（动力机械及工程专业论文）基于labview的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 i ii f i i ilif l i l llr f ii i l l lirfilli y 18 9 5 4 61 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、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：咏毛锋 归if 年6 月碧日舯= 躐o o 沙t1 年易月日 l 一 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车 测试标定系统的开发与试验研究 d e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e a s u r e m e n t c a l i b r a t i o ns y s t e mb a s e do nl a b v l e wf o rh e v 研究 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 混合动力电动汽车以其良好的经济性和排放性，正成为世界范围 内新型汽车发展的重要方向之一。新型通讯网络技术一c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线已成为混合动力电动汽车研究领域的 重点。整车控制器作为混合动力电动汽车能量分配管理和控制系统管 理的中枢，为了实现整车性能的优化，需对整车控制器进行标定匹配。 针对电容式混合动力电动汽车c a n 网络结构与布局设计要求， 建立了可靠、稳定的整车通讯网络。并制定了测试标定系统节点在整 车c a n 网络中的通讯协议，实现了标定系统节点与整车网络的通讯。 运用l a b e w 图形化的编程环境开发了a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 五组 份尾气分析仪、u s b c a nd r i v e r 、c a n 网络监测等模块，通过对各 模块的集成调试完成了基于c c p 协议的测试标定系统的开发工作， 实现了对整车控制器的在线标定等各项功能。 使用独立开发的测试标定系统对整车控制器中的标定参数进行 了调整和优化，完成了电容式混合动力电动汽车起动、加速和制动工 况的标定匹配工作。通过标定优化，发动机转速到达起动成功目标转 速最快只需0 4 s ，是原型车的1 3 ，整个起动瞬态过程最短持续2 s ， 实现了整车的快速起动；冷机和暖机起动过程中的h c 体积分数平均 值较原型车分别降低了3 6 倍和6 5 ，有效改善了起动过程中的h c 排放。 最后，通过n e d c 行驶循环试验，结果表明标定后的整车燃油 经济性和排放性能都有较好改善，其中当量油耗较标定前降低了 3 2 ，较原型车降低了1 4 1 ，排放也低于国排放标准限值。 关键词：混合动力电动汽车，c a n 总线，c c p ，控制策略 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究 h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei sb e c o m i n gam a i nb r a n c ho fn e wt y p e a u t o m o b i l e si nt h ew o r l db e c a u s eo fi t sh i g hf u e le c o n o m ya n dl o w e m i s s i o np e r f o r m a n c e i ti sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l do fu s i n gan e w t y p e o fc o m m u n i c a t i o n - - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r ko nt h ep o w e r t r a i n c o n t r o ls y s t e mo fh e v t h ef u n c t i o no fv e h i c l ec o n t r o lu n i ti se n e r g y m a n a g e m e n ta n dp o w e r t r a i nc o n t r 0 1 a s t h ec o n t r o lc e n t e ro fah e v , p a r a m e t e r si nv c u n e e dt ob eo p t i m i z e da n dc a l i b r a t e df o rr e a l i z i n gt h e p e r f o r m a n c eo fah e v 。 