（动力机械及工程专业论文）isg混合动力汽车起停控制策略及试验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图j 弓馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：蜷辑 、，年6 日哆e t 指导教师签名： 彩色 扣【t 年移具j i t i s g 混合动力汽车起停控制策略 及试验研究 s t a r t i n g s t o p p i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fi s g h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 姓 2 0 1 1 年6 月 f 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着全球能源和环境问题的日益突出，开发低油耗、低排放的新型汽车成为 当今汽车工业发展的首要任务。在这种背景下，融合传统燃油汽车和纯电动汽车 优点的混合动力汽车成为当今最具有应用前景的低排放、低能耗汽车。混合动力 汽车在运行中会频繁的起动停机，怠速停机是混合动力汽车的一项重要节油措施。 因此，开展混合动力汽车起停控制策略相关研究工作，对混合动力汽车研发具有 一定学术价值和应用意义。 本文以超级电容为电池组的i s g 混合动力汽车为研究对象，针对在i s g 电机 或超级电容出现故障时，i s g 电机不能正常工作，设计了“跛行 运行模式和混合 动力运行模式两种运行方式及运行模式切换控制策略。制定了“跛行 模式起动 控制策略和混合动力模式起停控制策略。考虑到超级电容充放电快的特性，混合 动力模式的起动控制策略主要包括i s g 电机单独起动发动机、起动电机和i s g 电 机协同合作起动发动机、起动电机单独起动发动机三种控制策略。 在介绍c c p 协议和标定系统组成的基础上，着重开发了标定系统的c a n 驱 动程序，开发了基于标定工具c a n a p e 的c c p 标定驱动程序，开发了驱动程序与 整车控制策略的应用程序的接口程序。 应用开发的标定系统，进行了i s g 混合动力汽车起停控制策略标定试验工作， 通过“跛行”模式下的起动试验和混合动力模式下的起停标定试验，验证了控制 策略的正确性，分析了混合动力模式的三种起动策略对起动性能的影响。研究了 在不同水温下，i s g 电机单独起动对起动平顺性的影响。最后进行了混合动力汽车 整车转毂试验，由于采用了起停控制策略，整车c o 、h c 和n o x 排放与国标准 相比分别降低了6 2 、6 0 和5 0 ，与原车相比分别降低了3 5 6 、2 0 和2 0 ， 百公罩燃油消耗量与原车相比降低了1 5 1 4 。 关键词：i s g ，混合动力汽车，控制策略，标定系统，试验 isg 混合动力汽车起停控制策略及试验研究 n 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ee n e r g ys e c u r i t ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e sa r eg e t t i n gm o r ea n dm o r e r e m a r k a b l ei nt h ew o r l d ，t h ea u t o m o t i v em a n u f a c t u r e sw e r ec o m p e l l e dt of o c u so n d e v e l o p i n gc l e a nv e h i c l e sw i t hh i i g hf u e le c o n o m ya n dl o we x h a u s te m i s s i o n s u n d e r t h eb a c k g r o u n dm e n t i o n e da b o v e ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，w h i c hi n c o r p o r a t e dt h e a d v a n t a g e so fb o t ht h ee l e c t r i cv e h i c l ea n dt h ec o n v e n t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e v e h i d e ，w a sr e g a r d e da st h em o s tp r o m i s i n gl o we m i s s i o n ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n