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    蔡文遠(yuǎn)（1963—）
（北汽福田汽車股份有限公司，北京102206）男，碩士，畢業(yè)于北京科技大學(xué)自動控制專業(yè)，長期從事工程技術(shù)領(lǐng)域的動力系統(tǒng)控制器的開發(fā)工作?，F(xiàn)任北汽福田汽車工程研究院電控所專業(yè)總師。

1     前言

    汽車已經(jīng)成為普及到家庭的大眾交通工具。迄今為止，發(fā)動機(內(nèi)燃機)是汽車動力的源泉，但是，隨著能源和大氣環(huán)境問題越來越受到關(guān)注，新的汽車動力也不斷出現(xiàn)，特別是存在電機驅(qū)動的純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等技術(shù)，近幾年得到了很快發(fā)展。

    無論汽車采取什么動力，提高經(jīng)濟(jì)性、動力性及降低排放污染是不變的主題，采用電子控制技術(shù)是實現(xiàn)這些指標(biāo)的重要途徑。而在這些方面國內(nèi)目前在經(jīng)驗和技術(shù)上都有相當(dāng)?shù)牟罹唷?BR>
2     發(fā)動機控制技術(shù)

    汽車普遍使用四沖程發(fā)動機。轎車多用汽油發(fā)動機，商用車多用柴油發(fā)動機。發(fā)動機控制技術(shù)的發(fā)展動力來自于兩個方面：一是用戶對經(jīng)濟(jì)性和動力性越來越高的追求，一方面是來自政府的對排放污染物越來越嚴(yán)的要求。為了達(dá)到這些要求，過去十幾年發(fā)動機技術(shù)有了很大的發(fā)展，圖1是汽油機的電控系統(tǒng)示意圖，集中體現(xiàn)了發(fā)動機電控技術(shù)的內(nèi)容。

    2.1 可變配氣正時技術(shù)VVT（Variable Valve Timing）

    可變配氣正時控制系統(tǒng)就是根據(jù)發(fā)動機的狀態(tài)控制凸輪軸，通過調(diào)整凸輪軸轉(zhuǎn)角對配氣時機進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳的配氣正時，提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，從而在所有速度范圍內(nèi)提高扭矩，并能改善燃油經(jīng)濟(jì)性，有效提高汽車的功率與性能，減少油耗和廢氣排放。

    一般都采用頂置雙凸輪軸機構(gòu)，如圖2所示。一種是僅配置在進(jìn)氣凸輪軸上的；另一種是進(jìn)、排氣凸輪軸上都進(jìn)行配置。像BMW的雙可變配氣相位系統(tǒng)（Double Vanos system），就能同時改變進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸的相位角，從而獲得與轉(zhuǎn)速更匹配的氣門疊加角，因此其擁有更高的配氣效率。這就是為什么BMW M3 3.2發(fā)動機（升功率為100匹） 擁有比前一代僅配備了進(jìn)氣門可變相位系統(tǒng)的M3 3.0發(fā)動機（升功率為95匹）更高的性能。

    可變配氣技術(shù)，從大類上分，包括可變氣門正時和可變氣門行程兩大類。發(fā)動機的氣門行程是受凸輪軸轉(zhuǎn)角長度控制的，在普通的發(fā)動機上，凸輪軸的轉(zhuǎn)角長度固定，氣門行程也是固定不變的。而采用可變行程技術(shù)的發(fā)動機，氣門行程能隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的改變而改變。在高轉(zhuǎn)速時，采用長行程來提高進(jìn)氣效率，讓發(fā)動機的呼吸更順暢，在低速時，采用短行程，能產(chǎn)生更大的進(jìn)氣負(fù)壓及更多的渦流，讓空氣和燃油充分混合，因而提高低轉(zhuǎn)速時的動力性能。本田的VTEC和豐田的VVT-i是同時具有可變氣門正時和可變氣門行程的電子控制系統(tǒng)。

    目前，正在開發(fā)的新一類VVT系統(tǒng)中，發(fā)動機的凸輪軸被徹底的拋棄了，每個氣門，或每幾個氣門的動作直接由專門的電磁系統(tǒng)驅(qū)動，ECU需要它們怎么動，它們就怎么動，這也正是VVT技術(shù)追求的最高境界！