ar e l i a b l ea n ds t a b l ec a nb u sw a sc r e a t e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s o fs t r u c t u r ea n dd i s t r i b u t i o n a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a s f o r m u l a t e dt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em e a s u r m e n t c a l i b r a t i o ns y s t e ma n dc a nb u s l a b v i e ww a su s e dt od e v e l o pt h e m e a s u r e m e n tc a l i b r a t i o ns o f t w a r ew h i c hi n c l u d ea v lf i v ec o m p o n e n t s e x h a u s ta n a l y z e rm o d u l e ，u s b c a nd r i v e rm o d u l e ，c a nm o n i t o r m o d u l ea n ds oo n t h em e a s u r e m e n tc a l i b r a t i o ns y s t e mw a su t i l i z e di n t h ec a l i b r a t i o nt e s t i n ga f t e ri n t e g r a t i n ga n d d e b u g g i n g a f t e rt h ec a l i b r a t i o no fr e l a t i v ep a r a m e t e r so fd i f f e r e n to p e r a t i o n m o d e s ，t h ep e r f o r m a n c eo fh e vh a db e e nw e l le n h a n c e d t h es t a r t i n g t i m ew a so n l yo n e - t h i r do ft h ep r o t o t y p ev e h i c l e t h et r a n s i e n ts t a r t i n g p r o c e s so n l yc o s t2s e c o n d s t h eh ce m i s s i o nd u r i n gc o l da n dw a r m s t a r t i n gw a s3 6 a n d 6 5 l e s st h a nt h ep r o t o t y p ev e h i c l e t h ef u e le c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c ew a sv e r i f i e db yt h e n e d c d r i v i n gc y c l et e s t i n g t h ef u e lc o n s u m p t i o nw a s r e d u c e db y3 2 a n dw a sl o w e rt h a nt h ep r o t o t y p ev e h i c l eb y1 4 1 t h ee m i s s i o n sw e r e l o w e rt h a nt h el i m i t so fn a t i o n a li ve m i s s i o ns t a n d a r d k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，c a nb u s ，c c p , c o n t r o ls t r a t e g y 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 选题背景1 1 2h e v 概j 苤。2 1 2 1 混合动力技术2 1 2 2h e v 整车控制器2 1 2 3c a n 总线技术在汽车上的应用。3 1 3 电控系统标定技术。5 1 3 1 标定技术简介5 1 3 2 标定系统发展现状5 1 3 3 基于c c p 协议标定方式的优势6 1 4 课题来源与主要研究内容6 第二章电容式h e v 整车控制策略研究8 2 1 混合动力系统基本结构8 2 2 整车控制系统构架9 2 2 1 整车控制器9 2 2 2i s g 电机控制器。：1 0 2 2 3 发动机控制器1 0 2 2 4 电控离合器控制器1 0 2 2 5 仪表控制器1 1 2 3 整车控制策略1 2 2 3 1 起动工况控制策略1 2 2 3 2 怠速工况控制策略1 3 2 3 3 加速工况控制策略1 4 2 3 4 制动工况控制策略1 5 2 4 本章小结1 6 第三章基于c c p 协议的标定方式。1 7 3 1 基于s a ej 1 9 3 9 的混合动力整车c a n 网络1 7 3 1 1s a ej 1 9 3 9 协议概述1 7 i 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究 3 1 2c a n 网络物理层1 9 3 1 3c a n 网络数据链路层。2 1 3 1 4q 气n 网络管理层2 1 3 1 5c a n 网络应用层2 2 3 2c c p 协议介绍。2 4 3 2 1c c p 协议通讯方式2 4 3 2 2c c p 协议报文帧2 5 3 2 3c c p 命令概览2 6 3 2 4c c p 数据获取方式2 8 3 2 5 测试标定节点应用层协议2 8 3 2 本章小结。2 9 第四章测试标定系统的开发。3 0 4 1 系统总体方案设计3 0 4 1 1 系统构成3 0 4 1 2 硬件选型3 0 4 1 3 上位机软件开发工具3 2 4 2 上位机软件开发。3 3 4 2 1 功能定义。3 3 4 2 2u s b c a nd r i v e r 模块3 3 4 2 3a s a p 2 文件解析模块3 5 4 2 4 标定模块：。