v e h i c l e i d l es t o p p i n gw a sc o n s i d e r e da ni m p o r t a n tf u e ls a v i n gm e a s u r ef o rh e v t h e e n g i n eo fh e vw i l lb es t a r t e da n ds t o pf r e q u e n t l ya c c o r d i n g t or o a dc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，i th a sa c a d e m i cv a l u ea n ds i g n i f i c a n c ef o rh e vt o r e s e a r c hh e v s t a r t i n g s t o p i n gc o n t r o ls t r a t e g y w h e nam a l f u n c t i o nw a sf o u n di nt h ei s go ri nt h ec a p a c i t o r , t h eh e vd i dn o tr u n a ta 1 1 t h e l i m pm o d e ，t h eh y b r i dm o d ea n dt h em o d es w i t c hc o n t r o ls t r a t e g yw e r e d e s i g n e d f o ri s gh e v t h e s t a r t i n g c o n t r o l s t r a t e g y o f l i m p m o d ea n dt h e s t a r t i n g s t o p i n g c o n t r o l s t r a t e g y o fh y b r i dm o d ew e r ed e s i g n e d b e c a u s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fs u p e rc a p a c i t o r , t h es t a r t i n g s t o p p i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fh y b r i dm o d e i n c l u d e ds t a r t i n gb yi s g s t a r t i n gb ys t a r t e ra n ds t a r t i n gb yb o t hi s ga n d s t a r t e r f i r s to fa l l ，t h ec c pp r o t o c o la n dt h ec o m p o s i n go fc a l i b r a t i o ns y s t e mw e r e i n t r o d u c e d b a s e do nt h ec c p p r o t o c o l ，c a nd r i v e r ；c c pd r i v e ra n di n t e r f a c ep r o g r a m w i t hc o n t r o ls t r a t e g yw e r ed e v e l o p e d t h ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t so ft h es t a r t i n g s t o p p i n gc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ei s g h e vw e r ed o n eb yt h ec a l i b r a t i o ns y s t e m t h es t a r t i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fl i m pm o d e a n dt h es t a r t i n g s t o p i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fh y b r i dm o d ew e r ev e r i f i e dt h r o u g ht h et h e c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es t a r t i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fh