    2.2 廢氣渦輪增壓技術(shù)VNT

    渦輪增壓技術(shù)是在不改變發(fā)動機本體基本尺寸的情況下，有效提高發(fā)動機動力輸出的有效技術(shù)手段。早期使用的機械增壓是將增壓裝置安裝在發(fā)動機上并由皮帶與發(fā)動機曲軸相連接，從發(fā)動機輸出軸獲得動力來驅(qū)動增壓器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而將空氣增壓吹到進(jìn)氣岐管里。其優(yōu)點是渦輪轉(zhuǎn)速和發(fā)動機相同，因此沒有滯后現(xiàn)象，動力輸出非常流暢。但是由于裝在發(fā)動機轉(zhuǎn)動軸里面，還是消耗了部分動力，增壓出來的效果并不高。因此，被廣泛應(yīng)用的是廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，其基本原理如圖3所示。

    （1）電磁閥、（2）氣缸燃燒室、（3）中冷器、（4）空氣濾清器、（5）葉輪

    （6）渦輪、（7）排氣旁通閥

    其增壓器與發(fā)動機無任何機械聯(lián)系，它是利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機功率及扭矩要增大20%—30%。增壓器安裝在發(fā)動機的排氣一側(cè)，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)。

    一般說來，這種渦輪只在中轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生效用，在低速時渦輪增壓的效能并不明顯，這種現(xiàn)象被稱為渦輪遲滯。為解決這一問題，產(chǎn)生了可變渦輪增壓技術(shù)VNT，其基本原理如圖4所示。

圖4  可變截面渦輪增壓原理

    可變渦輪截面技術(shù)的心臟是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片。發(fā)動機ECU根據(jù)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀況，給出控制信號調(diào)整可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)引葉片的角度，將發(fā)動機排出的氣體通過導(dǎo)引葉片導(dǎo)送至渦輪上。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速低時，廢氣壓力較低，導(dǎo)流葉片成小角度打開，增大到達(dá)廢氣渦輪的氣壓壓強，推動渦輪敏銳的轉(zhuǎn)動；當(dāng)引擎轉(zhuǎn)速上升，廢氣壓力逐漸變大，導(dǎo)流葉片的角度也隨之變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)全負(fù)載的情況下，導(dǎo)流葉片全開，與主體的渦輪葉片形成一個更大型的葉片，將最大的廢氣量接收，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速而達(dá)到一般大渦輪的高輸出效果。

    但是，如何根據(jù)發(fā)動機的狀況調(diào)整導(dǎo)引葉片的角度，以改善低轉(zhuǎn)速時的響應(yīng)時間和加速能力，從而達(dá)到全面提高發(fā)動機動力性能的目的，則需要正確有效的控制策略、標(biāo)定技術(shù)和長期的實踐經(jīng)驗積累。

    迄今為止，可變渦輪截面技術(shù)一直用于柴油發(fā)動機，采用可變渦輪截面技術(shù)的汽油發(fā)動機在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率均明顯高于目前采用的標(biāo)準(zhǔn)放氣閥式的渦輪增壓器。相應(yīng)地，在各個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的節(jié)油性能也更上一層樓。

    2006年博格華納的可變渦輪截面技術(shù)（稱為VTG）成功應(yīng)用于第六代保時捷 911Turbo 后，博格華納預(yù)計在未來十年內(nèi)該技術(shù)將更廣泛地應(yīng)用于汽油發(fā)動機?！安捎脺u輪增壓加上燃油直噴技術(shù)的汽油發(fā)動機將會像柴油發(fā)動機一樣成功”。博格華納、霍尼韋爾和霍爾塞特等外資企業(yè)以技術(shù)和資本優(yōu)勢，乘我國排放要求的越來越嚴(yán)格，迅速擴大了在中國的市場份額，幾乎壟斷了高端產(chǎn)品市場。

    2.3 廢氣再循環(huán)技術(shù)EGR

    采用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)的目的是為了降低廢氣中的氧化氮(NOX)的排出量。氮和氧只有在高溫高壓條件下才會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)動機燃燒室內(nèi)的溫度和壓力滿足了上述條件，在強制加速期間更是如此。

圖5  廢氣再循環(huán)（EGR）原理

    當(dāng)發(fā)動機在負(fù)荷下運轉(zhuǎn)時，EGR閥開啟，使少量的廢氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管，與可燃混合氣一起進(jìn)入燃燒室。怠速時EGR閥關(guān)閉，幾乎沒有廢氣再循環(huán)至發(fā)動機。汽車廢氣是一種不可燃?xì)怏w(不含燃料和氧化劑)，在燃燒室內(nèi)不參與燃燒。 它通過吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量來降低燃燒溫度和壓力，以減少氧化氮的生成量。進(jìn)入燃燒室的廢氣量隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增加。

