什麼是所謂的混動汽車電機和電控技術？

12-29

是汽車的電控模塊嗎？為何這會成為一個汽車行業的核心技術？

謝 @Sean 邀。

關於混合動力汽車的控制器

VCU：整車控制器。司令官，EMS、PCU、BMS都是他的小弟。VCU負責將司機的操作（踩油門、剎車）轉換為整車的驅動力需求，然後根據BMS反饋的當前電池電量等車輛狀態、按照一定的演算法將整車驅動力分配給發動機、電機執行。比如說，司機踩下60%的油門，VCU判斷需要300Nm的整車驅動扭矩，VCU命令發動機輸出180Nm、命令電機輸出120Nm。
EMS：發動機管理系統。負責發動機的控制。接收到VCU命令「輸出180Nm的扭矩」時，若發動機當前狀態許可則控制發動機輸出180Nm的扭矩。
PCU：電機控制器。負責電機的控制。接收到VCU命令「輸出120Nm的扭矩」時，若電機當前狀態許可則控制電機輸出120Nm的扭矩。
BMS：電池管理系統。負責電池的控制。隨時向VCU報告電池當前的電量、允許的最大充放電功率等，這樣VCU可以做出合理的控制避免電池放干或充爆。

然後是控制策略，「按照一定的演算法」具體是按照什麼樣的演算法呢？

先看兩張圖

（原諒我，網上搜的圖）

第一張，發動機萬有特性。橫軸為發動機轉速，縱軸為發動機有效扭矩。

圖中的244、310等數字代表發動機的燃油消耗率。

從圖中可看出，發動機工作在不同的轉速、扭矩點，其油耗有區別。

在發動機轉速2700rpm~3300rpm、扭矩80Nm~120Nm附近此款發動機油耗最佳。

第2張圖

電機效率MAP，橫軸為轉速，縱軸為扭矩。

顏色代表效率。

由圖可知，電機工作在不同的轉速、扭矩點，其效率有區別。

在4000rpm、60Nm處，電機效率達到了90%；而在12000rpm、0Nm處，電機效率在70%以下。

扭矩分配的策略是系統效率最佳，最理想的情況是發動機、電機都工作在效率最高的點。

但那是理想情況。

發動機轉速、電機轉速往往與車速成比例關係。車速越高，一般要求的發動機轉速、電機轉速越高。所以發動機不可能一直工作在油耗最佳的2700rpm~3300rpm。電機也一樣。

發動機、電機輸出的扭矩需要隨著司機踩油門、踩剎車的操作而變化。

因此，發動機、電機往往不能工作在最佳工作點。

一般的做法是選擇系統能耗相對最佳（油耗+電耗）的發動機、電機穩態工作點，然後控制發動機、電機工作在該工作點。

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混動車的電機和電控（還有電池和BMS）技術被認為是汽車行業中相對較新的技術。
電機一般分為電機本體、電機控制器和DCDC模塊等部分。這裡就包括了電控單元。電機控制器會響應HCU的扭矩需求，控制電機輸出駕駛員和車輛其他系統所需的扭矩。
混動控制單元一般是指HCU，主要作用是對動力系統和儲能系統的能量管理、扭矩分配。
至於核心不核心，見仁見智吧，中國企業的特點，什麼沒搞過，就說什麼是核心技術。白車身是不是核心技術？不是的話，又有幾個能正向設計的？

先放一張本人搭建的某混合動力控制系統模擬模型，有時間再回答

電機和電控技術雖然都是新能源汽車的關鍵技術，但其實是兩個不同的方向；

電機技術偏向於電機材料和結構的本體設計，目前混合動力汽車和純電動汽車用得最多的是永磁同步電機；

電控技術其實就是如何控制車載電機的轉速和轉矩的技術；與普通工業電機恆速控制不同，車載電機由於要滿足不同的載荷和不同的轉速，其控制要求要高很多。目前常見的控制方式有矢量控制，滯環控制，基於矢量控制的弱磁控制，id=0控制等等；比如上面模型中，發電機採用的是基於矢量控制的id=0控制；兩個驅動電機採用的是基於滯環控制的弱磁控制；以上是電機系統的控制方式；

除此之外，對於混合動力系統整體而言，變流技術即：DC-DC，AC-DC，DC-AC技術；ECU對電機系統的控制方式（轉矩控制，轉速控制）；發動機-發電機組的功率跟隨控制也是比較關鍵的技術；有時間再補充

