（动力机械及工程专业论文）isad应用于增压发动机的设计与研究.pdf

摘要 摘要 由于车用废气涡轮增压发动机随着其转速的降低，通向涡轮前的 废气量减少，涡轮前的压力降低，导致增压压力下降，从而每循环进 入气缸的空气量减少，使得增压发动机低速时输出转矩比较低。增压 发动机在加速工况时，由于在涡轮增压器中从排气能量的传递到进气 压力的建立需要一定时间，所以增压发动机的加速响应性能差。 针对上述问题，提出采用集成式起动发电机系统即i s a d ( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o rd a m p e r ) 系统应用于废气涡轮增压发动 机，它不仅解决了发动机低速时输出转矩不足的固有特点，而且使发 动机在宽广的转速范围内有良好的动力性。本文开发了瞬变工况动态 转矩补偿控制算法来改善增压柴油发动机的加速响应性能。 引入i s a d 系统后，发动机和电动机从当前的转矩变化到各自的目 标转矩的规律各不相同，它们具有不同的动态转矩输出响应特性。电 动机的转矩输出响应时间很短，而发动机转矩输出响应时间较长，有 明显的滞后性。因此，当混合动力系统的工作状态发生变化时就会导 致对外输出转矩的剧烈波动，严重影响了驾驶的舒适性。本文针对混 合动力系统在状态切换过程中，如何使发动机和电动机协调工作，从 而保证动力传递的平稳性方面做了研究。在对发动机和电动机动态特 性分析的基础上，论述了动态转矩协调控制问题产生的原因及控制的 必要性；并在转矩管理控制策略的基础上，提出了动态转矩协调控制 算法。在仿真研究的基础上，针对实现动态转矩协调控制算法的关键 技术一发动机动态转矩实时估算，提出了基于发动机平均值模型的实 时转矩估计算法。 本文以锡柴c a 6 d f 2 d 增压发动机为例，详细论述了i s a d 轴动力 组合式混合动力系统整体结构设计、功率流分配设计特点。文章不仅 江苏大学博士学位论文：i s a d 应用于增压发动机的设计与研究 开发了基于电控发动机的i s a d 混合动力汽车多能源控制系统、控制策 略、基于o s e k v d x 操作系统的调度算法、基于o s e 啪x 操作系 统控制任务与基于c c p 标定协议标定系统设计，而且开发了基于非电 控发动机的i s a d 混合动力汽车的多能源控制系统、控制策略。本文还 给出了详细的软硬件设计要点，设计了系统各模块之间的基于 s a e l 9 3 9 协议的c a n 总线与通讯的软硬件，使得在传统汽车上可以直 接改装为i s a d 混合动力汽车，大大扩大i s a d 的应用范围。 文章根据用于废气涡轮增压发动机的i s a d 混合动力汽车电机的 特点，设计了其控制器( 包括软硬件设计) 。随着车用电器越来越多的 应用，针对传统的皮带驱动1 4 v 交流发电机整体效率较低的缺点设计 了4 2 v 电气系统，同时开发了基于混合动力汽车特点的蓄电池管理系 统。 关键词：集成式起动发电机，混合动力汽车，废气涡轮增压发动机， 动态转矩协调控制，多能源管理系统 a b s t r a c t a b s tr a c t t h i sp a p e rf o c u so ne x h a u s tg a st u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e s w i t ht h es p e e do f e n g i n eg o i n gd o w n ，t h eq u a n t i t yo f e x h a u s tg a sl e a d i n gt ot u r b i n ed e c r e a s e s ，t h ep r e s s u r e o fe x h a u s tg a si nt h ef o r w a r do ft u r b i n ef a l l s ，b o o s tp r e s s u r ed e c l i n e s ，c o n s e q u e n t l y , t h e q u a n t i t yo fa i rt h a tg o e si n t oc y l i n d e rp e rc y c l ed e c r e a s e s ，t h e ni t r e s u l t si nl o wt o r q u e o u t p u tw h e nt h es p e e do fe n g i n ei sl o w w h e nt h et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e si si n a c c e l e r a t i o nc o n d i t i o n ，f o rt h ee x h a u s tg a ss u p e r c h a r g e r ，t h ed e l i v e r yo fe x h a u s tg a sa n d e s t a b l i s h m e n to fi n t a k ep r e s s u r ea l ln e e dt i m e ，s op e r f o r m a n c eo fa c c e l e r a t i o no ft h e t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e