y b r i d m o d ew e r ea n a l y z e d t h es m o o t hp e r f o r m a n c eo fs t a r t i n gb yi s gw a sr e s e a r c h e di n d i f f e r e n te n g i n ec o o l a n tt e m p e r a t u r e a tl a s t ，t h eh e vd r u mt e s tw a sd o n e t h er e s u l t s h o w e dt h a tv e h i c l ec o ，h ca n dn o xe m i s s i o n sw e r er e d u c e dc o m p a r e dt ot h ec o u n t r y 1 vs t a n d a r do f6 2 ，6 0 a n d5 0 ，v e h i d ec o ，h ca n dn o xe m i s s i o n sw e r er e d u c e d 1 1 1 isg 混合动力汽车起停控制策略及试验研究 c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lc a ro f3 5 6 ，2 0 a n d2 0 a n dt h a tf u e lc o n s u m p t i o np e r h u n d r e dk i l o m e t e r s ，c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lc a rw a s1 5 1 4 l o w e r k e yw o r d s ：i s gh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , c a l i b r a t i o ns y s t e m ， e x p e r i m e n t 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 混合动力汽车研究的背景及意义1 1 2 混合动力汽车起停工作特性的研究现状1 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 1 2 1 混合动力汽车节油原理1 1 2 2 混合动力汽车起，停工况的研究现状2 1 2 3i s g 混合动力汽车起停工况的研究现状3 混合动力汽车控制策略的研究方法。5 1 3 1 建模仿真研究5 1 3 2 台架和样车试验研究5 本论文的主要研究内容一6 i s g 混合动力汽车结构参数及整车c a n 网络设计8 i s g 混合动力系统8 2 1 1 发动机和离合器之间的i s g 系统8 2 1 2 变速箱和离合器之间的i s g 系统9 2 1 3 双离合器之间的i s g 系统9 2 1 4 变速箱后的i s g 系统1 0 s m ah e v 结构与参数1 0 s m ah e v 整车c a n 网络设计1 3 2 3 1 整车控制系统组成。1 3 2 3 2 整车c a n 网络结构设计1 5 2 3 3 整车c a n 网络性能仿真试验- 一1 6 本章小结1 9 i s g 混合动力汽车起停控制策略2 0 运行模式切换控制策略2 0 “跛行”模式下的起动控制策略。2 1 混合动力模式的起动控制策略2 3 3 3 1 起动类型切换的控制策略2 4 3 3 2i s g 电机单独起动控制策略2 6 3 3 3 双电机起动的控制策略2 7 v isg 混合动力汽车起停控制策略及试验研究 3 3 4 混合动力模式下的起动电机单独起动的控制策略2 9 3 4 混合动力模式下的怠速停机的控制策略3 0 3 5 本章小结3 2 第四章基于c c p 协议的标定系统及程序开发3 3 4 1c c p 协议。3 3 4 1 1a s a p 标准及c c p 协议介绍。3 3 4 1 2c c p 通信方式3 4 4 1 3c c p 消息格式3 5 4 2 标定系统组成及在整车c a n 网络中的定义3 8 4 2 1 标定系统的硬件组成。3 8 4 2 2 标定系统的软件组成3 9 4 2 3 标定系统在整车c a n 网络中的定义4 1 4 3c a n 驱动程序开发二4 1 4 3 1c a n 控制器的初始化4 1 4 3 2c a n 报文接受流程4 2 4 3 3c a n 报文发送流程4 3 4 4c c p 驱动程序开发4 4 4 4 1 标定数据上传的实现4 4 4 4 2 标定功能的实现。