上面的回答基本上都沒有講到核心問題上。反對@OCF BULL 的觀點，純電動汽車動力電池能量密度、充電時間、循環壽命的問題沒有得到有效解決的情況下，插電式混合動力技術是最好的折中方案。首先要糾正題主的問題「混動汽車電機和電控技術」這個提法本身是有問題的，這就好比說「水餃的餡兒和製作技術」，正確的問題應該是「混合動力系統整車及其部件的電控技術」。這有點咬文嚼字，請原諒強迫症晚期患者。對於非專業研究這一領域的人，可能對這裡面的電控系統關係有些模糊，這裡我想在@Kevin Chow 所做講解的基礎上進一步解釋一下，因為其內容過於淺顯。當然，不同的電控單元叫法很多，每個人都有不同的習慣，搞清楚這些電控單元的關係，名字不重要，重要的是對各種結構形式有比較清晰的理解，進而也就清楚了各個部件及其電控單元的作用了。

混合動力系統的基本結構形式可以參見&<如果要設計一輛靠譜的插電混合動力摩托車，在結構和控制策略上跟汽車有什麼不同？ - 新能源&>中我的回答。

先說硬的東西，一般來講，一套完整的混合動力系統包含以下部件和電控單元：

HCU：混合動力系統整車控制器，其主要作用是：根據當前車速和駕駛員給出的油門踏板、制動踏板開度，計算出當前需求的功率或者說轉矩，那麼有了需求之後就要分配任務，這裡採取的策略一般是按運行效率分配，分配給發動機和驅動電機，讓它們協同工作，總的原則是效率最高，總的能耗最低，也就是@Kevin Chow的回答中所給出的兩張圖所要表達的含義，我認為表述已經比較清楚了，後面我會補充一下具體的控制策略，因為他的回答沒有給出。

Engine：目前大部分混合動力汽車用的發動機都是在傳統車的發動機基礎上進行小修小改，而只有普銳斯等少數車型是專門針對混合動力汽車開發的採用阿特金森循環的發動機。

ECU：發動機電控單元，負責發動機管理，與傳統車發動機控制器無異，只是會根據不同結構形式的混合動力系統，對發動機進行針對性標定，展開的話要說好多。在混合動力系統中有一點，ECU要根據HCU發來的命令輸出相應的轉矩或者功率，不像傳統車那樣直接檢測油門開度和當前轉速，自行計算轉矩需求。

Generator/Drive Motor：發電機/驅動電機，這兩者在串聯和混聯的結構形式中是同時存在的，而在並聯的形式下，往往是用一台永磁同步電機作為驅動發電一體機，在不同工況下承擔不同任務，電機的形式有很多，比如交流非同步電機、永磁同步電機、磁阻電機以及他們之間的結合體等，目前在中高端純電動和混合動力汽車中以永磁同步電機和永磁輔助的磁阻電機為主要應用對象。

GCM/DMCM：發電機/驅動電機控制單元，電機控制是一個單獨的研究方向，從大的範圍說，一般車用的電機主要採用矢量控制，依賴於旋轉變壓器對角度進行判斷，而直接轉矩控制雖然能省掉旋變，但由於車用電機對於旋轉角度的高可靠性要求，尚不為廣泛採用。

Battery：動力電池，主要指鋰電池，磷酸鐵鋰、錳酸鋰等，最近還有新產品出現，關於電池的文章網上一搜一大堆，不詳述。

BMS：電池管理系統，主要是對電池進行健康管理和必要的保護，實時監測電壓電流溫度，防止過充過放，後天提高電池單體一致性等。必需指出的是，目前國內所做的BMS研究還遠遠不夠，基本停留在檢測電壓、溫度、電流這些基本參數，安時積分計算SOC，累積誤差很大，現在在提主動均衡，我們往往但從感覺上認為主動總比被動好，比如在車身懸架的橫向震動上有「主動增阻尼」研究，聽著很高大上，事實上在BMS裡面，最可靠的方法應是被動均衡，而且目前很多晶元已經把這一功能集成到了硬體裡面。

Transmission：分為無極變速和有級變速，一般在並聯式混合動力中應用較多，而且往往會配合一個自動離合器來使用，目前被用到的有DCT、CVT和AMT，理論上講，混聯中的行星排也算是無級變速器，其不需要電控單元來執行換擋任務，變速策略是通過控制與太陽輪連接的發電機轉速、與行星架相連的發動機轉速來實現輸出的齒圈的轉速、轉矩變化。