si sb a d f a c i n gt h i sp r o b l e m ，i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o rd a m p e rs y s t e mi sp u tf o r w a r d a sa r e s o l u t i o ns c h e m e i tn o to n l yr e s o l v e si n t r i n s i cf e a t u r et h a to u t p u t t o r q u eo ft h e t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e si s l o wi nt h el o ws p e e d ，b u ta l s o i m p r o v e sp o w e r p e r f o r m a n c e o v e rt h ea l ls p e e d t h ep a p e rd e v e l o p st r a n s i e n tc o n d i t i o nt o r q u e c o m p e n s a t i o nc o n t r o la l g o r i t h mt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fa c c e l e r a t i o n w h e nt h ei s a ds y s t e mi si n t r o d u c e d ，e n g i n ea n de l e c t r o m o t o rh a v ed i f f e r e n t d y n a m i ct o r q u eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c t h el a wt h a te n g i n ea n de l e c t r o m o t o rt r a n s f e rt o t a r g e tt o r q u ei s n tt h es a m e t h er e s p o n s eo ft o r q u eo u t p u to fe l e c t r o m o t o ri sp r o m p t ， b u tt h a to fe n g i n ei sv e r ys l o w , i t sl a gc h a r a c t e r i s t i ci so b v i o u s i tw i l lr e s u l ti ni n t e n s e f l u c t u a t i o no ft o r q u eo u t p u tw h e nw o r ks t a t e so fh e v v a r y , t h e nd r i v i n gp e r f o r m a n c ei s b a d l ya f f e c t e d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep r o b l e mt h a th o wt or e a l i z es m o o t hp o w e r t r a n s f e ru n d e rs t a t e s w i t c h t h er e a s o nw h yt h ep r o b l e mo fd y n a m i c a l t o r q u e c o o r d i n a t i o na p p e a r sa n dt h en e c e s s i t yo fc o n t r o la r ef u r t h e rd i s c u s s e do nt h eb a s i so f a n a l y s i so fd y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb o t he n g i n ea n de l e c t r o m o t o r t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dd y n a m i c a l t o r q u ec o o r d i n a t i o n c o n t r o la l g o r i t h mo nt h eb a s i so ft o r q u e m a n a g e m e n tc o n t r o ls t r a t e g y t h ea l g o r i t h mo fr e a l - t i m et o q u ee s t i m a t i o nw h i c hi s b a s e do nt h em e a nv a l u ee n g i n em o d ei sp u tf o r w a r d ，w h i c hi s k e yo fr e a l i z i n g d y n a m i c a lt o r q u ec o o r d i n a t i o nc o n t r o la l g o r