硕士论文——增程式电动客车辅助功率单元控制策略研究

硕士学位论文增程式电动客车辅助功率单元控制策略研究姓名： 学号： 所在院系：汽车学院学科门类：工学学科专业：动力机械及工程指导教师： A dissertation submitted toTongji University in conformity with the requirements forthe degree of Master of EngineeringDynamic Control Strategy Research for Auxillary Power Unit of Range-Extended Electric Bus Candidate:Student Number:School/Department:Discipline:Major:Supervisor: School of Automotive StudiesEngineeringPower Mechinery and Engineering 增程式电动客车辅助功率单元控制策略研究 同济大学同济大学 硕士学位论文 摘要摘要近年来，汽车工业发展迅猛，世界范围内汽车保有量持续增加，能源短缺和环境污染等问题日益突出，一定程度上制约了传统汽车工业的发展。增程式电动汽车具有燃油消耗低、排放低等优势，同时又克服了纯电动汽车续驶里程短的弊端，越来越受到汽车研究机构和生产厂商的关注与重视。动态控制策略对增程式电动客车来说很重要，它的好坏直接影响了整车动力性和舒适性。本文设计了基于转矩模型的动态协调控制策略，在保证辅助功率单元(Auxillary Power Unit，APU)切换过程工作在最佳等效燃油消耗曲线附近的前提下，缩短了工况切换过程的时间，降低了 APU 系统的转速超调量和转矩超调量。本文主要工作及研究成果如下：(1) 建立了增压中冷柴油机瞬态模型。选取 189 个稳态工况点对模型进行标定，保证在每个工况点的转矩、功率、有效燃油消耗率、涡前压力与温度、压气机压比，及进气质量流量与试验测量值的误差基本不超过 10%。在此基础上，通过对喷油系统和燃烧模型进行修改，建立了增压中冷柴油机瞬态模型。(2) 设计了基于转矩模型的动态控制策略。通过 Simulink 与 GT-Power 联合仿真，分析了 APU 系统在加速加载切换过程和减速减载切换过程的动力学规律。结果表明，基于转矩模型的动态协调控制策略，能够快速稳定地实现三点式能量管理策略需要的切换过程。(3) 建立了用于验证上述动态协调控制策略的控制系统。基于 MotoHawk 快速原型开发平台，在动态协调控制策略 Simulink 模型的基础上，加入传感器、执行器及通信的软件接口模块，使用编译器自动生成代码，最终开发了一款基本的 HCU (Hybrid Control Unit)控制器和 APU 控制系统。(4) 通过 APU 台架对基于转矩模型的动态协调控制策略和控制系统实物进行验证，并分析了 APU 在起动加速暖机、加速加载切换过程及减速减载切换过程的转速超调量和转矩超调量，以及 CO、HC、NOX 和颗粒物排放特性。结果表明：(a)可以通过提高发动机怠速转速的方法加速暖机过程，而且怠速转速的提高并不会引起发动机起动过慢的问题。起动过程中，CO、HC、NOX 和颗粒排放基本与喷油量正相关，喷油策略对排放的控制比较重要。(b)为了降低系统的油耗，可以在发动机起动初期适当降低喷油量甚至断油，而不影响发动机的起动性能。但不恰当的初始喷油量可能会带来 APU 系统转矩波动幅度大、起动过程偏慢等问题。(c) 本文提出的基于转矩模型的动态协调控制策略能够保证 APU系统在工况切换时基本沿着最佳等效燃油消耗线附近运行，并且切换用时比较短，I同济大学 硕士学位论文 摘要转速超调量和转矩超调量比较低。(d) 在加速加载的切换过程中，发动机排放总体上会有所升高；而在减速减载的切换过程中，污染物排放总体呈下降趋势。加速加载过程中，缸内燃烧状态较差，空燃比也较低，CO、HC 和颗粒物排放较高，NOX 排放较低；减速减载过程中，缸内燃烧状态较好，CO、HC 和颗粒物排放较低，NOX 排放较高。关键词：增程式电动客车，辅助功率单元，混合动力专用发动机，瞬态模型，动态控制策略IITongji University Master of Engineering AbstractABSTRACTWith the rapid development of automobile industry, vehicles possessive quantity worldwide has been increasing rapidly. Two major world problems including energy shortage and environmental pollution has been exacerbated increasingly, and they have already brought a certain degree of restriction to the development of traditional automobile industry. Extended-Range Electric Vehicle (E-REV) has gained more and more attention both at home and abroad because of its high low fuel consumption, and low emissions, and it can also overcome the all electric range limitation of traditional pure electric vehicles. A torque model based dynamic control strategy is designed in this paper. Under this control strategy, the speed overshoot and torque overshoot of APU (Auxillary Power Unit) in the process of operation point switching is reduced and the switching