TCU：變速器控制單元，牽扯到換擋控制策略問題，也是一個單獨的研究方向，主要考慮動力性和經濟性，檔位值也是整車能量管理策略輸出的一個重要參數。

以上就是動力系統主要部件的說明，那麼他們的關係是什麼呢，HCU就是計劃經濟條件下的中央政府，其他各部件就是下屬部委和地方政府，比如發動機、發電機、驅動電機、變速器都屬於地方政府，執行中央政府的命令，而BMS更像是財政部，可以往外調撥資金（放電），富裕時也得上繳國庫（充電、制動回收）。

硬體的東西這樣簡單些說完了，還有軟體的東西，其實軟的東西和硬的一樣重要，這就相當於政府中的體制機制的問題了。

這裡題主的問題是混動系統的電控技術，那我這裡只討論混動系統的整車控制策略。根據我們目前對混合動力系統控制策略的研究，劃分為穩態控制策略和動態控制策略，穩態指的是最頂層的整車能量管理策略，動態指的是模式切換、急加速、急減速工況的轉矩協同控制策略，能量管理策略主要關心經濟性、兼顧動力性舒適性，動態過程式控制制策略主要解決多動力源條件下的缷並載過程轉矩衝擊問題，也就是動力性和舒適性問題，同時兼顧經濟性。在混合動力方向研究的前期，大部分研究人員只注重穩態的能量管理問題，隨著研究深入和能力管理策略的日趨成熟，動態過程式控制制問題由次要矛盾轉變為主要矛盾，擺在了我們面前，使我們在策略設計時需要統籌考慮。除此之外，目前研究的趨勢傾向於將故障診斷和保護策略，也就是所謂的整車健康管理作為獨立的系統貫穿於頂層的穩態能量管理和底層的動態過程式控制制中，也就相當於「司法獨立」。

在羅列當前研究的控制策略之前，我想強調一下混合動力系統控制的指導思想，因為萬變不離其宗：混合動力系統控制的宗旨就是在每一個特定的工況下通過協調控制發動機和電機輸出功率，在滿足整車需求的前提下，盡量降低總體能耗和排放。有人會說這是句廢話，但是沒有指導思想是達不成目標的，國家是這樣，汽車也是這樣。

控制策略這部分由於之前的答案都沒有進行介紹，考慮到專業性比較強，我只進行簡單羅列，並說明其基本思想，用於科普，如有興趣可私下討論。

主流的穩態能量管理策略：

1、基於規則/（模糊）邏輯的能量管理策略

顧名思義，就是通過一定的規則確定，發動機和電機的運行，舉個栗子：發動機運行區間被劃分為高中低三個轉矩區域，電池荷電狀態（SOC）也被劃分為高中低三個區域，那這個規則是一個表格，決定發動機、電機輸出的因素有兩點：一個是需求轉矩在當前轉速下所在區域，另一個是當前SOC所在區域，這樣就確定了一個「坐標點」，在規則中就能找到發動機和電機的功率輸出關係。具體規則的確定則要大量的標定試驗確定。

2、基於全局優化的能量管理策略

全局優化的效果在所有的能量管理演算法中是效果最好的，所謂全局優化，就是將全程的運行工況作為輸入條件，因此該演算法必須清楚的知道車輛在任何時刻的運行工況，對整體的能耗進行優化，其依賴於對全部運行工況的準確預知，因此不具備直接應用到實時控制中的條件，因為任何的車輛，即使是路線、站點已知的公交車，其實際的運行工況也有很大的隨機性。目前常用的就是DP (Dynamic Programming) 和PMP ( Pontryagin"s Minimum Principle)，可見於大量的以模擬為主的論文中。

3、實時優化演算法

實時優化演算法的優化思想與全局優化演算法有所不同，為了在實際車輛上運用，不依賴於對未來運行工況的的預知，該演算法不對整體結果進行考慮，而是在每一個時刻都進行優化，得到每一個時刻的能耗最小值，基於min [sum(每一時刻的代價函數)]=min[整體代價函數]的思想，其優化效果略差於全局優化演算法，高於規則/邏輯門策略，同時也是唯一可以用於實時嵌入式系統的優化演算法。目前主要應用的是ECMS (Equivalent Consumption Minimization Strategy) 及其衍生演算法。