i t h m t a k i n gt h ee x h a u s tg a st u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e sf r o mw u x id i e s e le n g i n ew o r k s a sa l le x a m p l ei nt h ep a p e r , d e s i g nf e a t u r e so fp o w e rd i s t r i b u t i o na n dt h eo v e r a l l s t r u c t u r ed e s i g no fi s a dh y b r i de l e c t r i cs y s t e r na r ed i s c u s s e d t h ei s a de l e c t r i c h y b r i dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e mo fm u l t i - e n e r g yb a s e do ne l e c t r o n i cc o n t r o le n g i n e 、 江苏大学博士学位论文：i s a d 应用于增压发动机的设计与研究 c o n t r o ls t r a t e g y 、s c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e d0 1 1o s e k v d x o p e r a t i n gs y s t e m 、 c o n t r o lt a s kb a s e do no s e k | v d x o p e r a t i n gs y s t e ma n dc a l i b r a t i o ns y s t e md e s i g n b a s e do i lt h ec c pc a l i b r a t i o np r o t o c o la r ed e v e l o p e di nt h ep a p e l m e a n w h f l e ，t h ei s a d e l e c t r i ch y b r i dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e mo fm u l t i - e n e r g yb a s e do nn o n - e l e c t r o n i cc o n t r o l e n g i n e 、c o n t r o ls t r a t e g ya r ed e v e l o p e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ne l e m e n t sa r e p r e s e n t e di nt h ep a p e r , h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc a nb u sa n dc o m m u n i c a i o nb a s e do n s a e l 9 3 9p r o t o c o la r ed e s i g n e d ，w h i c hm a k ei r a d i t i o n a la u t o m o t i v ec o n v e r t et oh y b r i d v e h i c l e sd i r e c t l ya n d e x p a n dt h es c o p eo ft h ea p p l i c a t i o no fi s a d t h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fi s a de l e c t r i ch y b r i dv e h i d e e l e c t r o m o t o rw h i c hi sa p p l i e di ne x h a u s tg a st u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e s w i t hm o r e a n dm o r ee l e c t r i c a lv e h i d ea p p l i c a t i o n s ，4 2 ve l e c t r i c a ls y s t e mi sd e s i g n e db e c a u s et h e o v e r a l le f f i c i e n c yo f1 4 va l t e r n a t o ro ft r a d i t i o n a lb e l t d r i v e ni s 1 0 w , m e a n w h i l ，t h e b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nf e a t u r e so fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei sd e v e l o p e d k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ；c a nb u s ；p o w e r t r a i n c o n t r o lm o d u l e ；e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 能源紧缺和环境污染是当今全球性的两大突出问题。