4 7 4 4 3d a q 模式的实现4 7 4 5 驱动程序与应用程序的接口程序4 8 4 5 1 标定r a m 初始化4 9 4 5 2c c p 驱动程序与c a n 程序接口5 0 4 6 本章小结5 1 第五章起，停控制策略标定与整车性能试验5 2 5 1 “跛行”模式起动控制策略的试验5 2 5 2 混合动力模式起动控制策略的试验5 3 5 2 1i s g 电机单独起动对起动性能的影响5 3 5 2 2 双电机起动对起动性能的影响5 4 5 2 3 起动电机单独起动对起动性能的影响5 8 5 3 起动平顺性标定试验6 0 v 1 f 江苏大学硕士学位论文 5 3 12 0 水温转矩步长和时间步长对平顺性的影响6 0 5 3 28 0 水温转矩步长和时间步长对平顺性的影响。6 3 5 4 混合动力模式怠速停机工况的标定试验6 6 5 5 混合动力汽车整车转毂试验6 7 5 6 本章小结7 0 第六章全文总结与展望7 2 6 1总结7 2 6 2 存在问题与今后展望7 3 致i 射7 4 参考文献7 5 攻读硕七学位期间公开发表的论文7 7 v h 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 混合动力汽车研究的背景及意义 众所周知，世界各国汽车工业均面临着能源危机与环境保护两大挑战。因此， 各国政府纷纷出台鼓励政策，力图开发出新一代节能环保型汽车。以电能为动力 源，清洁、节能的电动汽车因此逐渐登上历史舞台，其发展前景十分广阔。目前 的电动汽车主要有：纯电动汽车e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) 、燃料电池汽车f c e v ( f u e l c e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 和混合动力汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 三种类型【1 】o 由于电池技术的瓶颈，纯电动汽车和燃料电池汽车的发展暂时受到阻挠，而以内 燃机和电动机为动力源介于内燃机汽车和纯电动汽车之间的h e v ，是零排放汽车 的临时执行方案，也是实现超低排放汽车商品化的实际解决办法【2 1 。我国“十一五” 国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 将电动汽车以重大专项列入，并且将混合 动力汽车作为现阶段电动汽车发展的重点和方向。 1 2 混合动力汽车起停工作特性的研究现状 1 2 1 混合动力汽车节油原理 由于混合动力汽车的组成部件、布置方式以及控制策略不同，形成了多种多 样的结构形式。根据发动机和电动机的功率比的大小，分为里程延长型、双模式 型和动力辅助型；根据发动机运行模式的不同，可分为发动机开关模式型和发动 机连续运行模式型；根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单轴型和 双轴型；根据动力源的数量以及动力系统结构型式的不同，可分为串联式、并联 式以及混联式【3 1 1 4 5 1 1 6 1 。起动发电一体机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 ) 型混合 动力轿车就属于单轴并联混合动力汽车。 混合动力汽车降低燃油消耗和排放是多种手段共同作用的结果。2 0 0 0 年本f f l 公司研制的i n s i g h t 混合动力汽车创下了3 升汽油ij ：驶1 0 5 k m 的世界纪录1 7 1 。整车 控制策略应当能够根据发动机和电机的特性及实时的行驶工况，合理分配发动机 和电机的转矩，获得整车最佳的燃油经济性、排放性以及驾驶舒适性【8 】o 混合动力 isg 混合动力汽车起停控制策略及试验研究 汽车的节能机理可归纳为几个方面：发动机小型化、取消怠速、发动机工作在高 效率区以及制动能量回收【9 1 。 ( 1 ) 发动机小型化。由于可采用电机进行功率调峰，混合动力汽车发动机的 选择只需满足整车要求的平均功率即可，因此降低了发动机需求功率。如丰田p r i u s 混合动力汽车所采用的发动机最大功率为4 3 k w ( 4 0 0 0 r m i n ) 1 1 0 】。 ( 2 ) 取消怠速工况。发动机在城市工况中会经常处于怠速状态，根据我国统 计的城市公交客车循环工况，发动机怠速时间约占整个循环时间的3 0 柏，因 而取消发动机怠速可以达到节油的目的。 ( 3 ) 控制发动机工作在高效区。混合动力汽车由于选择了较小功率的发动机， 经过整车控制策略的优化可以使绝大多数的发动机工作点落在高效区间，从而使 整车经济性得到改善。 ( 4 ) 制动能量回收。混合动力汽车在滑行或制动时可运用电机回收整车动能， 并将能量回收到电池组中储存起来，从而达到回收部分能量并实现节能的目的。 