一汽混合动力汽车.pdf

混合动力客车开发关键技术研究混合动力客车开发关键技术研究混合动力客车开发关键技术研究混合动力客车开发关键技术研究 RESEARCH ON KEY TECHNOLOGY OF HYBRID ELECTRIC VEHICLERESEARCH ON KEY TECHNOLOGY OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE 中国第一汽车集团公司技术中心中国第一汽车集团公司技术中心 R&D CENTER CHINA FAW GROUP CORPORATION 刘明辉 赵子亮刘明辉 赵子亮 LIU MINGHUI ZHAO ZILIANG 2006年年7月 北京月 北京 JULY. 2006 Beijing 目 录目 录 前言前言 整车集成开发技术整车集成开发技术 整车控制技术整车控制技术 专用总成技术专用总成技术 动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术 动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术 目 录目 录 前言前言前言前言 整车集成开发技术整车集成开发技术 整车控制技术整车控制技术 专用总成技术专用总成技术 动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术 动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术 前 言-前 言-开发电动汽车的驱动力开发电动汽车的驱动力 能源安全和环境压力是未来汽车技术发展的主要驱动力能源安全和环境压力是未来汽车技术发展的主要驱动力 燃油价格的居高不下燃油价格的居高不下 摆脱石油依赖进口的政策压 力导致汽车燃油消费法规出台 （例如：增加燃油税） 摆脱石油依赖进口的政策压 力导致汽车燃油消费法规出台 （例如：增加燃油税） 主要石油产地不稳定的局势 影响石油供应的安全（例如： 中东） 主要石油产地不稳定的局势 影响石油供应的安全（例如： 中东） 从商业角度看，目前尚无其 它可替代石油的资源 从商业角度看，目前尚无其 它可替代石油的资源 能源因素能源因素能源因素能源因素 在在CO2、污染物和噪声排放 方面严格的法规可能会与不同 的燃油税赋结合在一起 、污染物和噪声排放 方面严格的法规可能会与不同 的燃油税赋结合在一起 由于道路运输而带来的日益 增长的温室气体排放导致全球 气候变暖 由于道路运输而带来的日益 增长的温室气体排放导致全球 气候变暖 由于尾气排放导致部分城市 地区的污染日益严重 由于尾气排放导致部分城市 地区的污染日益严重 环境因素环境因素环境因素环境因素 提高传统车动力传动系统的燃油效率和排放水平提高传统车动力传动系统的燃油效率和排放水平 采用具有低排放、低油耗的替代动力传动系统采用具有低排放、低油耗的替代动力传动系统 公众的关 注 汽车工业 面临的挑 战 杠杆 公众的关 注 汽车工业 面临的挑 战 杠杆 资料来源：Mckinsey Drive报告 前 言-前 言-未来汽车技术的开发路线未来汽车技术的开发路线 柴油机 CNG发动机 柴油混合动力 燃料电池 汽油机汽油混合动力 氢发动机 资料来源：Mckinsey Drive报告 柴油机会被柴油机会被 CNG或柴油混 合动力取代？ 或柴油混 合动力取代？ CNG、柴 油混合动力、 汽油混合动 力不同的发 展趋势？ 柴油机、 汽油机如 何共享开 发？ 汽油机会被 汽油混合动力 取代？ 目前的技 术是否还有 应用的前景？ 、柴 油混合动力、 汽油混合动 力不同的发 展趋势？ 柴油机、 汽油机如 何共享开 发？ 汽油机会被 汽油混合动力 取代？ 目前的技 术是否还有 应用的前景？ 前 言-前 言-一汽混合动力客车研发一汽混合动力客车研发 技术特征技术特征 ?动力总成为双轴并联结构，采用电控发动机、动力总成为双轴并联结构，采用电控发动机、AMT自 动变速器、交流感应电机、镍氢动力电池组。 自 动变速器、交流感应电机、镍氢动力电池组。 ?动力性与传统车相当；经济性提高动力性与传统车相当；经济性提高38%，排放降低，排放降低30%。 