time is shorter, with the operation point along the best equivalent fuel consumption curve. The main work and research result in this paper is as follows:(1) A turbocharged inter-cooled diesel engine model has been built. Many parameters (torque, specific fuel consumption, pressure and temperature before turbine, pressure ratio of compressor, mass air flow) of the steady state engine model in selected 189 opearation points have been calibrated to the degree that the error between the simuliation value and test value of the important parameters in this engine are under 10 percent. On this base, the fuel injection system and combustion model has been modified to build the transient engine model.(2) The torque model based dynamic control strategy is designed. The co-simulation between Simulink and GT-Power is proceeded. The characteristics of dynamics and emission characteristics of APU on speed up and load up switchover process and speed cut and load cut switchover process are simulated and analyzed, under the above dynamic coordinated control strategy. It can be seen that the the torque model based dynamic coordinated control strategy can quickly and stably realize the switchover process needed by the three-point energy management strategy.(3) A control system for verifying the above dynamic coordinated control strategy is established. Based on MotoHawk rapid prototyping development platform, sensors, actuators and communication software module are added on the basis ofIIITongji University Master of Engineering Abstractcontrol model in Simulink, and the code is generated automatically by compiler, and a basic HCU controller and APU control system are developed finally.(4) The torque model based dynamic coordinated control strategy and the controlsystem proposed is validated by the APU bench, and the dynamics characteristics, CO, HC, NOX, and particle emissions characteristics of APU on speed up and load up switchover process and speed cut and load cut switchover process are analyzed. It turns out: (a) The warm-up process can be accelerated by increasing the engine idlingspeed, and the increase of the idling speed does not led the engine to start too slowly. The CO, HC, NOX and particulate emissions are positively correlated with fuel injection during the diesel engine start-up, so the injection strategy for the start-up process is critical to emissions control. (b) In order to reduce the fuel consumption of the extended-range electric vehicle, it is possible to reduce the fuel injection amount and even cut-off the oil at the beginning of the engine startup, without affecting the starting performance of the engine. However, it should be noted that, inappropriate