    柴油機實現(xiàn)廢氣再循環(huán)一般有兩種方式：一種是將渦輪前的排氣引入中冷器之后，稱為高壓廢氣反向。采用可變截面渦輪增壓器，可以擴大廢氣再循環(huán)有效工作范圍，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，這可能是將高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)用于增壓中冷柴油機的最好方法。另一種是將渦輪后的排氣引入壓氣機之前，稱為低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，它可有效降低氮氧化物，而廢氣循環(huán)工作范圍較大，與柴油機匹配能有效地發(fā)揮其功能?，F(xiàn)在運用得最多的是低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的主要元件是數(shù)控式EGR閥。數(shù)控式EGR閥安裝在右排氣管上，作用是獨立地對再循環(huán)到發(fā)動機的廢氣量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。

    目前采用的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)還有一種類型，日野汽車公司開發(fā)的脈沖式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在柴油機進(jìn)氣過程中，排氣門稍有提升，使部分高壓廢氣回流到汽缸內(nèi)。排氣門的這個作用是通過修改排氣門凸輪的形狀和將廢氣再循環(huán)系統(tǒng)微升來實現(xiàn)的。這樣一種技術(shù)利用汽油機中的VVT技術(shù)也可以類似的實現(xiàn)。

    發(fā)動機控制ECU根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷(節(jié)氣門開度)、溫度、進(jìn)氣流量、排氣溫度控制電磁閥適時地打開，使排氣中的少部分廢氣經(jīng)EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，與混合氣混合后進(jìn)入氣缸參與燃燒。少部分廢氣進(jìn)入氣缸參與混合氣的燃燒，降低了燃燒時氣缸中的溫度，因NOX是在高溫富氧的條件下生成的，故抑制了NOX的生成，從而降低了廢氣中的NOX的含量。但是，過度的廢氣參與再循環(huán)，將會影響混合氣的著火、性能，從而影響發(fā)動機的動力性。因此，EGR的控制策略和標(biāo)定經(jīng)驗就變的很關(guān)鍵，成為發(fā)動機控制技術(shù)的一項重要內(nèi)容。

    斯堪尼亞集團(tuán)在2007年1月份宣布：公司將在2007年開始推出其新的符合歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機平臺。在這些新的發(fā)動機上，斯堪尼亞采用了EGR（廢氣再循環(huán)）技術(shù)，無需任何后續(xù)處理裝置即可達(dá)到歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。盡管斯堪尼亞尚未披露這一新的EGR技術(shù)的細(xì)節(jié)，但是，EGR在降低排放方面的重要性是顯而易見的。

    2.4 汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)GDI

    缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機與一般汽油發(fā)動機的主要區(qū)別在于汽油噴射的位置，目前一般汽油發(fā)動機上所用的汽油電控噴射系統(tǒng)是將汽油噴入進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣管道上，與空氣混合成混合氣后再通過進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸燃燒室內(nèi)被點燃作功；而缸內(nèi)直噴汽油機是在氣缸內(nèi)噴射汽油，它將噴油嘴安裝在燃燒室內(nèi)，將汽油直接噴注在氣缸燃燒室內(nèi)，空氣則通過進(jìn)氣門進(jìn)入燃燒室與汽油混合成混合氣被點燃作功，這種形式與直噴式柴油機相似，因此有人認(rèn)為缸內(nèi)直噴汽油機是將柴油機的形式移植到汽油機上的一種創(chuàng)舉。

    直噴汽油機的構(gòu)造改變，使供油動作完全獨立于進(jìn)門與活塞系統(tǒng)之外。在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)或低負(fù)載狀態(tài)下，采用缸內(nèi)直噴設(shè)計的發(fā)動機得以進(jìn)入Ultra lean（精實）模式，發(fā)動機于進(jìn)氣行程時只能吸進(jìn)空氣，至于噴油嘴則在壓縮行程才供給燃料，ECU也因而擁有更多的主導(dǎo)權(quán)。超乎傳統(tǒng)噴射理論的稀薄燃燒與更多元的混合比便得以實現(xiàn)，使經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放特性都得到了進(jìn)一步的提升。