HCU 研发历程研发历程 通过三轮样车开发，完成产品定型、公告，开始示范运行。通过三轮样车开发，完成产品定型、公告，开始示范运行。 TCUECU BCU MCU ACU AMT BATT.INV. EM ICE PowerS plit CAN BUS 研发成果研发成果 ?自主开发了整车控制器、电控发动机、自动变速箱等关 键总成，形成了 自主开发了整车控制器、电控发动机、自动变速箱等关 键总成，形成了HEV总成产品平台。总成产品平台。 ?“产学研产学研”联合攻关，开发了满足整车要求的国产电机及 电池系统产品。 联合攻关，开发了满足整车要求的国产电机及 电池系统产品。 ?掌握了混合动力汽车整车开发技术、控制系统开发技术、 试验匹配和标定技术。 掌握了混合动力汽车整车开发技术、控制系统开发技术、 试验匹配和标定技术。 ?开发了开发了11米和米和10米两种车型，整车技术指标达到国内领 先水平，整车及关键总成具备了产业化条件。 米两种车型，整车技术指标达到国内领 先水平，整车及关键总成具备了产业化条件。 前 言-前 言-一汽混合动力轿车研发一汽混合动力轿车研发 主要工作主要工作 ? 通过三轮样车开发，整车技术指标达到 开发要求。 通过三轮样车开发，整车技术指标达到 开发要求。 ? 动力总成为双电机混联结构，采用电控 发动机、 动力总成为双电机混联结构，采用电控 发动机、AMT自动变速器、交流感应 电机、镍氢动力电池组。 自动变速器、交流感应 电机、镍氢动力电池组。 ? 动力性与传统车相当；经济性提高动力性与传统车相当；经济性提高45%， 排放降低 ， 排放降低30%。 启动机启动机 G/M M 动 力 电 池 主电机逆变器 副电机逆变器 DC/DC转换器 12V电池 AMT 总体方案总体方案总体方案总体方案 电动压缩机空调逆变器 EPS 控制器 动力系统结构动力系统结构 研发成果研发成果 ? 自主开发了具有发明专利权的双电机混 联整车构型，掌握了混合动力汽车整车 开发技术、控制系统开发技术。 自主开发了具有发明专利权的双电机混 联整车构型，掌握了混合动力汽车整车 开发技术、控制系统开发技术。 ? “产学研产学研” 联合攻关，为关键总成满足 整车要求并实现产业化进行深入研究。 联合攻关，为关键总成满足 整车要求并实现产业化进行深入研究。 ? 整车性能指标具有国际水平，掌握了混 合动力轿车产品设计与开发技术，为一 汽在 整车性能指标具有国际水平，掌握了混 合动力轿车产品设计与开发技术，为一 汽在“十一五十一五”期间进行混合动力轿车产 品开发奠定了技术基础。 期间进行混合动力轿车产 品开发奠定了技术基础。 前 言-前 言-混合动力客车研发的关键技术混合动力客车研发的关键技术 整车集成开发技术整车集成开发技术 整车控制技术整车控制技术 专用总成技术专用总成技术 动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术 动力电池及管理系统技术动力电池及管理系统技术 目 录目 录 前言前言 整车集成开发技术整车集成开发技术整车集成开发技术整车集成开发技术 整车控制技术整车控制技术 专用总成技术专用总成技术 动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术 动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术 1.整车构型和功能整车构型和功能 2.汽车行驶工况开发汽车行驶工况开发 3.整车性能模拟整车性能模拟 4.整车性能测试与评价整车性能测试与评价 5.