initial fuel injection may cause some problem, such as larger torque fluctuation range, and slower process of start and so on. (c) The proposed torque model based dynamic coordinated control system can ensure that the APU system runs in the vicinity of the best equivalent fuel consumption line and the overshoot of speed and torque is low, the time of switchover process is short. (d) In speed up and load up switchover process, emissions of the engine will be increased as a whole; while in speed cut and load cut switchover process, pollutant emissions will be reduced as a whole. In speed up and load up switchover process, the combustion condition in cylinder is worse andthe air fuel ratio is lower, so that the CO, HC and PN emissions are higher and the NOX emissions are lower, while, in speed cut and load cut switchover process, thecombustion condition in cylinder is better and the air fuel ratio is larger, so that the CO, HC and PN emissions are lower and the NOX emissions are higher.Key Words: extended-range electric bus, auxillary power unit, engine dedicated for hybrid power system, transient engine model, dynamic control strategyIV同济大学 硕士学位论文 目录目录第 1 章 绪论.11.1前言.11.1.1环境问题 .11.1.2能源问题 .21.1.3新能源汽车 .21.2增程式混合动力汽车 .31.2.1混合动力汽车分类 .31.2.2增程式混合动力的定义 .51.2.3增程式混合动力的工作模式 .51.2.4增程式混合动力汽车发展现状 .61.3混合动力控制策略 .71.3.1能量管理策略 .71.3.2动态控制策略 .81.4控制策略研究现状 .81.4.1能量管理策略研究现状 .81.4.2动态协调控制策略研究现状 .91.5本文研究内容与研究方法 .11第 2 章柴油机仿真模型 .132.1增压柴油机稳态模型 .132.1.1中冷器模型 .142.1.2喷油系统模型 .142.1.3燃烧模型 .162.1.4增压器模型 .202.1.5整机模型 .252.1.6稳态仿真结果 .262.2增压柴油机瞬态模型 .312.2.1燃烧模型 .312.2.2喷油量控制策略 .312.3本章小结 .33第 3 章控制策略 .353.1能量管理策略 .353.1.1增程式混合动力能量管理策略 .353.1.2CD/CS 控制策略 .353.1.3发动机开关策略 .36V同济大学 硕士学位论文 目录3.1.4工作路径 .373.1.5工作点 .373.2动态控制策略 .393.2.1传统动态控制策略 .393.2.2基于转矩模型的动态控制策略 .413.2.3仿真结果分析 .443.3本章小结 .47第 4 章混合动力控制器及系统开发 .494.1控制系统框架 .494.2控制器 .504.2.1控制软件 .514.2.2自动代码生成 .544.3传感器 .544.3.1转速传感器 .544.3.2转矩传感器 .554.4执行器 .554.5 CAN 通讯 .574.5.1 CAN 通讯基本原理 .574.5.2 CANopen 协议 .604.5.3 CANopen 适配模块 RCAN-01 .624.5.4 CAN 通讯软件模块 .644.6本章小结 .64第 5 章试验及结果分析 .675.1试验系统 .675.1.1试验系统总体概况 .675.1.2试验设备及原理 .695.2试验内容 .735.3试验结果分析 .755.3.1起动过程 .755.3.2怠速切换到 A 点 .815.3.3 A 点切换到 B 点 .845.3.4B 点切换到 C 点 .895.3.5C 点切换到 B 点 .935.3.6B 点切换到 A 点 .965.4本章小结 .99第 6 章总结与展望 .1016.1总结.1016.2展望.102VI同济大学 硕士学位论文 目录致谢103参考文献104个人简历、在读期间发表的学术论文及研究成果108VII同济大学 硕士学位论文 目录VIII第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 前言1.1.1 环境问题随着社会的发展，环境问题日益突出1。汽车尾气是大气污染的重要元凶，其含有一氧化碳(Carbonic Oxide，CO)、碳氢化合物(HydroCarbon，HC)、氮氧化物(Nitrogen Oxide，NOX)、颗粒物(Particulate Matter，PM)等有害污染物。研究表明，大气污染物中许多来自汽车尾气排放2，针对汽车尾气排放进行治理势在必行。近年来在全国范围内频繁发生雾霾现象，引起了全社会的广泛关注，有文献指出，雾霾的形成与汽车尾气中颗粒物排放有关3。