    缸內(nèi)直噴技術(shù)產(chǎn)生了2個新的概念：均勻燃燒和分層燃燒。

圖6 缸內(nèi)直噴示意圖

    均勻燃燒：在全負(fù)荷時，燃油噴射與進(jìn)氣同步，燃油得到完全霧化，使混合汽均勻地充滿燃燒室，自然會得到充分的燃燒，有著和傳統(tǒng)噴射發(fā)動機相同的空氣與燃油混合比，即空燃比是14.7∶1。而燃油的蒸發(fā)又使混合汽降溫，去除了爆震的產(chǎn)生。也就是說在均勻燃燒情況下，在獲得高動力輸出和扭矩值的同時付出了較低的燃油消耗。

    其出色的經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在部分負(fù)荷時的分層燃燒。可燃混合物多分布在火花塞周圍，換句話說，空燃比是14.7∶1的混合氣集中在火花塞周圍，之外會漸次稀薄。分層燃燒時總的空然比可達(dá)理論空然比的4倍，可見發(fā)動機在中、低速時燃油是多么節(jié)省。

    缸內(nèi)直噴發(fā)動機的壓縮比達(dá)到12：1，比以往發(fā)動機高出1/4左右。壓縮比提高了，缸內(nèi)溫度必然也隨之提高，有助于稀燃。壓縮比高，輸出功率增大，這樣也就彌補了稀燃帶來的功率損失。壓縮比提高缸內(nèi)壓力也會提高，與之配合的是高壓燃料泵，用高壓方式將汽油送進(jìn)燃燒室內(nèi)。但是，汽油的性質(zhì)決定壓縮比只能局限于一定的限度內(nèi)，否則就會出現(xiàn)爆燃，為了避免這一現(xiàn)象，缸內(nèi)直噴分兩步噴射的過程，第一步在進(jìn)氣沖程中噴射汽油以降低氣體溫度，適應(yīng)高壓縮比；第二步在壓縮沖程后期噴射汽油，形成上面闡述過的層狀混合氣形態(tài)。這一技術(shù)的實施環(huán)環(huán)相扣，相輔相成，缺一不可。

    總之，缸內(nèi)直噴技術(shù)的優(yōu)勢就在于利用自主性極高的噴油系統(tǒng)，來創(chuàng)造出低速節(jié)能、中速減污與高速強悍三者兼具的高性價比的汽油發(fā)動機。

    缸內(nèi)直噴的原創(chuàng)是日本三菱汽車。該公司在1996年便曾以代號4G93的直列四缸發(fā)動機為藍(lán)本，使用了副名為GDI（Gasoline direct injection）的動力系統(tǒng)，并裝置于該廠Galant/Legnum車系上，隨后成功銷往歐洲，并出售技術(shù)予PSA集團(tuán)。

    到了2001年時，大眾集團(tuán)也發(fā)展出獨有的FSI（Fuel Stratified Injection）缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。近些年，美國的通用、福特以及日本豐田、日產(chǎn)等廠家，也都陸續(xù)有相關(guān)作品問世，讓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的普遍性日漸提高。

    2.5 基于扭矩的控制策略

    達(dá)到歐Ⅳ、歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機ECU的控制策略需要矩控制。根據(jù)油門踏板位置傳感器信號獲取駕駛者的基本動力需求，并根據(jù)發(fā)動機的特征參數(shù)和目前狀態(tài)下的限制因素，由ECU計算出最終發(fā)動機能夠提供的扭矩，需要噴多少油、供給多少空氣，并實施控制。在扭矩模式下一般都使用電子節(jié)氣門或電子油門。

    實際上，使汽車行駛的是發(fā)動機的驅(qū)動力，速度僅是驅(qū)動力的體現(xiàn)。另一方面，駕駛者的意愿直接反映的是對驅(qū)動力大小的需求。因此扭矩控制是發(fā)動機控制的最貼切的模式，在這種模式下，發(fā)動機ECU完全主動地控制著噴油和進(jìn)氣，使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性都會有所提高。下圖是博世公司柴油機扭矩控制原理的局部，最上面是計算得到的扭矩需求，考慮了各種扭矩限制之后，通過FMTC模塊實現(xiàn)從扭矩到噴油量的轉(zhuǎn)換，其中的FBC模塊實現(xiàn)燃油平衡計算。