這三種能量管理策略各有優劣，目前如果是量產車輛要保證可靠性，那就策略就盡量簡單，基本依靠標定達到好的經濟性，因此邏輯門的策略最具實用價值，我們在已經完成的並聯式、串聯式和行星排混聯式混合動力量產車型中，基本採用的是邏輯門和局部優化結合的能量管理策略，原因只有一個：保證高可靠性。同時我們也在做相關努力能使全局與實時優化結合的演算法更好地應用於量產車輛的控制系統中。

動態過程式控制制策略：

1、「發動機轉矩預估+發動機開環+電機轉矩閉環實時補償」

目前這種方法是最具實用性的控制策略，最早由清華大學童毅博士提出，後來不斷被改進，然而這種組合式策略實際效果有限，同時依賴於電機的快速響應，好在電機的響應速度基本能滿足策略要求，因此在考慮動態過程式控制制的混合動力車輛中應用較多。

2、基於「無擾動切換理論」的動態過程式控制制

將自動控制理論中混雜系統無擾動切換理論引入到了混合動力控制中，其理論效果可將動態過程轉矩衝擊降低到目前可達到的最低水平，和穩態的能量管理策略一樣，優化理論往往難以用於實際控制中，我們也在嘗試通過基於目標的快速原型實現動態過程式控制制策略在量產車型上的實現。

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因時間有限，簡單介紹，如有問題請指出，可以交流探討互相學習。

——維氪動力驅動未來

http://weixin.qq.com/r/zUQ3L7-EMOJPrftM9xHf (二維碼自動識別)

強答

嗯，我知道技術不是我的專長

所以我特意來轉一發我們網站今天發的文章

什麼才是動力電池管理系統（BMS）的核心技術？

http://auto.gasgoo.com/News/2016/01/0603011711760352645781.shtml

僅僅一個BMS中的核心技術，作者說了這麼多。

不過還算是深入淺出，我沒什麼技術背景，但是也基本可以理解。

作者簡介

林健，國家千人計劃特聘專家。曾服務於福特、通用和克萊斯勒。主要領導了通用沃藍達BMS、克萊斯勒的兩款PHEV和菲亞特500e BMS的開發和量產。獲GM 研發創新獎，最有價值員工獎。專利應用於GM所有的在量產的新能源車並獲GM最高科技發明獎。

作為一名混合動力客車的電控系統工程師，覺得還是有資格回答一下這個問題的。混合動力車的主要指標就是節油率。而這個指標是靠整車電控去實現的，車輛什麼時候該讓發動機停機，什麼時候該讓制動能量轉化為電能儲存起來，這個比例是多少，司機的行為解析，車輛的運行模式等等都是整車電控的範疇。就是靠整車電控的優勢，答主的公司混合動力客車節油率做到了世界領先，並獲得了汽車行業唯一的一個國家科技進步二等獎。如有想了解新能源電控相關知識，歡迎私信，在不涉及公司機密的前提下，我會一一作答。

首先對於傳統車，電控技術（一般指發動機控制）可以認為是核心，但對於混動車動力部分增加了電機和動力電池，這兩個部分與發動機一起在動力系統硬體構成中三分天下。

混動汽車中發動機電控系統相對於傳統車中的要求主要增加了發動機啟停技術；

電機由電機控制器控制，對其控制要求主要是電機的轉速、扭矩響應速度快，控制精度高；

電池由電池管理系統控制（BMS），對其主要要求為電壓，溫度，電流採樣頻率高，數據準確，SOC估計精準，以及電池均衡技術；

整車控制器（HCU）作為軟體部分核心，統籌上述動力系統中三大硬體，圍繞能量管理，協調電機和發動機功率輸出，保證電池SOC在一定範圍內，盡量提高經濟性，同時兼顧舒適性以及滿足駕駛員其他需求；

綜上，混動汽車控制技術類似中央與地方統籌協調發展，即要求地方各自繁榮，又要求聽從中央指揮向更崇高的理想邁進。

這種所謂複雜分配模式，無非就是傳統汽車大國捨不得自己積累的那些機械變速器技術。個人認為全電汽車就可以了。哪裡來這麼多亂七八糟的分配模式

全電汽車-多比特的公牛-搜狐博客

我不是做汽車行業的，說個外行的建議，混合動力是否可以做這樣一個模式：汽車採用純電動驅動，汽油發動機純充電，這樣，汽油發動可以工作在最省油的轉速，這樣是否可行呢？