整车高压安全与整车高压安全与EMC 整车集成技术-整车集成技术-整车构型和功能整车构型和功能 5-10% 1、车辆低速行驶时，电机驱动，解决发动机小负荷运行的低 效率问题 、车辆低速行驶时，电机驱动，解决发动机小负荷运行的低 效率问题 2、发动机停机，达到零油耗和排放、发动机停机，达到零油耗和排放 纯电动驱动纯电动驱动2 5-10% 1、正常行驶发动机单独驱动（发动机、正常行驶发动机单独驱动（发动机Downsizing） 发动机单独驱动发动机单独驱动4 7-10% 5-7% 5-8% 3-5% 节油贡献度 （ 节油贡献度 （%） 6 5 3 1 序 号 序 号 1、发动机驱动，同时，电机发电，维持发动机工作在经济区、发动机驱动，同时，电机发电，维持发动机工作在经济区 2、电池充电，维持电量平衡、电池充电，维持电量平衡 发动机驱动并充 电 发动机驱动并充 电 1、滑行、制动时，电机按比例再生发电，充分回收制动能量、滑行、制动时，电机按比例再生发电，充分回收制动能量 2、对轿车，更需要与、对轿车，更需要与ABS/EBS协调控制协调控制 再生制动再生制动 1、急加速、大油门行驶时，电机助力，保证必需的加速性、急加速、大油门行驶时，电机助力，保证必需的加速性 2、利于发动机维持在经济区运行、利于发动机维持在经济区运行 3、后置电机可以保持动力无中断，改善平顺性、后置电机可以保持动力无中断，改善平顺性 电机助力电机助力 1、消除停车时的发动机怠速，降低油耗、消除停车时的发动机怠速，降低油耗 发动机启停发动机启停 功能具体描述功能具体描述控制策略控制策略 起步低速行驶加速行驶巡航滑行制动停止起步低速行驶加速行驶巡航滑行制动停止 整车集成技术-整车集成技术-汽车行驶循环工况的开发汽车行驶循环工况的开发 行业调研、咨询行业调研、咨询 筛选出有代表性的 干路、次干路、支路、出行时间、出行里程 筛选出有代表性的 干路、次干路、支路、出行时间、出行里程 在选定的有代表性的道路、时间段 进行跟车试验，获取参考 在选定的有代表性的道路、时间段 进行跟车试验，获取参考VA图图 与参考与参考VA对比对比, 满足要求？满足要求？ 试验路段和时间试验路段和时间 结束结束 Y N 路边调查路边调查 交通流统计信息交通流统计信息 断面录像断面录像 试验路段和时间试验路段和时间 通过通过VA图分类 选取有代表性的道路、时间 段 图分类 选取有代表性的道路、时间 段 已有工况已有工况 美国纽约城市循环工况美国纽约城市循环工况 日本的日本的10.15 欧洲的欧洲的ETC循环循环 工况开发技术工况开发技术 动力传动系开发的基础动力传动系开发的基础 数据库数据库 整车集成技术-整车集成技术-整车性能模拟整车性能模拟 整车性能仿真平台整车性能仿真平台 Matalab /Simulink/Stateflow Advisor Cruise 性能预测性能预测 动力性动力性 经济性经济性 排放排放 性能控制性能控制 动力总成构型动力总成构型 总成参数匹配总成参数匹配 控制策略控制策略 整车集成技术-整车集成技术-整车性能测试与评价整车性能测试与评价 试验方法试验方法 动力性动力性 经济性经济性 排放排放 试验评价指标试验评价指标 0-50Km/h加速时间加速时间 直接挡加速时间直接挡加速时间 坡路行驶能力坡路行驶能力 。 试验开发方法试验开发方法 动力总成试验动力总成试验 整车转鼓试验整车转鼓试验 整车道路试验整车道路试验 用户使用试验用户使用试验 转鼓试验转鼓试验 整车集成技术-整车集成技术-整车高压安全与EMC整车高压安全与EMC 高压安全高压安全 整车高压安全满足整车高压安全满足GB/T19751-2005 测试方法和手段、整车高压安全的测试方法和手段、整车高压安全的FMEA分析分析 部件高压安全部件高压安全 整车技术要求的分解、测试方法和手段、供应商培育整车技术要求的分解、测试方法和手段、供应商培育 借鉴国际标准和其他领域的经验借鉴国际标准和其他领域的经验 电磁兼容性电磁兼容性 EMC与与EMI 整车测试和分析手段整车测试和分析手段 部件技术要求确定和相关测试手段部件技术要求确定和相关测试手段 目 录目 录 前言前言 整车集成开发技术整车集成开发技术 整车控制技术整车控制技术整车控制技术整车控制技术 专用总成技术专用总成技术 动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术 动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术 1.计算机辅助开发技术计算机辅助开发技术 2.整车能量管理控制策略整车能量管理控制策略 3.整车能量管理控制算法整车能量管理控制算法 4.整车工作模式切换过程 控制 整车工作模式切换过程 控制 5.