大气中有很多颗粒物，直径比较大的颗粒物可以被人体过滤，而直径比较小的细颗粒或者超细颗粒则很难被呼吸系统过滤，这些细小颗粒一旦被人体吸入肺部，很容易引起广泛的呼吸系统疾病4，另外，这些细小的颗粒物还会与多种致癌物质混合在一起5，一旦吸入人体，有诱发身体组织癌变的风险。汽车尾气排放除了会带来颗粒物污染外，其他的污染气体也对人类健康和大气环境有很大影响。CO 与人体血液中的血红蛋白结合的能力大于氧气，当吸入肺部的 CO 气体浓度高于一定程度，血液输送氧气能力大大减弱，给人造成缺氧性伤害6-7。HC 主要包括不完全燃烧产物、润滑油及其裂解和部分氧化产物，在强烈的太阳光紫外线照射下，HC 和 NOX 会经过一些列的化学变化，形成光化学烟雾，烟雾中含有对人类及动物眼睛和咽喉有一定刺激作用的物质，危害严重8。 NOX 除了会引起光化学烟雾外，还会对棉花等农作物造成伤害，对人类和动物的呼吸道和肺部产生刺激。而且，NOX 中的 NO 与血红蛋白的结合能力比 CO 还强，NO2 与空气中的水会发生化学反应，生成硝酸和亚硝酸，可能导致酸雨的形成9。为此，世界多数国家都开始制定越来越严格的汽车排放法规，以对汽车尾气的排放加以限制。目前在汽车排放领域，主要有美国、欧洲、日本三大汽车排放法规体系10。目前我国主要沿用欧洲排放法规体系，近年来，我国汽车排放法规与欧洲排放法规推行时间越来越接近。北京上海已经于 2015 年 1 月开始执行国第二阶段标准，2018 年 1 月将在全国范围内执行国标准。2016 年 12 月1同济大学 硕士学位论文 增程式电动客车辅助功率单元控制策略研究23 日，环保部和国家质检总局联合发布轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)，法规要求十分严格，给汽车工业带来了新的挑战，汽车相关研究人员必须想办法降低汽车使用过程中的排放问题。1.1.2 能源问题能源是推动人类发展的重要动力。每一次能源革命，都给世界带来了深刻的变革。第二次工业革命以来，地球上多年储存的能量，伴随着化石燃料被人类快速利用，人类社会得到了巨大发展。然而，随着人们对煤、石油、天然气等资源无节制的开采，世界范围内的能源短缺问题日益严重。根据 Rystad Energy 公司于 2016 年 7 月 5 日公布的信息，全球石油储量为 2.1 万亿桶，当前石油年产量为 300 亿桶/年，大约只能够全球使用 70 年。自从 1993 年以来，我国对石油进口量不断增加，对外依存度不断上升，给国家能源安全战略带来的挑战越来越大。中国石油公司发布的国内外油气行业发展报告显示，中国石油消费保持持续增长，2015 年对外依存度首次达到 60.6%，预计 2020 年中国石油对外依存度将达到 67%11。根据权威部门统计，在世界能源消耗中，公路运输约占石油消耗的 42%，占人类能源总消耗的 16%。随着汽车产业的蓬勃发展，汽车消耗的能源越来越多，占总能源消耗的比重也越来越大12-14。国务院发展研究中心产业部预测，到 2020 年，我国机动车的燃油需求将占当年全国石油总需求的 57%。对于汽车行业研究人员，如何更加高效节能地利用有限的能源，变成了需要认真思考的问题。1.1.3 新能源汽车面对上述问题，越来越多的汽车厂商和研究机构开始注重新能源汽车的研究15。目前，我国主要有三种新能源汽车：纯电动汽车(Electric Vehicle，EV)、燃料电池汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV)和混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)16。纯电动汽车，是指使用电能作为唯一能源，来驱动汽车行驶的汽车。纯电动车在使用过程中不直接消耗石油能源，可以实现“零排放”。它还有能量利用率高、噪声低、动力结构紧凑等优势。但是，纯电动车也具有动力电池能量密度低、充电桩等基础设施不完善、充电时间长等重大缺陷17-19。燃料电池汽车，是一种使用燃料电池替代普通电池或者内燃机来驱动的电动2第 1 章 绪论车。燃料电池使用空气中的氧气和压缩氢气在催化剂的作用下产生化学反应，将化学能转化为电能，供给驱动电机使用，进而推动车辆运行。相比于传统的内燃机汽车，燃料电池产生的污染比较小，其污染主要来自于氢气的制备过程。相对而言，燃料电池汽车是具有现实意义的最为清洁的新能源汽车，而且具有能量利用率高、排放低等优势20。但是由于燃料电池中一般使用贵金属催化剂，造成电池组成本较高，另外由于氢气的储存和运输技术尚未成熟，其安全性和稳定性也不高，短期内实现大规模产业化难度较大21。混合动力汽车是介于传统内燃机汽车和纯电动汽车之间的一种汽车，它使用内燃机和电池两种动力源。内燃机和电动机都可以为整车提供动力，故混合动力汽车兼具有传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点22-23：一方面，混合动力汽车能够更加有效的利用现有的化石能源，降低汽车尾气的排放和能源的消耗24-25；另一方面，它又能弥补纯电动汽车续驶里程短、充电速度慢、成本较高、对环境敏感及安全性低等不足26。综合来看，在未来几十年内，混合动力汽车是上述三种新能源汽车中最具有前景和市场的汽车，值得对其深入研究和探讨。1.2 增程式混合动力汽车1.2.1 混合动力汽车分类实际中，混合动力的实现形式多样，叫法也不尽相同。下面本文将从不同角度阐述混合动力汽车的分类。1.2.1.1 构型角度分类混合动力汽车根据动力系统的构型可以分为串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV)、并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV)、混联式混合动力汽车(Combined Hybrid Electric Vehicle, CHEV)几种形式。不同构型的混合动力系统各有优劣，在不同的应用环境、驾驶工况、成本等要求下，灵活选取恰当的动力系统方案27。串联式混合动力汽车一般指只有一个能量转换装置可以为车辆提供驱动力的混合动力汽车。在串联式混合动力汽车中，一般情况下只有内燃机和电池两个能量源，它们可以单独或同时向其他方向输送能量。内燃机通过带动发电机进行发电，发电机输出的电能根据情况不同输送给动力电池或驱动电机；电池也可以3同济大学 硕士学位论文 增程式电动客车辅助功率单元控制策略研究根据不同情况的需要，向驱动电机和发