世界石油储量日益减少， 而燃油汽车是石油消耗的大户，为了节省石油资源，确保必须使用石油作原料的 工业部门的石油供应，寻找替代能源是汽车工业的主要发展方向之一。与此同时， 城市的排放污染和交通噪声污染也日益严重【1 1 。在我国，环境监测数据表明，汽车 尾气排放是城市大气污染的主要来源。因此，研制低或零排放和低噪声污染的新 型交通工具势在必行。 世界各国从事汽车工程的科研人员都在积极探索新的途径，对比各种新材料、 新能源和新动力技术，电动汽车成为主要选择之- - 1 2 1 。电动汽车采用电池组作为储 能动力源，由电池组提供电能，驱动电动机给车辆提供动力，它具有低噪声零排放 的优点。但是，目前电动汽车最大的问题来自动力电池技术，其能量密度低，造成 车辆行驶里程短和电池质量过大、电池寿命短、动力不足、价格高等。另外，较长 的充电时间和难以近期建造大量电池充电站也限制了电动汽车的推广使用。在电动 汽车电池技术取得突破性进展之前，混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，h e v ) 是在近期内能达到环境保护要求的一种可行方案之一。根据国际电 子技术委员会的定义，混合动力电动汽车是能够根据特定的行驶要求，从两种或两 种以上的能量源、能量储存器或转化器获取驱动力的汽车，在运行中至少有一种能 量储存器或转化器直接驱动汽车，并且至少有一种能量源、能量储存器或转化器能 够传递电能【3 l 。混合动力汽车将发动机和电动机合用到一部汽车上，控制系统根据 不同的行驶工况和行驶区域决定发动机、蓄电池和电动机的工作状态。它能提供与 燃油汽车几乎相同的性能和行驶里程，一般不需要外部充电，并且它的发动机可长 时问处于最优的工况下稳定运行，因此燃油经济性和排放性可大大改善 4 1 1 5 1 。 由于混合动力汽车既能满足车辆行驶的性能要求，又能满足严格排放法规， 而且发动机燃油经济性又较好，所以9 0 年代以来世界各大汽车公司纷纷开始研制 混合动力汽车。1 9 9 7 年1 2 月丰田公司首次推出批量生产的p r i u s 混合动力电动轿 车，2 0 0 3 年推出的新p r i u s 。本田公司继1 9 9 9 年1 1 月推出l n s i g h t 混合动力电 动轿车，2 0 0 3 年款本盯混合动力轿车，比l n s i g h t 电池体积减少4 2 ，重量减轻 3 0 ，性能更加出色。美国通用汽车公司在2 0 0 0 年推出p r e c e p t 混合动力概念车。 江苏大学博士学位论文：i s a d 应用于增压发动机的设计与研究 美国福特公司在2 0 0 0 年推出r r o d i g y 混合动力概念车，接着不断努力改进与提高， 2 0 0 2 年又推出f o c u s 新一代燃料电池混合动力轿车。欧洲各大汽车厂也各推出了 其混合动力汽车，如法国的b e r l i n g e ，德国西门子和b o s c h 等著名零部件公司也 积极联手开发混合动力汽车。国内江苏大学、清华大学、北京理工大学、东风汽 车公司等曾对混合动力汽车研究并取得良好成果。 1 2 混合动力的特点及分类 1 2 1 混合动力的特点 混合动力电动汽车将发动机、电动机、能量储存装置( 蓄电池) 、超大电容等组 合在一起，充分吸取了电力热力系统中的优势，它们之间的良好匹配和优化控制， 可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，将在很大程度上降低汽车的耗油量和 污染物的排放，并同时提高驾驶乐趣，改善车辆行为，是当今最具实际开发意义 的低排放和低油耗汽车之一。与电动汽车相比，混合动力汽车具有如下优点：电池 容量小，整车重量轻；汽车的续驶里程和动力性可达到甚至超过内燃机水平；并 且可以保证驾车和乘坐的舒适性。与内燃机汽车相比，混合动力汽车则具有如下 优点：可使发动机在最佳工况区稳定长时间运行，从而降低排污和油耗；在人口密 集的商业区；居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排放；通过电机回收 汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的能耗，提高燃油经济性。 当前h e m 所面临的主要技术问题，一是要提高能量存储装置( 电池) 的比功 率和寿命，二是建立更先进更有效的电子控制和检测系统，三是电力电子器件必 须减小尺寸和减轻质量。 1 2 2 混合动力的分类 混合动力电动汽车按电动机提供的( 额定) 功率占整车输出功率的百分比分轻 度混合动力和强混合动力。轻度混合动力与强混合动力相比，轻度混合动力的电动 机功率较小，它们的电动机主要是在刹车时将汽车的动能转换成电能，而在低速和 起动时则提供额外的转矩。混合动力汽车按能量提供方式可分为以下三种【q 。 1 2 2 1串联式混合动力汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 串联式混合动力汽车是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成， 发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成的混合驱动系统。