    基于扭矩的發(fā)動機控制首先是在柴油機上實現(xiàn)的，在汽油機上實現(xiàn)扭矩控制是排放要求強化的結(jié)果。與以往的電噴系統(tǒng)相比，滿足歐4、歐5的電噴系統(tǒng)引入了以扭矩為中心的控制策略和混合氣協(xié)調(diào)機制、建立了具有各種功能的物理模型和子系統(tǒng)，如：充氣模型、扭矩模型、過渡工況模型、排溫保護(hù)模型等。過去的控制策略主要是基于經(jīng)驗的，而扭矩的控制策略則是基于理論的，這樣在發(fā)動機及整車的匹配標(biāo)定上，從補丁式變成現(xiàn)在的系統(tǒng)式，是發(fā)動機控制技術(shù)的一個進(jìn)步，是新的技術(shù)方向。

    圖8是扭矩控制策略及匹配內(nèi)容的一個概要框圖，從中可以看出其特征及其和以往的區(qū)別之處。

 圖8 發(fā)動機扭矩控制的功能

    柴油共軌系統(tǒng)已開發(fā)了3代。第2代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導(dǎo)致能量的浪費和很高的燃油溫度。第3代可根據(jù)發(fā)動機需求而改變輸出壓力，并具有預(yù)噴射和后噴射功能。早期噴射實現(xiàn)稀薄預(yù)混合對降低NOx和PM做出貢獻(xiàn)的同時，與主噴射前的噴射相結(jié)合，可縮短滯燃期、抑制壓力升高以及降低振動噪聲；主噴之后的后噴射活躍了后期燃燒，促進(jìn)了PM的再燃燒，這一后噴射的目的是向排氣中供給未燃燃油，以便后處理裝置發(fā)揮其功能。

    由于其強大的技術(shù)潛力和應(yīng)用前景，今天各制造商已經(jīng)把目光定在了共軌系統(tǒng)第3代——壓電式(piezo)共軌系統(tǒng)，壓電執(zhí)行器代替了電磁閥，于是得到了更加精確的噴射控制。沒有了回油管，在結(jié)構(gòu)上更簡單。壓力從200～2000巴彈性調(diào)節(jié)。最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOX的排放。

    國外燃油系統(tǒng)制造商紛紛投入巨額資金和人力開發(fā)共軌系統(tǒng)。日本電裝公司在1991年研究開發(fā)出的ECD-U2第一代產(chǎn)品，并于1995年匹配Hino的J08C柴油機、五十鈴的6HK1柴油機。博世公司于1995年發(fā)表了用于轎車的高壓共軌系統(tǒng)，采用徑向柱塞轉(zhuǎn)子式供油泵，噴油器電磁閥采用球閥結(jié)構(gòu)。目前博世公司共軌系統(tǒng)在歐洲乘用車和輕型車柴油機上已得到普通應(yīng)用，德爾福與西門子分別在1998年和2000年推出轎車MultecDCR1400共軌系統(tǒng)，采用徑向柱塞轉(zhuǎn)子式供油泵，德爾福公司的噴油器電磁閥設(shè)計在噴油器內(nèi)，使得噴油器體積更小巧；西門子噴油器采用壓電執(zhí)行器，響應(yīng)時間更短。

3     電動汽車的控制技術(shù)

    人們習(xí)慣上將電動汽車分為三類：純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。但是，從驅(qū)動方式上劃分可以分為兩類：純電動汽車和混合動力汽車，因為，燃料電池汽車也是用純電力驅(qū)動的。

    3.1   純電動汽車的動力系統(tǒng)

    電動汽車與內(nèi)燃機汽車相比，有其自身的許多特點，下面表中給出了電動汽車與內(nèi)燃機汽車性能和用途方面的比較。

    電動汽車與內(nèi)燃機汽車性能和用途比較見表1。

    注：○－好（適用）；★－一般；☆－差（不適用）

    純電動汽車由于具有效率高、能源不依賴燃料、在使用地點“零排放”等特點，成為最具競爭力的技術(shù)。而比較3種電動汽車，純電動汽車的優(yōu)勢更加明顯。純電動汽車以電動機代替燃油機，噪音低、無污染，電動機、油料及傳動系統(tǒng)少占的空間和重量可用以補償電池的需求；同時因使用單一的電能源，電控系統(tǒng)相比混合電動車大為簡化。純電動汽車的價格比內(nèi)燃機汽車高，決定了電動汽車的初期投入大、費用支出多，原因跟目前的電池和驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)水平有關(guān)，更重要的和生產(chǎn)量偏小關(guān)系更大，隨著電池等關(guān)鍵技術(shù)的解決，相信  會低于內(nèi)燃機汽車使用成本。