1 2 2 混合动力汽车起停工况的研究现状 通过对混合动力汽车节油机理的分析可以看出，怠速停机是混合动力汽车节 能减排的一项重要措施，而发动机频繁起停就成为混合动力汽车一个典型的瞬态 工况。目前，关于混合动力汽车怠速停机的研究主要集中在三个方面：燃油经济 性优化、基于整车循环测试的排放特性研究、起动停机驾驶性和振动噪声研究。 ( 1 ) 频繁起停对燃油经济性的影响。发动机怠速运转只是为了克服发动机摩 擦阻力，维持发动机运转并对汽车空调等提供动力。怠速时发动机的燃油经济性 和排放都很差，因而理论上取消怠速可以改善整车经济性。m o r i t a k am a t s u u r a 等 人对混合动力汽车怠速停机的时间和频率对整车燃油经济性的影响作了研究。指 出如果怠速停机时间过短，而使取消怠速所节省的能量不能弥补重新起动所额外 消耗的能量，即发生了无效的怠速停机，使整车燃油经济性恶化【1 1 】。当然对于不 同的混合动力系统，发动机、电机功率大小和电池容量都会对有效怠速停机时间 产生影响。此外，车载附件能量消耗也会对有效怠速停机时间产生影响，因而对 于特定的混合动力系统其怠速停机策略都需要进行针对性设计和优化。总的原则 是保证多数情况下的怠速停机是有效怠速停机。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 频繁起停对排放的影响。对于进气道喷射式的汽油机而言，起动和停机 时发动机转速、进气道压力都在急剧变化，进气道内油膜动态平衡被破坏，m i c h a e l d u o b a 等人对丰田p r i u s 混合动力汽车进行了频繁起动停机排放测试，由于p r i u s 采用的是进气道喷射式的汽油机，存在进气道壁面油膜黏附，因此在起动和停机 时都存在h c 排放峰值【1 2 1 。由于汽油机起动时空燃比不能精确控制在理论空燃比 附近，因此即便在三效催化器已达到起燃温度的热机起动情况下，催化器转化效 率也不会太高，不能将排放有效转化。所以必须对混合动力汽车发动机起动过程 的排放控制策略进行优化。 ( 3 ) 发动机频繁起停对驾驶性和振动噪声的影响。驾驶性和振动噪声是目前 混合动力汽车起停工况研究较多的一个问题。在发动机起动和停机的时候，通常 驾驶员能感觉到的振动分为两个阶段：1 ) 拖动阶段；2 ) 初始燃烧阶段。在拖动 阶段由于发动机各缸气动阻力和摩擦阻力使传动系统产生抖动。在初始燃烧阶段， 突然产生的燃烧爆发压力也会使车辆产生振动。这种振动在发动机减速以及停机 的时候也会被驾驶员感觉到。m i n gl k u a n g 的研究指出：发动机起动时，车座的 加速度跟随了动力总成和车体振动的动态响应；类似士i p 发动机停机时，车座的 加速运动也跟随着这种动态响应【1 3 】。量产混合动力汽车都会针对发动机频繁起停 时的驾驶性和振动进行优化控制，以提高车辆的驾驶舒适性。 1 2 3i s g 混合动力汽车起停工况的研究现状 虽然中强度混合动力汽车节能减排的能力更强，但是控制策略复杂，相应成 本也较高。而采用i s g 电机系统的弱混合动力汽车相对成本较低，所以弱混合动 力汽车在未来也会占有相当大的市场比重。怠速停机是i s g 混合动力汽车节能减 排的最重要措施，国内外很多学者都对i s g 混合动力汽车的起停工况进行了详细 的研究。 h e n r yk n g 和j o h n a a n d e r s o n 等人对本田i n s i g h t 滩g 合动力汽车进行了频繁起 动停机排放测试，结果发现混合动力汽车发动机在起动和停机时都会出现排放峰 值【1 4 】。而对于采用直喷汽油机( g d i ) 的本田i n s i g h t 混合动力汽车来说，起动时 会有n o x 排放峰值出现，因而存在n o x 排放的优化控制问题。 上海交通大学的于水博士针对i s g 混合动力系统，研究了发动机在不同的拖 isg 混合动力汽车起停控制策略及试验研究 动条件下起动时的控制策略和瞬态燃烧排放特性；针对首次着火循环研究了不同 边界条件对燃烧和瞬态排放特性的影响规律；根据起动过程混合气形成特性，采 用基于循环控制的方法对发动机快速起动时喷油控制策略进行了优化研究；结合 发动机标定工作研究了起动工况催化器的动态特性【1 5 】。 重庆大学的秦大同教授以i s g 型混合动力长安轿车为研究对象，对怠速自动 起停的条件下i s g 电机起动发动机的动力性进行系统的理论研究，提出基于发动 机起动性能的i s g 电机转矩控制策略和方法，进行起动过程中i s g 电机一发动机 联合工作的系统建模、仿真和优化工作，为i s g 混合动力系统方案设计和怠速自 动起停控制提供依据，为实现i s g 型混合动力汽车整车匹配奠定基础【1 6 】。 怠速停机是i s g 混合动力汽车中最重要的节能减排措施，虽然国内外很多学 者都对其进行了研究，但是仍然存在不足之处。 ( 1 ) 以超级电容作为i s g 混合动力汽车的电池组的研究较少。