3 6 4 2 5 整车c a n 网络监控模块3 7 4 2 6a v ld i g a s4 0 0 0l i g h t 五组份尾气分析仪通讯模块3 9 4 3 本章小结：4 0 第五章h e v 整车性能试验研究。4 2 i v 5 1 试验方案4 2 5 1 1 试验设备4 2 5 1 2 试验对象4 2 5 1 3 试验工况4 4 5 1 4 试验方法4 4 5 2 起动工况标定试验4 5 5 2 1 起动过程分析4 5 5 2 2 冷机起动试验结果分析4 7 5 2 3 暖机起动试验结果分析：4 8 5 2 4h c 排放分析。4 9 5 3 加速工况标定试验。5 0 5 3 1 试验结果分析5 1 5 4 制动工况标定试验5 2 5 4 1 试验结果分析。5 2 5 5 整车性能试验。5 3 5 5 1 燃、佃经济性分析5 4 5 5 2 常温2 0 排放分析。：5 5 5 6 本章小结5 5 - 第六章全文总结和展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 存在问题与展望5 8 参考文献。 致谢 攻读硕士学位期间公开发表的论文 5 9 6 1 6 2 v 命和经济转型的核心位 从而诞生了人类的工业 界的经济腾飞，把人类 了能源和环境的巨大挑 战。进入2 1 世纪，传统燃油汽车所引起的能源与环境危机日益严重，汽车节能 和排放已成为国际社会广泛关注的热点和难点问题之一，如何提高能源效率、调 整能源结构、寻求替代能源已经成为实现经济社会可持续发展所必须解决的重要 课题。以替代燃料和混合动力为代表的各种新型汽车能源动力技术迅猛发展，相 互竞争，引发了一场新的技术革命【1 1 。 这场能源动力系统变革的主要趋势是汽车能源多元化、汽车动力电气化和汽 车排放洁净化。混合动力电动汽车( h v b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 是清洁汽车 中最具有产业化和市场化前景的车型。它采用发动机、电机和电池作为混合动力 总成，既继承了电动车辆作为“绿色汽车”的节约能源和超低排放的优点，又弥补 了电动车辆行驶里程不足的缺点。通过优化控制系统可使发动机、电机和电池保 持在最佳效率区运行，并实现再生制动能量回收，提高了整车的能量利用率，同 时大幅度减少了排放污染。根据统计资料，h e v 的燃油消耗指标与装备同类型 发动机的传统汽车相比平均降低3 0 4 0 ，尾气排放指针平均降低5 0 。6 0 。 在配套设施方面，不需要像燃气汽车和电动汽车那样投入巨资进行加气站和充电 站建设。目前h e v 正在成为国际汽车工业发展的重要潮流和热点之一。 h e v 的动力总成与电控系统较传统车要复杂的多，包括电机控制系统、发动 机控制系统、电池控制系统等。为了使整车控制器能够对各子系统进行协调管理， 合理进行能量分配使各系统工作在高效率区，提高能源的利用率【2 】，必须对整车 控制器中的控制参数进行标定和优化，标定的质量将直接决定整车控制器对各个 系统的协调控制精度，影响整车的最终性能。标定系统是混合动力整车性能开发 的必备工具【3 】，因此，测试标定系统的开发是混合动力整车研发过程中必要的 组成部分。开展测试标定系统的开发及进行整车控制器标定试验研究工作，能够 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究 在整车研发阶段快速实现控制策略的设计目标，实现整车性能的优化。 1 2h e v 概述 1 2 1 混合动力技术 h e v 是指有两种和两种以上的储能器、能源或转换器作为驱动能源，其中 至少有一种能提供电能的车辆。h e v 具有如下特点： ( 1 ) 可根据当前运行工况自动取消发动机的怠速，降低了传统发动机怠速过 程中的燃油消耗与尾气排放； ( 2 ) 制动能量的回收和利用，减少了传统汽车的制动能量变成热能，提高了 能源利用率； 一n ( 3 ) 在加速时，电机提供额外的动力辅助，改善发动机的工作效率。 混合动力系统能够最大程度地提高整车运行效率。当发动机工作在低效率区 时，由电机单独驱动整车：当发动机工作在高效率区时，由发动机单独驱动整车 或发动机和电机共同提供动力输出。此外，由于发动机负荷的减少，废气排放和 噪声都有所减少；同时由于得到电机动力的辅助，使发动机处于良好的工作状态， 加上制动能量回收，都有助于减少燃油消耗。 根据发动机与电机的不同组合方式，h e v 可分为三类：串联式混合动力电 动汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) 、并联式混合动力电动汽车( p a r a l l e l h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 及混联式混合动力电动汽车( s e r i e s p a r a l l e lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，s p h e v ) 。国外普遍认为h e v 是目前投资最少、选择余地最大、 成本最低、见效最快的新能源汽车方案，可以在短期内满足未来排放标准和节能 目标的主流清洁车型。 1 2 2h e v 整车控制器 h e v 与传统的内燃机汽车和电动汽车不同，它一般至少有两种车载能量源， 其中一种为具有高功率密度的能量源，并且各个能量源都有各自的电子控制器 ( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ，e c m 。为了利用两种或两种以上能量源的特性互补，来 实现整车性能的改善和提高，必须要实现各e c u 之间的相互协调工作，这就需要 一个单独的e c u 对发动机、电机、电池等多个控制器进行统一管理和能量分配， 这就是h e v 的一心脏一整车控制器( v e h i c l ec o n t r o lu n i t ，v c u ) 4 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 v c u 是h e v 的控制中枢，也是混合动力整车控制策略得以实现的依托。