整车网络技术整车网络技术 整车控制技术-整车控制技术-计算机辅助开发技术计算机辅助开发技术 控制系统开发过程控制系统开发过程 建模、离线仿真建模、离线仿真 dSPACE 快速原型快速原型 应用应用Targetlink 自动生成代码自动生成代码 ECU虚拟 测试 虚拟 测试 ECU标定标定 整车控制技术-整车控制技术-整车能量管理控制策略整车能量管理控制策略 优化方法优化方法 ? 模拟开发（基于模拟开发（基于Matlab/Simulink/Stateflow 控制器软件开发）控制器软件开发） ? 试验开发试验开发 整车工作模式整车工作模式 ? 发动机单独驱动发动机单独驱动 ? 发动机驱动并充电发动机驱动并充电 ? 电机助力电机助力 ? 发动机发动机ON/OFF ? 滑行时的再生制动滑行时的再生制动 ? 再生制动再生制动 ? 电起车电起车 ? 电机起机电机起机 ? 纯电动纯电动 整车控制技术-整车控制技术-整车能量管理控制算法整车能量管理控制算法 功率分配功率分配 Propelling驱动驱动 Braking制动制动 CostDown滑行滑行 整车控制技术-整车控制技术-整车工作模式切换过程控制整车工作模式切换过程控制 AMT ICE EM Wheel Wheel FD INV BATT axle ICEICE助力增加助力增加助力增加助力增加 EMEM助力减少助力减少助力减少助力减少 发动机和电机动力平滑过渡发动机和电机动力平滑过渡 换档过程控制换档过程控制 制动过程综合控制制动过程综合控制 整车控制技术-整车控制技术-整车网络技术整车网络技术 HCU ECUE/M/GTCUBMS EngineMotorAMT Accelerator Accelerator Brake pedal Brake pedal PRNDL PRNDL CAN bus CAN bus Battery 网络系统通信网络系统通信 网络系统定义网络系统定义 网络系统概念设计网络系统概念设计 网络系统参数设计网络系统参数设计 网络系统通讯协议网络系统通讯协议 网络系统诊断协议网络系统诊断协议 网络系统验证策略网络系统验证策略 网络系统实车验证网络系统实车验证 目 录目 录 前言前言 整车集成开发技术整车集成开发技术 整车控制技术整车控制技术 专用总成技术专用总成技术专用总成技术专用总成技术 动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术 动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术 1.发动机发动机 2.变速箱变速箱 3.制动系统制动系统 4.电动附件电动附件 专用总成技术-专用总成技术-发动机发动机 设计原则设计原则 经济性优先经济性优先 优化特定工作区域优化特定工作区域 适应频繁起停适应频繁起停 90010001100120013001400150016001700180019002000210022002300 SPEED rpm TORQUE Nm 0 80 160 240 320 400 480 560 640 720 800 205 210 210 215 215 220 220 220 220 220 225 225 225 225 225 230 240 250 260 270 280 300 320 340 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 TORQUE Nm 0 80 160 240 320 400 480 560 640 720 800 200 205 205 210 210 215 215 215 215 220 220 220 220 220 220 225 225 225 240 260 280 300 320 340 优化后与优化前（蓝色）油耗对比 燃油经济性优化燃油经济性优化 燃烧系统设计燃烧系统设计 电控系统匹配标定电控系统匹配标定 采用新的燃烧循环采用新的燃烧循环 专用总成技术-专用总成技术-变速箱变速箱 AMT技术技术 TCU控制系统控制系统 专用总成技术-专用总成技术-制动系统制动系统 ABS 调节器 ABS 调节器 ABS 调节器 ABS 调节器 ABS 调节器 