串联式混合 动力汽车用发动机一发电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组， 2 第一章绪论 使串联式混合动力汽车的行驶罩程得到延长。实际上串联式混合动力汽车的发动 机一发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机并不直接参与整车的驱动。 串联式混合动力汽车的发动机、发电机组，发动机的转速控制在一定范围内， 不受汽车运行工况的影响，所以其发动机可以经常保持在低能耗、高效率和低污 染的状态下运转。 串联式混合动力汽车的驱动系统结构比较简单，动力电池组、发动机一发电 机组和驱动电动机在底盘上的布置有较大的自由度，控制系统也比较简单，因为 只有唯一的电动机驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于纯电动车。串联式混 合动力汽车必须装置一个大功率的发动机一发电机组，再用驱动电动机来驱动车 辆。发动机、发电机和驱动电动机的功率都要求等于或接近于汽车的最大驱动功 率，在热能_ 电能_ 机械能之间的转换过程中，总效率低于内燃机汽车。三大动 力总成的体积较大，质量也较重，还有庞大的动力电池组，使得在中小型汽车上 布置有一定的困难，一般适合大型客车采用。 1 2 2 2 并联式混合动力汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 并联式混合动力电动汽车是由发动机、电动发电机或驱动电动机两大动力总 成组成，发动机、电动发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成的驱动系统。 从并联式混合动力电动汽车的动力系统组成，可大致分为发动机一驱动系统( 变 速器和驱动桥) 一驱动轮等，电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，可以：在 发动机输出轴处进行组合；在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合；在驱动 轮处进行组合。因此，并联式混合动力电动汽车的按驱动力组合模式分为： ( 1 ) 发动机轴动力组合式并联式混合动力电动汽车 发动机轴动力组合式并联式混合动力电动汽车只有发动机和电动发电机两 大动力设备，发动机和电动发电机的动力在发动机输出轴上进行组合，然后通过 由离合器、变速器、驱动桥和半轴组成的传统的驱动系统带动车轮行驶，称为发 动机轴动力组合式并联式混合动力电动汽车。 ( 2 ) 动力组合器动力组合式并联式混合动力电动汽车 动力组合器动力组合式并联式混合动力电动汽车只有发动机和驱动电动机两 大动力设备，发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合，然后通过差 速器和半轴带动车轮行驶。由于发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行 组合，称为动力组合器动力组合式并联式混合动力电动汽车。 ( 3 ) 驱动轮动力组合式并联式混合动力电动汽车 3 江苏大学博士学位论文：i s a d 应用于增压发动机的设计与研究 驱动轮动力组合式并联式混合动力电动汽车的发动机通过离合器、变速器和驱 动桥独立驱动并联式混合动力电动汽车的后驱动轮( 前轮) ，驱动电动机通过减速器 独立地驱动并联式混合动力电动汽车前驱动轮( 后轮) 。在混合动力驱动模式时发动 机与驱动电动机共同组成四轮驱动模式驱动并联式混合动力电动汽车的前驱动轮和 后驱动轮。由于在发动机与驱动电动机混合驱动时，发动机和驱动电动机的动力( 牵 引力) 在驱动轮上组合，因此称为驱动轮动力组合式并联式混合动力电动汽车。 虽然并联式混合动力电动汽车有不同的结构类型，但都是以发动机为主要驱 动模式。发动机控制在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定地运转。发动 机直接带动并联式混合动力电动汽车的驱动系统驱动并联式混合动力电动汽车行 驶，采用传动效率高的机械传动系统，没有串联式混合动力电动汽车( 热能_ 电 能_ 机械能) 转换过程中的能量损耗大。 并联式混合动力电动汽车的发动机和驱动电动机两大动力总成都是驱动动力 装置，在并联式混合动力电动汽车上可以实现发动机驱动模式，驱动电动机驱动 模式和发动机一驱动电动机混合驱动模式等三种驱动模式。发动机和发电机各自 的功率，可以是并联式混合动力电动汽车的最大驱动功率的0 5 1 倍，两大动力 总成的功率可以叠加，因此可以采用较小功率的发动机和驱动电动机，使得整个 动力总成的尺寸较小，质量较轻，造价也较低，可以应用在中小型并联式混合动 力电动汽车上。由于是以发动机驱动模式为主要驱动模式，其动力特性更加趋近 于内燃机汽车。 1 2 2 3 混联式混合动力汽车( s p l i th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 混联式混合动力电动汽车是综合串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力 电动汽车结构特点组成的混联式混合动力电动汽车，由发动机、电动发电机和驱 动电动机三大动力总成组成。