针对不同i s g 混合动力汽车的结构参数，需要制定不同的起停控制策略。至今没有一种控制策 略适合于所有的i s g 混合动力汽车结构，即使结构相同，不同的电池组也需要不 同的控制策略。例如，镍氢蓄电池、锂电池及超级电容各自的特性均是不同的， 控制策略也是不同的。目前以超级电容作为电池组的i s g 混合动力汽车的研究较 少，超级电容充放电快的特性对i s g 混合动力汽车的频繁起停有何影响，至今很 少有学者专门对超级电容混合动力汽车进行研究。 ( 2 ) i s g 混合动力汽车“跛行 模式的设计。众所周知，传统车都具有“跛 行”模式，即当汽车e c u 中的电控单元出现故障时，e c u 自动启用后备控制回路 对发动机进行简单控制，使汽车可以开回家或是到附近的汽修厂进行修理。对i s g 混合动力汽车而言，当电池组、i s g 电机或者电机控制器出现故障时，车辆就不能 起动行驶了。目前，i s g 混合动力汽车研究缺少“跛行”模式设计。i s g 混合动力 汽车“跛行模式的研究方向应该从起停控制策略和结构上进行研究，控制策略 中必须针对故障进行处理，尽量实现“跛行模式。 ( 3 ) 起动停机过程的平顺性研究。i s g 混合动力汽车频繁起动就需要i s g 电 机能够快速地起动发动机，根据i s g 电机的特性，i s g 电机能够迅速地输出大转 矩，但是快速输出转矩或撤出转矩对驾驶舒适性都有很大的影响，振动比较大。 目前有学者对汽油机直接起动停止过程平顺性进行了研究，从整车和发动机角度 j 江苏大学硕士学位论文 进行建漠仿真，对平顺性进行评价。很少有学者从i s g 混合动力汽车起停控制策 略角度入手，通过优化控制策略来研究起动停机过程的平顺性。因此如何优化起 停控制策略，对i s g 电机进行转矩匹配控制使发动机更快更平稳的起动或停机， 是亟待解决的问题。 1 3 混合动力汽车控制策略主要的研究方法 目f 菏混合动力汽车的研究主要集中在对不同控制策略和匹配方案的研究，主 要的研究方法为计算机仿真、台架试验开发和实车开发平台三种。计算机仿真可 以缩短丌发周期、降低成本、提高结果的准确性。动力系统台架试验和实车平台 可以为j 1 ：发对象提供真实的运行环境，具有计算机仿真所不可替代的作用。 1 3 1 建模仿真研究 仿真技术在电动汽车、混合动力电动汽车领域的应用，不仅降低了产品研发 成本，缩短了研发周期，而且解决了探索新技术、验证新思想的手段问题，是混 合动力电动汽车技术发展的一个重要方面。这些仿真软件具有不同的功能，可预 测一个或多个领域的性能，例如燃油经济性、排放、加速能力和爬坡能力等。目 前应用最广泛的仿真软件是a d v i s o r 软件【1 7 】【1 8 】。 a d v i s o r 软件是由美国能源部开发的基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真软件，通 过内部的子模块进行组装。a d v i s o r 采用后向计算方法( 从驱动轮到油箱) 对给 定的行驶循环进行仿真并采用正向计算法( 从油箱到驱动轮) 作反馈检测和修正， 实现了混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车以及普通内燃机汽车性能 合理的仿真。 a d v i s o r 能采用各种各样经典或标准的驱动循环作为输入。它能预测燃油经 济性、排放性能、加速和爬坡能力，绘制或数据显示任何结果。a d v i s o r 的另一 特点是它精心改进的图形用户界面，允许使用者轻松的从列表框或预定义的模型 库中选择车辆，互换部件和行驶驱动循环。另外，部件和控制策略可在m a t l a b 环境下根据实际需要进行修改。 1 3 2 台架和样车试验研究 混合动力系统的综合控制是混合动力汽车的一项关键技术，要实现混合动力 气 isg 混合动力汽车起停控制策略及试验研究 汽车系统的协同工作，必须设计开发混合动力多能源控制系统。尽管仿真模型中 天键总成的数据来自于实际汽车，但是仿真模型只是对汽车原型的近似，只能反 映整车和关键总成的某些重要特性。另外，用样条插值方法对实际驾驶循环进行 了平滑处理，数字驾驶循环掩盖了大量实际驾驶循环的信息，这些信息都会造成 仿真结果与实际驾驶循环对燃油经济性的差异【6 】。因此，在仿真研究基础上，还必 须对混合动力汽车整车及其控制系统进行台架试验或道路试验，进一步验证混合 动力汽车的综合性能和可靠性。 混合动力汽车试验主要分三种：动力总成系统台架试验，主要调试各总成控 制系统和实现各种功能模式，并进一步开发控制策略与控制算法；整车转毂试验， ：l 三要通过调整各项控制参数，测试整车性能，并进行特定循环工况下的经济性和 排放试验；整车道路试验，对整车驾驶性能进行调试，并对整车动力性、经济性、 可靠性等进行最终验证，确认完成整车开发目标。 三种试验都需要对整车控制器的控制参数、曲线和m a p 数据进行相应的修改 和优化，使动力总成系统达到最佳性能，这个过程称为标定。