ABS 调节器 ABS 调节器 ABS 调节器 制 动 气 室 制动气室 制 动 气 室 制动气室 右前轮右前轮 左前轮左前轮 右后轮右后轮 左后轮左后轮 继动阀继动阀 制 动 气 室 制 动 气 室 轮速传感器 轮速传感器轮速传感器 轮速传感器 制动阀 制动踏板 制 动 气 室 制 动 气 室 轮速传感器 轮速传感器轮速传感器 轮速传感器 制动阀 制动踏板 主动补气阀主动补气阀 双 向 单 通 阀 双 向 单 通 阀 真空助力器真空助力器 湿储气筒湿储气筒 气泵 卸载阀 气泵 卸载阀 排气 手动阀 排气 手动阀 四回路保护阀四回路保护阀 三 通 三 通 快放阀快放阀 三 通 三 通 排 气 排 气 前储气 筒 后储气 筒 前储气 筒 后储气 筒 HCU ABSABS 加速踏板加速踏板 制动灯信号 排 气 排 气 排 气 排 气 CAN 驾驶 员需 求压 力传 感器 压力状态传感器 ABS控制策略控制策略制动系统的改进设计制动系统的改进设计 专用总成技术-专用总成技术-电动附件电动附件 转向、制动、离合器的操纵助力转向、制动、离合器的操纵助力 电动空调电动空调 电动空压机电动空压机电动转向电动转向 目 录目 录 前言前言 整车集成开发技术整车集成开发技术 整车控制技术整车控制技术 专用总成技术专用总成技术 动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术 动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术 动力电机与电力电子技术-动力电机与电力电子技术-驱动电机驱动电机 技术要求技术要求 高性能、低重量和小尺寸；高性能、低重量和小尺寸； 具有低速大扭矩和高速恒功率的特点；具有低速大扭矩和高速恒功率的特点； 在较宽的转速范围内有较高的效率；在较宽的转速范围内有较高的效率； 响应特性好；响应特性好； 能适应频繁的起停、能够实现电动和发电状态的切换；能适应频繁的起停、能够实现电动和发电状态的切换； 噪声小；噪声小； EMC等。等。 电机效率电机效率 平均效率增加平均效率增加 3% 电机转速 (rpm)电机转速 (rpm) 电机扭矩*10 (Nm)电机扭矩*10 (Nm) 电机扭矩*10 (Nm)电机扭矩*10 (Nm) 电机转速 (rpm)电机转速 (rpm) 正常工作 范围 正常工作 范围 正常工作 范围 正常工作 范围 效率效率 A MOTORB MOTOR 动力电机与电力电子技术-动力电机与电力电子技术-驱动电机驱动电机 需求的电机转速响应时间需求的电机转速响应时间 关键技术关键技术 电机控制技术电机控制技术 电机动态响应特性电机动态响应特性 故障诊断功能故障诊断功能 产品化技术产品化技术 重量、重量、NVH、EMC和可靠性控制和可靠性控制 工艺性开发工艺性开发 EMC特性、高压安全和防护等级特性、高压安全和防护等级 低成本技术低成本技术 关键部件的成本和可靠性关键部件的成本和可靠性 旋转变压器或编码器旋转变压器或编码器 IPM（IGBT）功率模块）功率模块 关键部件技术 关键部件技术 专用芯片技术 专用芯片技术 目 录目 录 前言前言 整车集成开发技术整车集成开发技术 整车控制技术整车控制技术 专用总成技术专用总成技术 动力电机与电力电子技术动力电机与电力电子技术 动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术动力电池与管理系统技术 动力电池与管理系统技术-动力电池与管理系统技术-动力电池动力电池 寿命长（性能稳定性好）；寿命长（性能稳定性好）； SOC的精度高，稳定性好；的精度高，稳定性好； 电磁辐射尽量小；电磁辐射尽量小； 成本低。成本低。 技术要求技术要求 高性能、低重量和小尺寸；高性能、低重量和小尺寸； 大功率充放电能力；提高电池的快 速充电能力 大功率充放电能力；提高电池的快 速充电能力 充放电效率高；充放电效率高； 42 44 46 41 55 800 1000 1192 1298 1006 10 20 30 40 50 60 能量密度(Wh/Kg) 0 日本松下D型 （6.5Ah） 日本三洋D型 （6Ah） 中国中国中国中国D D