由于电动发电机必然是装在发动机的输出轴上，才 能起到发动机飞轮和起动机的作用，才能保持发动机稳定运转并进行发电。因此 电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，只有：( 1 ) 在变速器( 包括驱动桥) 处 进行组合；( 2 ) 在驱动轮处进行组合。因此，混联式混合动力电动汽车的驱动力 组合有以下两种不同的组合模式： ( 1 ) 动力组合器动力组合式混联式混合动力电动汽车 动力组合器动力组合式混联式混合动力电动汽车由发动机、电动发电机和驱动 电动机三大动力总成，在发动机的输出轴上，装有一个电动发电机。电动发电机 一般只用于快速起动发动机和发电。发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进 4 第一章绪论 行组合，然后通过差速器和半轴带动车轮行驶。由于发动机和驱动电动机的动力在 动力组合器上进行组合，因此称为动力组合器组合式混联式混合动力电动汽车。 ( 2 ) 驱动轮动力组合式混联式混合动力电动汽车 驱动轮动力组合式混联式混合动力电动汽车由发动机、电动发电机和驱动电 动机三大动力总成，在发动机的输出轴上，装有一个电动发电机。电动发电机一 般只用于快速起动发动机和发电。发动机通过离合器、变速器和驱动桥独立驱动 混联式混合动力电动汽车的后驱动轮( 前轮) ，驱动电动机通过减速器独立地驱动 混联式混合动力电动汽车前驱动轮( 后轮) 。在混合动力驱动模式时发动机与驱动 电动机共同组成四轮驱动模式驱动并联式混合动力电动汽车的前驱动轮和后驱动 轮。由于在发动机与驱动电动机混合驱动时，发动机和驱动电动机的动力( 牵引 力) 在驱动轮上组合，因此称为驱动轮动力组合式混联式混合动力电动汽车。 混联式混合动力电动汽车兼有串联式和并联式混合动力电动汽车的优点，可 以组合成更多种形式的混合驱动的驱动模式，发动机、电动发电机和驱动电动机 的功率可以是混联式混合动力电动汽车总功率的l 3 l 倍，车辆的整各质量可以 降低，而且性能更加完善，经济性更好，在动力性能方面接近或达到内燃机汽车 的水平，有害气体的排放更少，达到“超低污染”的标准要求。混合动力汽车分 类与比较见表1 1 。 表1 1 混合动力汽车分类 t a b1 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 5 江苏大学博士学位论文：i s a d 应用于增压发动机的设计与研究 1 3i s a d 混合动力汽车特点与国内外发展现状 i s a d ( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o rd a m p e r ) 混合动力汽车是一种轻度混合动力 汽车，动力传动系统采用并联驱动方式和一体化的起动机发电机( 也叫i s g ， i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) 阳1 ，整车动力主要由发动机提供，i s a d 电机在发动 机动力不足时输出辅助动力，来满足整车正常行驶所需的动力。由于i s a d 电机功 率较小，电机辅助动力范围有限，电池的能量也较低，当然对整车的燃油经济性 和排放的改善程度有限。在整车停止或起步、爬坡或加速、减速或制动过程中， i s a d 混合动力汽车具有所需的发动机自动起停、电动助力和再生制动功能，在保 证车辆动力性的基础上能有效地改善燃油消耗和排放，并具有较低的制造成本， 特别适合于中小排量的中低档汽车或主流车型的改造，是一种开发潜力较大的混 合动力汽车。 国外采用一体化电机技术的混合动力汽车以本田公司的i n s i g h t 是i s g i s a d 混合动力汽车的典型代表，它属于轻度混合型。本田i n s i g h t 的动力系统包括一 台作为主动力源的1 o l 稀薄燃烧汽油机( 空燃比为2 6 ：1 ) 和作为辅助动力的 l o k w 一体化的起动机发电机。电机采用了抗热性强的永磁体，薄型线圈，风冷， 超薄型电机的厚度仅为6 0 m m ，直接安装在内燃机曲轴输出端，取代了内燃机的飞 轮。i m a 能实现怠速停机和自动起动功能，在加速时提供辅助动力，或者以发电机 状态运行将减速制动时的动能转换成电能。i n s i g h t 采用了1 4 4 v 镍氢电池组为 i m a 提供电能。通用汽车公司也推出了以皮带传动起动发电机的轻度混合动力汽 车。国内i s a d 混合动力汽车发展概况：长安汽车有限责任公司开展了i s g 型混合 动力长安轿车整车匹配工作，2 0 0 2 年1 2 月，该项目已通过国家验收。奇瑞汽车有 限公司曾开发出b - i s g 轿车。吉利华普也对轻度i s a d 混合动力轿车进行研究和开 发。 1 4 混合动力汽车成本和市场分析 和纯电动汽车( 能量由单一能量源提供，如蓄电池电动车、燃料电池电动车 等) 一样，混合动力电动汽车的初期投资会比传统发动机的汽车高一些，主要是 因为混合动力电动汽车还没有达到市场化的生产规模。但随着混合动力电动汽车 的生产规模的扩大和技术改进，成本会相应降低到一个具有竞争力的水平。对于 混合动力电动汽车，因为发动机和其他附加电子控制元件的成本( 例混合动力电 动汽车能源管理系统、整车功率分配控制管理系统) ，这个价格优势可能不是很明 6 第一章绪论 显。