    電動汽車的組成包括電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動等機械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的最大不同點。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)由驅(qū)動電動機、電源和電動機的調(diào)速控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機汽車相同。

    主要技術(shù)方向是輪轂驅(qū)動（或電動輪）技術(shù)。它直接將電動機安裝在車輪輪轂中，省略了傳統(tǒng)的離合器、變速器、主減速器及差速器等部件，大大簡化了整車結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率，并且能通過控制技術(shù)實現(xiàn)對電動輪的電子差速控制。因而，電動輪成為未來電動汽車的發(fā)展方向。

圖10 四輪獨立驅(qū)動及馬達(dá)驅(qū)動輪轂示意圖

    電動汽車四輪獨立驅(qū)動系統(tǒng)是利用四個獨立控制的電動機分別驅(qū)動汽車的四個車輪，車輪之間沒有機械傳動環(huán)節(jié)。典型四輪驅(qū)動布置型式如圖1，其電動機與車輪之間可以是軸式聯(lián)接也可以將電動機嵌入車輪成為輪式電機，車輪一般帶有輪邊減速器。這種驅(qū)動系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動系統(tǒng)相比有以下特點：

    （1）傳動系統(tǒng)得到減化，整車質(zhì)量大大減輕。由電動機直接驅(qū)動車輪甚至兩者集成為一體。這樣省掉了離合器、變速器及傳動軸等傳動環(huán)節(jié)，傳動效率得到提高，也更便于實現(xiàn)機電一體化。傳動系質(zhì)量在汽車整車質(zhì)量中占有很大比重，機械傳動系的消失，使汽車很好的實現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。另外，由于動力傳動的中間環(huán)節(jié)減少，傳動系的振動及噪聲得到改善。 

    （2）與傳統(tǒng)汽車相比，四輪獨立驅(qū)動系統(tǒng)可通過電動機來完成驅(qū)動力的控制而不需要其他附件，容易實現(xiàn)性能更好的、成本更低的牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）及動力學(xué)控制系統(tǒng)（VDC）。

    （3）對各車輪采用制動能量回收系統(tǒng)，則可大大提高汽車能量利用效率，且與采用單電動機驅(qū)動的電動汽車相比，其能量回收效率也獲得顯著增加。這對提高電動汽車?yán)m(xù)駛里程是很重要的。

    （4）實現(xiàn)汽車底盤系統(tǒng)的電子化、主動化?，F(xiàn)代汽車驅(qū)動系統(tǒng)布置分為前驅(qū)動、后驅(qū)動或全驅(qū)動。這兩種驅(qū)動型式各有優(yōu)缺點，汽車采用四輪獨立驅(qū)動技術(shù)后，汽車采用前驅(qū)動、后驅(qū)動或全輪驅(qū)動可根據(jù)汽車行駛工況由控制器進(jìn)行實時控制與轉(zhuǎn)換。且各車輪的驅(qū)動力可根據(jù)汽車行駛狀態(tài)進(jìn)行實時控制，真正實現(xiàn)汽車的“電子主動底盤”。

    目前日本在純電動汽車的研究處于領(lǐng)先地位，慶應(yīng)義塾大學(xué)的八輪獨立驅(qū)動電動汽車最高時速達(dá)到了370km/h；充電3個小時，可以走行400公里。 在商業(yè)產(chǎn)品層次上，美國和歐洲略占上風(fēng)。

    3.2   混合動力汽車的動力系統(tǒng)

    汽車的行駛過程特別是在城市工況下，走走停停，怠速、加速、減速、勻速等幾個工況頻繁轉(zhuǎn)換。啟動、怠速及加速過程多是發(fā)動機排放最差的狀況，而減速是動能轉(zhuǎn)化為熱能，存在能量的無端損失。

    混合動力汽車的動力系統(tǒng)是發(fā)動機和電動機兩種動力源同時存在的系統(tǒng)。發(fā)動機的動力來源于燃油，電動機的動力則來源于電池。電機通常在三種情況下使用：啟動、加速和減速過程。在啟動和加速過程中，電機作為電動機使用提供輔助動力，減少尾氣排放；減速時使電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，通過輔助制動將動能轉(zhuǎn)化為電能存儲到電池中。因此，混合動力汽車可以在降低能耗和減少排放方面有所貢獻(xiàn)。

    混合動力汽車的基本結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式：

    串聯(lián)式混合動力汽車 Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV)