对于复杂控制系统 的标定，目前应用广泛的是基于c c p 协议的标定方式，支持c c p 协议的标定软件 主要有v e c t o r 公司的c a n a p e ，e t a s 公司的i n c a 1 9 】【刎等。 基于c c p 协议的标定方式具有以下优势： ( 1 ) c a n 总线速率高，因此通过c a n 总线监测数据、标定数据的刷新速度 快，实时性好。 ( 2 ) c a n 总线稳定性好，因此通过c a n 总线标定可靠。 ( 3 ) 由于c a n 总线的普及，且c a n 控制器成本很低，几乎所有的中高端单 片机都内置了c a n 控制芯片，这使基于c c p 协议标定方式的普及成为可能。 ( 4 ) 在硬件上只要求使用e c u 的c a n 接口，主要工作是在e c u 中增加 c c p 协议的标定驱动程序，并不增加任何的硬件成本。 ( 5 ) 如果将基于c c p 协议的标定工具接入连接多个e c u 的c a n 网络中， f l ! 论上标定工具可以同时标定这个c a n 网络中所有e c u 。 1 4 本论文的主要研究内容 6 怠速停机是i s g 混合动力汽车的一项重要节油措施，本文以国家“8 6 3 ”计划 江苏大学硕士学位论文 重大项目“新型电容混合动力轿车整车产品研发”( 课题编号2 0 0 6 a a l l a l 2 8 ) 为 依托，围绕i s g 混合动力汽车起停控制策略开展研乡云工作。采用样车试验的研究 方法，制定i s g 混合动力汽车的起停控制策略，开发基于c c p 协议的标定系统， 运用开发的标定系统对制定的起停控制策略进行验证和标定。主要研究内容如下： ( 1 ) 为实现i s g 混合动力汽车“跛行 模式，对i s g 混合动力汽车的结构进 行改进。在整车控制系统的基础上，构建了混合动力轿车c a n 网络的拓扑结构。 以s a ej 1 9 3 9 协议为参考依据，并结合混合动力汽车的特点，制定了详细的通讯 协议。 ( 2 ) 制定了i s g 混合动力汽车的起停控制策略。主要内容包括：1 ) 制定了 整车运行模式切换控制策略，包括切换条件、“跛行”模式以及混合动力模式。2 ) 针对“跛行”模式，制定了起动电机单独起动发动机的控制策略。3 ) 针对混合动 力模式，制定了i s g 电机单独起动发动机的控制策略、起动电机和i s g 电机协同 合作起动发动机的控制策略以及起动电机单独起动发动机的控制策略。4 ) 制定了 混合动力模式的怠速停机的控制策略。 ( 3 ) 在c c p 协议的基础上，制定标定系统在混合动力整车c a n 网络中的通 讯协议。开发控制器端的c a n 驱动程序、c c p 标定驱动程序以及驱动程序与整车 控制策略的应用程序的接口程序，实现标定数据上传、在线标定以及变量监测的 功能。 ( 4 ) 运用开发的标定系统对i s g 混合动力汽车起停控制策略进行了标定试 验，分析起动类型对起动性能的影响。研究了在不同水温下，i s g 电机单独起动对 起动平顺性的影响。对混合动力汽车进行整车转毂试验，分析i s g 混合动力汽车 起停控制策略对经济性和排放性的影响。 isg 混合动力汽车起停控制策略及试验研究 第二章is g 混合动力汽车结构参数及整车c a n 网络设计 混合动力汽车动力总成结构布置方案以及发动机、电机等关键部件的选型对 车辆的动力性、燃油经济性和排放性能有显著影响，同时也是制定整车控制策略 的基础和前提。本章以上海华普公司的海锋i s g 混合动力轿车( s m ah e v ) 为研 究对象，为实现i s g 混合动力汽车“跛行模式，对其动力总成结构进行了改进。 在整车控制系统基础上，进行了整车c a n 网络设计。 2 1is g 混合动力系统 在i s g 混合动力系统中，按照电机布置位置的不同可分为发动机和离合器之 间的i s g 系统、变速箱和离合器之间的i s g 系统、双离合器之间的i s g 系统和变 速箱后的i s g 系统四种形式乜。 2 1 1 发动机和离合器之间的l s g 系统 图2 1 所示为发动机和离合器之间的i s g 系统，i s g 电机的转子与发动机曲轴 输出端刚性连接，取代了发动机中的飞轮。使用同轴的i s g 电机可直接起动发动 机，这种结构布置方案与带有齿轮传动机构的传统起动电机相比，起动发动机时 会产生一个对曲轴较小的惯性矩，由于发动机压缩行程会引起转矩和转速波动， 所需的平均起动转速和机械功率会增大【2 2 】。采用此种布置方案发动机起动速度快， 柔和。克莱斯勒“道奇无畏e s x 、福特p r o d i g y 以及本田i n s i g h t 都采用了这种 结构方案，这类汽车被称为“轻度混合动力汽车 ( 根据发动机和电池输出的功率 比值，混合动力系统又可分成弱混合、强混合和中度混合) 。