕组，也可以是基于铝导电边缘的不可访问的鼠笼式。异步电动机制造和维护简单，目前在工业领域应用广泛，性能优于其他类型的机器，但质量扭矩、效率和功率因数低于磁电机。
- 同步电动机（Synchronous Motors） ：虽然管理难度较大、成本较高且可能不太坚固，但在电动汽车和混合动力汽车中，同步电动机的选择变得至关重要。在发电和电动模式下，同步电机具有最高的效率，与异步电动机类似，由定子和转子组成，区别在于转子设计。

电动机的工作原理是利用磁力产生运动，当电流通过线圈时，线圈会产生具有南北两极的电磁场。所有电动机都是可逆的，手动移动磁铁可以在线圈中产生电流（再生充电），向线圈注入电流则会使磁铁移动。电动机主要由蓄电池（通常为锂离子电池或镍氢电池）、定子（发动机的外围静止部分，通常由线圈组成）、转子（发动机的移动部分）和传动系统组成。传动系统方面，由于电动马达的工作范围广（例如特斯拉 Model S 可达 16,000 rpm）且低速时扭矩大，通常不需要变速箱，电机直接连接到车轮。通过行星齿轮组实现减速比，一般车轮转速比电动马达慢约 10%。最后，差速器允许车轮以不同速度旋转，电动马达无需离合器或扭矩转换器，因为它不需要像热机那样始终保持运转，车轮停止时也无需分离。

下面是一个简单的 mermaid 流程图，展示电动汽车主要组件的关系：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(能源源):::process --> B(电池系统):::process
    B --> C(电力电子转换器):::process
    C --> D(电动马达):::process
    D --> E(车轮):::process
    F(控制系统):::process --> C
    F --> D
    G(高性能计算器):::process --> F

综上所述，电动汽车在现代交通中具有重要的地位，其发展涉及多个方面的技术，包括充电系统、车辆架构、电池技术、超级电容器和电动机等。通过不断的研究和创新，电动汽车的性能和效率将不断提高，为未来的交通带来更清洁、更高效的解决方案。

混合动力电动汽车智能控制系统解析

五、电动汽车充电系统

随着电动汽车的发展，充电系统成为了关键的研究领域。传统的充电系统存在一些局限性，如充电时间长，长途旅行需要长时间停车等问题。为了解决这些问题，出现了多种新型充电技术。
1. 新型电池技术与移动充电系统
- 新的锂电池技术的出现为解决充电问题提供了一定的帮助。同时，移动充电系统也得到了发展，例如光伏、混合动力或移动接触系统（如地铁）。
- 有研究者提出了适用于电动汽车的可适应光伏能源系统，该系统可用于固定站（如光伏板门或安装在车辆上的面板）。
2. 无线充电系统
- 车辆停车时的无线充电技术也逐渐出现，但随之而来的是频率因素相关的问题。
- 一些研究者对无线充电系统进行了频率研究，考虑了静态和动态问题。
3. 充电系统的控制与效率
所有充电系统的效率都与所使用的控制和能量分配类型有关。常见的控制方式包括间接控制或采用不需要充电系统信息或知识的程序，如模糊逻辑（FL）、神经网络（NN）和基于 ANFIS 的策略等。

六、智能电力分配系统

为了更有效地利用能源，电动汽车需要智能电力分配系统。该系统的主要目标是节省电池中的能量，并以最有效的方式利用可用的能源。
1. 能源管理策略
- 智能电力分配系统采用各种能源管理策略，根据车辆的运行状态、电池电量和外部环境等因素，合理分配能源。
- 例如，在车辆加速时，优先使用电池的能量；在车辆行驶过程中，根据路况和速度调整能源分配，以提高能源效率。
2. 与充电系统的结合
- 智能电力分配系统与充电系统紧密结合，根据充电系统的类型和充电状态，优化能源分配。
- 例如，当车辆使用光伏能源系统充电时，智能电力分配系统可以根据光照强度和电池电量，合理控制充电速度和能源分配。

下面是一个 mermaid 流程图，展示智能电力分配系统的工作流程：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(车辆运行状态监测):::process --> B(能源管理策略制定):::process
    B --> C(能源分配决策):::process
    C --> D(电池能量管理):::process
    C --> E(充电系统控制):::process
    F(外部环境监测):::process --> B
    G(电池电量监测):::process --> B

七、混合充电系统

为了进一步提高电动汽车的充电灵活性和效率，混合充电系统应运而生。混合充电系统结合了多种充电方式，如光伏充电和无线充电等。
1. 光伏与无线充电结合
- 混合充电系统通常包括安装在车辆上的光伏面板，用于收集太阳能并为电池充电。
- 同时，还配备无线充电设备，即使车辆在行驶过程中也能在可充电路径上进行充电。
2. 系统建模与仿真
- 为了研究混合充电系统的性能，通常会使用 Matlab/Simulink 等工具进行建模和仿真。
- 通过仿真，可以了解功率通量、外部因素和车辆速度对电池充电状态参数的影响。

八、总结与展望

电动汽车作为未来交通的重要发展方向，其相关技术的研究和应用具有重要意义。通过对电动汽车的分类、架构、组件、充电系统和智能电力分配系统等方面的研究，我们可以看到电动汽车在环保、能源利用效率等方面具有巨大的潜力。
1. 现有技术的优势与不足
- 目前，电动汽车已经取得了一定的进展，如新型电池技术和充电系统的发展，提高了车辆的性能和充电便利性。
- 然而，仍然存在一些问题，如充电时间长、成本高、电池续航里程有限等，需要进一步研究和解决。
2. 未来发展方向
- 未来，电动汽车的发展将集中在提高电池性能、优化充电系统、降低成本等方面。
- 同时，智能控制技术和能源管理系统的应用也将不断加强，以提高电动汽车的整体性能和效率。

总之，电动汽车的发展是一个长期的过程，需要政府、企业和科研机构等各方的共同努力。相信在不久的将来，电动汽车将成为主流的交通工具，为我们的生活带来更加清洁、便捷的出行体验。

以下是电动汽车发展相关技术要点的总结列表：
1. 电动汽车分类：混合动力汽车和纯电动汽车。
2. 混合动力汽车架构：串联、并联和串并联架构。
3. 电动汽车组件：电池、超级电容器、电动机。
4. 充电系统：传统充电、新型电池与移动充电、无线充电。
5. 智能电力分配系统：能源管理策略，与充电系统结合。
6. 混合充电系统：光伏与无线充电结合，系统建模与仿真。