    SHEV是由發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機三大動力總成組成，發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機采用"串聯(lián)"的方式組成SHEV的驅(qū)動系統(tǒng)。SHEV用發(fā)動機－發(fā)電機組均衡地發(fā)電，電能供應(yīng)驅(qū)動電動機或動力電池組，使SHEV的行駛里程得到延長。實際上SHEV的發(fā)動機－發(fā)電機組只能看作一種電能供應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)動機并不直接參與SHEV的驅(qū)動。

    SHEV的發(fā)動機，可采用四沖程內(nèi)燃機、二沖程內(nèi)燃機、轉(zhuǎn)子發(fā)動機和燃?xì)廨啓C。發(fā)動機、發(fā)電機組，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi)，不受SHEV運行工況的影響，經(jīng)常保持在低能耗、高效率和低污染的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機的功率都要求等于或接近于SHEV的最大驅(qū)動功率，在熱能→電能→機械能之間的轉(zhuǎn)換過程中，總效率低于內(nèi)燃機汽車。

    并聯(lián)式混合動力電動汽車 Parallel Hybrid Electric Vehicle (PHEV)

    PHEV是由發(fā)動機、電動/發(fā)電機或驅(qū)動電動機兩大動力總成組成，發(fā)動機、電動/發(fā)電機或驅(qū)動電動機采用"并聯(lián)"的方式組成PHEV的驅(qū)動系統(tǒng)。從PHEV的動力系統(tǒng)組成，可大致分為發(fā)動機－驅(qū)動系統(tǒng)（變速器和驅(qū)動橋）－驅(qū)動輪等，電動機的動力要與車輛驅(qū)動系統(tǒng)相組合，可以：①在發(fā)動機輸出軸處進(jìn)行組合；②在變速器（包括驅(qū)動橋）處進(jìn)行組合；③在驅(qū)動輪處進(jìn)行組合。如圖是其中的一種組合模式。

    混聯(lián)式混合動力電動汽車 Split Hybrid Electric Vehicle (PSHEV)

    從目前車用電池的發(fā)展來看，鎳氫電池是電動汽車動力能源的首選電池，它已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，其質(zhì)量比、體積比功率、電池壽命和重復(fù)充放電次數(shù)方面均已達(dá)到USABC(美國先進(jìn)電池聯(lián)合會)性能指標(biāo)，但是原材料價格的過渡上漲，抑制了它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用；而從產(chǎn)品規(guī)?；⑸a(chǎn)程度和發(fā)展前景看，鋰離子電池有可能成為電動汽車車用電池的潛在競爭者，其容量大、體積質(zhì)量小的優(yōu)點正符合現(xiàn)代電動汽車的要求；另外，燃料電池的應(yīng)用前景樂觀。隨著電化學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，燃料電池可能成為電動汽車的主要能源之一。其他尚在實驗階段的電池如飛輪電池、太陽能電池，有著壽命長、環(huán)保等優(yōu)點，在未來的車用電池中也有可能占有一席之地。

4     我國汽車動力系統(tǒng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀

    在汽車自主開發(fā)已提升到戰(zhàn)略高度的時日，汽車發(fā)動機自主品牌缺失的現(xiàn)狀令人憂慮。汽車市場表面繁榮的背后隱藏著核心技術(shù)缺失的“黑洞”，這也成為國內(nèi)汽車業(yè)心頭永遠(yuǎn)的痛。這是由于合資公司轎車發(fā)動機的研發(fā)都在國外，國內(nèi)往往只作國產(chǎn)化生產(chǎn)，長此以往，國內(nèi)失去了創(chuàng)造自主品牌的載體。目前，國內(nèi)汽車發(fā)動機領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力很弱，需要迎頭趕上。

    4.1    汽車動力核心—發(fā)動機ECU

    發(fā)動機ECU領(lǐng)域，中國市場上銷售的發(fā)動機控制ECU模塊等關(guān)鍵汽車電子產(chǎn)品，基本被幾家跨國公司壟斷，國內(nèi)自主品牌整車面對的是一個強勢到近乎壟斷的配套市場。在國家大力提倡自主創(chuàng)新的今天，整車廠商的自主開發(fā)意識不斷增強，加大了產(chǎn)品開發(fā)的投入，國內(nèi)高校、科研院所也在發(fā)揮各自的優(yōu)勢，選擇關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究開發(fā)。目前國內(nèi)陽光泰克、成都威特、比亞迪、中順電子等ECU開發(fā)商在開發(fā)領(lǐng)域都取得了不錯的進(jìn)展。而奇瑞自主開發(fā)的ACTECO發(fā)動機的亮相，以及隨著一汽C301、上汽陸威、長安CV7、吉利FC-1、華晨1.8T渦輪增壓的陸續(xù)上市，國內(nèi)在發(fā)動機及其ECU技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)呈現(xiàn)新的競爭力。