所 谓整车控制策略就是实现整车能量管理与动力系统控制的算法，主要功能是进行 整车能量管理和动力系统的控制，指挥各个系统根据不同的工况条件进行协调工 作，实现能量的合理分配【5 】。从而获得最佳的燃油经济性、整车动力性、驾驶性 以及排放性。为了达到最佳的整车综合性能，v c u 中的控制参数需要进行标定 优化。 1 2 3 c a n 总线技术在汽车上的应用 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测 试仪器之间的数据交换而研发的一种串行数据通讯协议，最初开发用于客车的车 载联n0 6 1 。随着汽车电子化程度不断提高和电控技术的不断发展，车载电子控制 系统越来越多，同时各个系统之间需要实时进行数据交互与共享，若采用传统点 对点的通讯方式，必然会增加整车线束的长度与质量，通讯的实时性也会受影响。 为适应“减少线束的数量”、“通过多个l a n ，进行大量数据的高速通讯”的需要【6 】， 1 9 8 6 年b o s c h 公司开发出面向汽车的c a n 通讯协议，并针对i s o l l 8 9 8 及 i s o l l 5 1 9 标准进行了修改，在欧洲已是汽车网络的标准协议。它在汽车领域的应 用是最广泛的，国外一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、 p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 等都采用了c a n 总线来 实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通讯。 与一般的总线通讯网络相比，c a n 总线网络实时性好、可靠性高，具有良 好的扩展性，其主要特点如下【7 】： ( 1 ) c a n 网络为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向 网络上其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活； ( 2 ) c a n 网络上各节点的报文分成不同的优先级，可满足不同的实时性要 求； 0 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响继 续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很 重的情况下也不会出现网络瘫痪情况； ( 4 ) c a n 只需通过帧滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等几种方 3 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究 式的收发数据； 佑) c a n 采用非归零( n r z ) 编码，直接通讯距离最远可达1 0 k i n ( ；基率5 k b p s ) ，最高通讯速率可达1 mb p s ( 此时通讯距离最长为4 0 m ) 1 8 l ； ( 6 ) c a n 网络上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。标准帧 报文的标识符为1 1 位，而扩展帧的报文标识符为2 9 位，个数几乎不受 限制； ( 7 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰频率低，从而保证了通讯数据的低 出错率。同时，c a n 通讯每帧信息都有c r c 校验机制，并可以方便的 通过软件增加冗余的检错功能【9 】； ( 8 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，从而保证总线 网络上的其它节点通讯不受干扰； 戴姆勒奔驰是第一个将c a n 总线应用于发动机管理系统的汽车制造商。 现在奔驰公司生产的大部分轿车和载货汽车都使用基于c a n 总线的发动机管理 系统。欧洲大部分汽车制造商，如宝马、保时捷、劳斯莱斯、大众、沃尔沃、雷 诺等都已经使用了c a n 总线。i n t e l 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 、s i e m e n s 等 各大公司争相推出自己的c a n 通讯控制器产品，m o t o r o l a 公司还新定义了 自己的c a n b u s 和l i n b u s 标准，同时推出了集成的高速低转换芯片专门用 于汽车工业。开发具有智慧的带有c a n 总线接口的新型汽车仪表盘及相应的线 束，取代现行的汽车仪表盘及线束后可满足未来汽车高性能的需求，提高汽车的 安全性和可靠性，并为提供融安全、舒适、娱乐为一体的车内环境创造条件。 国家8 6 3 计划关于电动车发展规划中明确规定：新申报的电动车开发项目必 须采用基于c a n 总线的整车通讯控制系统。奇瑞已首次成功试装采用c a n 总 线技术的混合动力轿车，上海大众的帕萨特和p o l o 等汽车上也引入了c a n 总 线技术。但总的来说，目前c a n 总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验 和起步阶段，对c a n 总线的应用研究也已经起步，清华大学、北京航天航空大 学等在c a n 控制网络方面开展了富有成效的研究。