这类汽车没有纯电动 工况，但整车成本可大幅度降低，并且燃油经济性也能达到较好的程度，排放也 有比较大的改善。但为了满足今后更为严格的排放标准，发动机的排量还可以进 一步降低。本田i n s i g h t 和尼桑t i n o 混合动力汽车装备了c v t ，进一步改善了整车 的燃油经济性和排放性能【2 3 1 。然而，由于i s g 电机与曲轴刚性耦合，所以只能在 发动机一同运转的情况下才能实现发电机运转、回收制动能量或电动辅助功能， 此时发动机的牵引损失提高了燃料消耗。而且，i s g 电机在低转速时效率不高，起 动时所需的电池组的功率较大。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 发动机和离合器之间的i s g 系统 f i g 2 1t h ei s gm o t o rb e t w e e ne n g i n ea n dd u t c h 2 1 2 变速箱和离合器之间的i s g 系统 图2 2 所示为变速箱和离合器之间的i s g 系统，i s g 电机一侧通过离合器与发 动机连接，另一侧连接到变速箱。 图2 2 变速箱和离合器之间的i s g 系统 f i g 2 2t h ei s gm o t o rb e t w e e ng e a r b o xa n dc l u t c h i s g 电机与变速箱的主轴相连接，这种结构能够实现纯电动模式，也能实现脉 冲起动和制动能量回收，能量回收不受发动机影响，系统效率高。发动机能实现 脉冲或直接起动，但是由于发动机只有在变速箱空转条件下才能实现起动，需要 对变速箱作改动，还需要一个智能变速箱管理系统，成本较高【2 4 1 。 2 1 3 双离合器之间的ls g 系统 图2 3 所示为双离合器之间的i s g 系统，发动机和i s g 电机之间增加一个电 磁离合器，此离合器的应用可用脉冲起动来实现发动机的起动，而其在该起动模 式下所需要的电起动功率较d x t l 5 】。在起动时，两个离合器均分离，中间的i s g 电 机从电池组获得一定的转速并形成动能，随后发动机侧的电磁离合器啮合，离合 器摩擦力矩使发动机加速运转。发动机侧的电磁离合器可在发动机关闭或者断油 时分离，没有了发动机的倒拖转矩，i s g 电机不仅可以单独驱动汽车而且可以回收 更多的制动能量。 发动机水温不同时，发动机所需的起动转矩也不同。热机状态下，发动机所 需的起动转矩较小，电磁离合器啮合，发动机由i s g 电机直接起动；冷机状态下， 发动机所需的起动转矩很大，电磁离合器分离，i s g 电机转子先加速形成转矩，然 后电磁离合器迅速啮合，依靠摩擦力矩使曲轴转动，从而起动发动机，这种起动 方式称为脉冲起动。双离合器之间的i s g 系统方案优点是起动快，无噪声；能量 9 isg 混合动力汽车起停控制策略及试验研究 回收高；发电机功率高。但其需要两个不同的离合器，而且必须联合控制电磁离 合器和变速箱，控制十分困难。而且采用该结构方案时，发动机冷起动时间较长。 厂电、 磁 离 厶 口 器 图2 3 双离合器之间的i s g 系统 f i g 2 3t h ei s gm o t o r w i t ht w oc l u t h e s 2 1 4 变速箱后的is g 系统 上述三种i s g 系统，传动装置均安置在i s g 电机后端，被称为“前传动装置 ； 变速箱后的i s g 系统，传动装置安置在i s g 电机前端，此结构被称为“后传动装 置 ，其结构如图2 4 所示。 图2 4 变速箱后的i s g 系统 f i g 2 4t h ei s gm o t o ra f t e rt h eg e a r b o x 当电动机转矩直接传递给驱动轮时，传动装置仅能改进发动机转矩。这一结 构可用于有大范围恒功率区的大型电动机的电驱动系统。传动装置仅用于改变发 动机的运行工作点，以改进车辆性能和发动机的运行效率。应该注意，当车辆停 止，并且电动机固定连接到驱动轮时，蓄电池组不可能由发动机通过带动电动机 作为发电机而充电【矧。 2 2s m ah e v 结构与参数 图2 5 所示为s m ah e v 并联混合动力系统结构示意图，s m ah e v 采用发动 机和离合器之间的i s g 系统方案，集成发动机、i s g 电机、超级电容和离合器等 部件。将i s g 电机直接安装在发动机曲轴输出端，电机转子和发动机曲轴机械连 接，定子固定在发动机机体上。为了保证在i s g 电机或超级电容发生故障的情况 下能够起动发动机，实现i s g 混合动力汽车“跛行”模式，车上原有的起动电机 仍然保留，但是起动电机继电器不是由钥匙直接控制，而是由整车控制器v c u 控 1 0 i 江苏大学硕士学位论文 制其闭合或者断开。i s g 电机和起动电机都具：卣起动发动机的能力，为起绰控制 策略的i 划定，提供了更多选择的方案。 图2