    4.2   發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)——VVT、EGR、VNT、扭矩控制、柴油機共軌等

    這些技術(shù)的實現(xiàn)需要制造加工技術(shù)和電子控制技術(shù)的緊密結(jié)合。在提高發(fā)動機性能的各控制策略，國內(nèi)已經(jīng)基本掌握。在VVT方面，國內(nèi)多家整車企業(yè)都已經(jīng)發(fā)表了相應(yīng)的發(fā)動機產(chǎn)品；部分大學(xué)、研究所和企業(yè)也通過合作在電控柴油機共軌方面已積累了一定的經(jīng)驗。現(xiàn)在，問題是在關(guān)鍵器件上，如VVT用液壓控制閥、柴油機共軌的噴嘴等，還完全依賴國外產(chǎn)品，配套體系還不健全。盡管國內(nèi)有研發(fā)產(chǎn)品，但是，批量產(chǎn)品的一致性尚有差距；不過，從各方面的情況看，近一兩年可能會有所突破。

    4.3   電動汽車

    十五期間國家加大了投入，企業(yè)、研究所和大學(xué)積極參與其中，解決了動力電池和電池管理系統(tǒng)的眾多問題；在電機、驅(qū)動器和整車控制方面，已積累了豐富經(jīng)驗。天津清源的微型轎車、東風(fēng)的純電動轎車、深圳五洲龍的混合動力大巴都已經(jīng)可以進(jìn)入批量生產(chǎn)。

    電動汽車的關(guān)鍵是在電池方面。鉛酸、鎳氫、鋰離子及氫燃料等都是被選方案，但是鉛酸電池被代替的命運是不可扭轉(zhuǎn)了。我國鎳氫和鋰離子動力電池的開發(fā)已經(jīng)顯有成效。春蘭集團(tuán)、湖南神舟科技、天津和平海灣等積極攻關(guān)，用了5年左右的時間，從無到有，與國際先進(jìn)水平縮短了近10年的差距，主要性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。鋰離子電池的安全性和使用壽命與國際水平差距較大，但在國際范圍內(nèi)鋰離子電池在汽車上商業(yè)化也還有一段距離，人們對磷酸鐵鋰材料寄予很大希望，并預(yù)計近一兩年會有較大的進(jìn)展。燃料電池是理想的動力源，從目前的情況看，距離商業(yè)化還要10年以上的時間。

5     結(jié)語

    毫無疑問，我國現(xiàn)在有非常好的汽車產(chǎn)業(yè)市場和國家鼓勵自主創(chuàng)新的政策，而全方位的開放也使得我們在汽車動力系統(tǒng)的電控技術(shù)上，獲得關(guān)鍵技術(shù)資源的途徑更加多樣。十五期間我國在汽車發(fā)動機電控技術(shù)和電動汽車技術(shù)上取得的顯著進(jìn)展，也充分說明了這一點。因此，我們目前最需要的是一批埋頭苦干的工程技術(shù)人員，需要一批寧愿兩、三年內(nèi)可以不發(fā)表論文的學(xué)術(shù)研究人員。人們通常都認(rèn)為控制技術(shù)的核心在控制策略（或算法），但本文想強調(diào)一點是：“作為工業(yè)產(chǎn)品，核心技術(shù)不在技術(shù)的核心”。有了先進(jìn)的控制算法并不能產(chǎn)生先進(jìn)的工業(yè)產(chǎn)品，工業(yè)產(chǎn)品首先要求的是可靠、安全和耐久性，而決定這些方面的往往不在算法，而在整個系統(tǒng)的周遍器件，如：ECU的硬件布線、常被認(rèn)為不關(guān)鍵的電阻、電容，噴嘴、點火線圈等驅(qū)動器件，壓力、溫度和速度等傳感器器件，在電動汽車中則主要表現(xiàn)在電池上。

    有工程界和學(xué)術(shù)界的密切合作，有重視控制策略和更加重視周邊器件的觀點，在如此形式大好的汽車市場形式下，積極響應(yīng)國家的自主創(chuàng)新號召，相信我國的汽車動力系統(tǒng)的控制技術(shù)將會有一個大的發(fā)展。