但和同性能的传统燃油汽车相比，混合动力电动汽车的体积较小，成本不会 过高。此外，随着微处理器技术和相关的传感器技术的飞速发展和相应成本的下 降，以及车内网络总线在汽车上的应用，使得各汽车计算机控制单元能够通过总线 网络共享所有信息和资源，达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提 高系统可靠性和维护性、降低成本，使得混合动力电动汽车的成本也会降低到一个 具有竞争力的水平。在混合动力电动汽车中附加蓄电池，可能使它的成本高过燃油 车。但是，如果考虑电池较长的使用寿命和较低的能耗，混合动力电动汽车整个使 用周期的成本也许会接近于燃油车，如果还要考虑能源和环境因素，混合动力电动 汽车将比燃油车成本还要低。混合动力汽车电机的电压和功率等级与电动车类似甚 至相同，但蓄电池容量可以大大减小，因此其造价成本低于电动汽车。 1 5混合动力汽车的发展前景 目前世界各国对环保的要求越来越高，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然 人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是由于电池的能量密度与汽油相差上百 倍，远未达到人们所要求的数值，所以电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。专 家估计在1 0 年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车。开发混合动力汽车成为 主要方向之一。 尽管从长远来看混合动力汽车只是一种过渡车型，但在以后几年内会很有发 展前景。一是混合动力作为一种技术，在不远的将来会成为燃料电池或代用燃料 发动机替换传统以石油为燃料的内燃机的重要过渡技术，对燃料电池或代用燃料 的混合动力汽车的开发将会起重要作用；二是混合动力汽车本身也具有很大的商 业前景，目前各大汽车公司竞相开发和推出自己的新一代混合动力汽车，表明混 合动力汽车本身在商业上就具有美好的前景。 1 6 主要研究内容 ( 1 ) 车用废气涡轮增压发动机随着其转速的降低，通向涡轮前的废气量减少， 涡轮前的压力降低，增压压力下降，从而每循环进入气缸的空气量减少，对增压 度越高的发动机，下降的情况愈严重，即低速时输出转矩较低阳州。针对上述特 点提出采用集成式起动发电机系统即i s a d 系统( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o r d a m p e rs y s t e m ，属于轴动力组合式并联混合动力系统) 的解决方案，解决了车用废 气涡轮增压发动机低速转矩输出不足的固有特点n 帅2 1 ( 目前尚无法从容积式的内 7 江苏大学博士学位论文：i s a d 应用于增压发动机的设计与研究 燃机与速度式的增压器本身来解决) ，同时使得车用发动机在宽广的转速范围内有 良好的转矩储备。 ( 2 ) 由于车用发动机工况变动频繁，在换档后，踏板加油，燃油很快进入 气缸，但此时增压器加速有一滞后，这一滞后是气体滞后和涡轮增压器转子惯性 引起的，使得进入气缸的空气量滞后于燃油量，因此涡轮增压发动机在急加速工 况下很容易冒烟，通过分析电机与发动机的各自的非线性工作过程特点和各自的 转矩响应，提出采用瞬态加速转矩补偿算法，提高瞬态转矩响应性能，利用电机 使得车用废气涡轮增压发动机在过渡工况下相对平缓过渡1 1 3 1 ，进而可以在满足整 车动力性的同时极大的改善混合动力汽车的燃油经济性和减少尾气排放。同时分 析了引入i s a d 电机后，汽车在状态转化以及过渡工况时，因发动机和电动机的动 态特性不同，使得在发动机和电动机向各自目标转矩变化时，整车驱动转矩会发 生突变。为保证汽车行驶的平顺性，通过利用瞬态转矩补偿算法协调发动机和电 动机的目标转矩n 4 1 。最后将上述瞬态过程算法都在m a t l a b s i m u l i n k 平台上仿真 证明。 ( 3 ) 理论分析了i s a d 用于发动机的d a m p e r 功能，即降低发动机的转速波动 幅值算法的可实施性研究。由于传统用i s a d 电机用于汽油机( 因传统的汽油机的 转速较高，使得电机不断处于高频的电动或放电状态，以及发动机与电机相互较 劲，同时汽油机的转速波动相对较小，故一般不用该功能，使得i s a d 混合动力汽 车叫i s g ( i s a ) 混合动力汽车) ，而本文的电机用于废气涡轮增压发动机，较传统 用于汽油机的转速较低，转矩波动较大。文中将对用于发动机的算法模型进行理 论与可实施性探讨。 ( 4 ) 将i s a d 轴动力组合式混合动力系统应用于锡柴c a 6 d f 2 d 增压发动机， 并进行了整体结构改造、功率流分配设计n5 l 。本文不仅设计开发基于电控发动机 的i s a d 混合动力汽车的多能源控制系统，控制策略，基于0 s e k v d x 的调度算法， 控制算法与基于ccp 标定协议标定系统设计，而且给出针对在非电控发动机上 采用i s a d 混合动力汽车的多能源控制系统，控制策略，并给出了详细软硬件设计 要点，设计了系统各模块之间的基于s a e l 9 3 9 协议c a n 总线通讯与的软硬件设计， 使得在传统汽车上可以直接改装为i s a d 混合动力汽车，大大扩大i s a d 的应用范 围。 ( 5 ) 开发了4 2 v 电力系统。采用i s a d 系统的另一大好处是该装置在能源再 生方面做出了贡献。c o n t i n e n t a l 公司的专家们认为，采用传统的系统二次利用能 8 第一章绪论 源是一件不经济的事情，因为对于现在的皮带驱动1 2 v 交流发电机和电动机而言， 再生能源的可利用效率最大仅为5 0 ，而对于铅酸电池来说则为7 0 。对于从动 能转化为电能过程中的整体效率而言，包括能量的存储以及接下来能量转换过程 中所获取的整体推进功率，则因上述原因而低了2 0 。与之形成鲜明对照的是， 使用4 2 vi s a d 系统的整体效率可高达8 0 。 ( 6 ) 开发了基于混合动力汽车特点的蓄电池管理系统的软硬件设计以及基于 混合动力汽车特点的电机控制系统的软硬件设计。 1 7 技术路线 理论分析废气涡轮增压发动机与电机的各自的非线性特点，提出将i s a d 电机 应用于废气涡轮增压发动机的观点，并通过研究各自的非线性工作特点分别建立 其模型理论分析并仿真以及实验证明其应用特点。 讨论i s a d 应用于增压发动机的特点以及可采用的结构方案，各方案的特点。 针对一种结构为例，说明确定选用的电机、发动机的方法。针对上述选型，确定 控制方式即采用c a n 总线的分布式控制系统。 分别针对i s a d 应用于电控增压发动机与非电控发动机设计了多能源管理系 统，各子系统控制器、控制策略、算法等。 文中各章节安排如下： 第一章：讲述了混合动力汽车不同结构的特点、国内外研究现状以及本论文 的研究意义，内容，市场前景分析。 第二章：解释了提出将i s a d 应用于废气涡轮增压发动机的背景，问题的提出 原因，给出i s a d 应用于增压发动机的混合动力汽车设计的特点与结构形式，并结 合本文对6 d f 2 d 发动机，计算发动机阻力矩与对其结构改装。 第三章：研究了i s a d 应用于废气涡轮增压发动机的瞬态特性，通过分析发动 机与电机各自的非线性特点，通过瞬变工况下转矩动态补偿算法，研究了整车在 过渡工况下的特点，同时研究了引入电机后带来的与发动机工作的相互干扰冲突 使得状态变换时输出转矩突变的问题。 第四章：分别针对电控与非电控发动机两个平台设计了多能源管理控制策略。 针对电控发动机给出了基于0 c e k v d x 操作系统的任务调度机制，任务的分类，各 任务的控制策略。针对非电控发动机解决了用于非电控发动机的混合动力汽车的 控制策略，并给出了硬件电路图以及部分软件程序。 9 江苏大学博士学位论文：i s a d 应用于增压发动机的设计与研究 第五章：针对混合动力汽车动力电池的特点设计了基于c a n 总线的蓄电池管 理系统的软硬件设计。 第六章：给出了本文采用的电机控制系统结构设计以及控制器的软硬件设计， 最后给出了基于4 2 v 的电气系统设计。 1 8 研究意义及市场前景分析 1 8 1 研究意义 雪佛兰和通用汽车公司在2 0 0 5 款s i1 v e r a d o 和s i e r r a 混合动力车上装备该 系统。据称，装备i s a d 系统之后，汽车的燃料经济性可以提高1 3 1 0 7 o 本论文中采用的废气涡轮增压发动机匹配i s a d 系统的混合动力汽车，综合了 增压发动机和电动汽车的特点，在结构上没有大范围地改动发动机和整车结构， 它只是在原有发动机的基础上略加改进，所以可行性较高。开发该类型的混合动 力汽车的成本相对较低，目前的发动机室和底盘的设计不用做太大改动，同时该 类型的混合动力汽车也并不需要大容量的电池。其主要意义如下： ( 1 ) 将i s a d 系统应用于废气涡轮增压发动机上的轴动力组合式并联式混合 动力汽车，不仅解决了废气涡轮增压发动机在低速工况时输出转矩较低的问题， 即发动机不能同时兼顾高低速性能的问题；同时还解决了车用发动机在瞬变工况 下，涡轮增压发动机很容易冒烟，通过采用瞬态加速转矩补偿算法解决了车用废 气涡轮增压发动机的过渡工况，通过对发动机进行加速工况优化，可以在满足整 车动力性的同时极大的改善混合动力汽车的燃油经济性和减少尾气排放，同时 i s a d 系统的功能也能得到充分发挥，对汽车整车的结构布置也比较有利。 ( 2 ) 涡轮增压器目前正在向两个方向发展：一是小功率及汽油机方向发展， 针对带有涡轮增压器汽油机同样也有上述问题；另一是向高增压和超高增压方向 发展，而增压度越高的发动机低速转矩特性相对越差。随着涡轮增压器向小功率 发动机和汽油机发展，以及高增压化趋势使得研究i s a d 应用与废气增压发动机更 有意义。 ( 3 ) 本文没有从传统的研究发动机内部燃烧降低发动机排放的思路，而从通 过在汽车不同工况下用外加电机的方法来弥补或吸收发动机的功率，使发动机长时 间处于最优工况，从而降低排放，提高经济性。论文思路从整车角度出发，通过电 机拖动，减少发动机的过渡工况时间，使得发动机在瞬变工况下的平稳过渡。 ( 4 ) 本论文首次在非电控发动机上采用混合动力系统，为传统汽车迈入混合 1 0 第一章绪论 动力汽车领域降低门槛，针对我国发动机市场目前大部分为非电控产品意义更加 远大。 1 8 2 市场前景分析 汽车的能源与环保问题一直是一个世界性的技术问题，是未来汽车工业发展 的两大主题。鉴于混合动力电动汽车具有优良的经济性能与环保性能，目f j 世界 汽车工业发达的国家都在积极地对其进行研究和开发。混合动力电动汽车必将以 其多能源、高效清洁和智能化控制等优势而成为汽车发展的主流方向。在废气涡 轮增压发动机的汽车上采用i s a d 系统的轴