目前国内在整车网络体系构 建、信息接口规范等方面的研究也才刚刚起步，没有形成自己独立的c a n 应用 层的协议规范，离发达国家的技术水准有一定的差距。按照我国汽车电子技术发 展规划，进入2 1 世纪后汽车电子技术可达国外9 0 年代水平，为了缩短同国外汽 车技术水准的差距，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于发展，消化、吸 4 收、研究和开发自己的汽车总线与网络应用系统势在必行。 1 3电控系统标定技术 1 3 1 标定技术简介 标定是根据发动机及整车的各项性能要求，包括动力性、经济性、排放等， 调整、优化和确定电控系统软件的运行参数( 发动机转速、冷却水温度等) 、控制 参数和各控制数学模型的整个过程。随着汽车电子技术的不断发展，电控技术在 汽车领域的应用越来越广泛，控制器的标定已成为汽车电控系统开发的一个重要 环节。在电控系统的开发过程中都需要进行相关的匹配标定试验，调整优化控制 器内部的控制参数。 车用e c u 的标定是一个十分复杂的过程，一方面是由于汽车动力总成系统 工作状况的复杂性，涉及到的控制参数繁多；另一方面是许多控制参数之间并不 是互相独立的，相互之间存在着影响。而整车电控系统性能的发挥主要依赖于控 制参数的标定质量，所以控制参数的标定和优化需要进行繁琐的标定工作，反复 进行试验和数据修改。 e c u 中的控制参数的优化需要使用专门的工具进行分析和修改，于是诞生 了电控单元标定系统。直接影响整车或者发动机性能的各个控制参数，目前都以 1 d 、2 d 或3 dm a p 形式存储于e c u 中，控制程序通过查表( m a p ) 确定各个 控制量的大小，m a p 图是否精确合理将直接决定发动机和整车的性能。标定系 统的选型关系到标定周期长短、标定质量好坏以及标定成本的高低。因此，功能 完善、性能稳定、操作快捷的电控单元标定系统是电控系统开发成功的关键因素 之一。 1 3 2 标定系统发展现状 目前国内外使用的电控标定系统基本都是基于s c i 串行通讯协议、k w p 2 0 0 0 通讯协议、t c n 碑协议、c c p 协议等，由于没有采用统一标准的通讯协议，标 定软件不具有通用性，无法对不同e c u 进行标定，对e c u 和标定系统的开发带 来了不便。为了实现e c u 的开发和标定软件开发的相对独立，在欧洲，一直致 力于使所有汽车生产商的产品遵从于统一标准和协议，由a u d i 、b m w 、 m e r c e d e s b e n z 、v o l k s w a g e n 等欧洲汽车公司成立的标准化组织a s a p 于1 9 9 2 年 5 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究 推出了c c p 标定协定。随后a s a p 组织将该协议不断地升级和完善，并于1 9 9 6 年发布了实际应用的2 0 版本。 国外研发的并且已经广泛运用的标定系统有a t i 公司的v i s i o nc c p 、 d s p a c e 公司的c a l d e s k1 1 、v e c t o r 公司的c a n a p e 、e t a s 公司开发的i n c a c c p 、大众公司的v s l 0 0 0 、通用公司的c a l t o o l 等等，它们在各自的领域都具 有标定、数据分析、项目管理及标定对比等强大功能，并且其中很多都开始支持 c c p 和x c p 标准协议，但它们都只支持特定的通讯硬设备，且整套系统价格昂 贵，增加了开发成本。 目前，国内成熟的基于c c p 协议的标定系统较少，如北京易控汽车电子技术 有限公司研发的e c k a ，而有些系统主要是采用v e c t o r 提供的f r e ec c pd r i v e r t l o l 或者是基于m a t l a b 的相关工具包开发的应用软件，并没有独立的c c p 驱动。 国外产品功能强大，但价格昂贵，且其标定软件也不能满足e c u 毛e 不同应用场合 的不同需求，用户不能进行定制，缺乏灵活性。因此，研究并掌握c c p 的核心技 术，开发针对不同用户需求提供不同的定制功能，并能适应p c i 、u s b 等不同主 机接口【1 1 】的标定系统具有非常重要的意义。 1 3 3基于c c p 协议标定方式的优势 基于c c p ( o 埘c a l i b r a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议的标定方式继承了c a n 总线传 输速率高、通讯距离长、抗干扰能力强等优点，相对于基于s c i 串行通讯协议、 k w p 2 0 0 0 通讯协议通讯速率慢、抗干扰能力差的缺点可以真正实现e c u 的在线 标定和实时数据监测。 采用t c p 口通讯协议的标定方式，需对e c u 进行专门的改造，在原有的电 路基础上增加e t k 模块【5 】，不但增加了e c u 开发的复杂程度，也提高了开发成 本。随着c a n 总线技术在汽车领域的不断普及，现在的e c u 单片机中基本都 内置c a n 控制芯片，只需在e c u 中实现c c p 协议的标定驱动程序即可，无需 更改硬件，这使得基于c c p 协议标定方式的普及成为可能。 1 4 课题来源与主要研究内容 标定是h e v 电控系统应用开发和整车性能试验过程中的一个不可缺少的环 节。本论文开展的研究工作是由上海华普汽车有限公司承担的国家“8 6 3 ”计划 6 江苏大学硕士学位论文 节能与新能源汽车重大专项资助项目“新型电容混合动力电动汽车整车产品研 发 课题的组成部分。主要进行基于c c p 协议的测试标定系统的开发研究以及 v c u 相关标定试验研究工作。 主要研究工作包括： ( 1 ) 研究电容式h e v 整车动力总成系统及电控系统的结构，分析各个控制子 系统的功能和作用； ( 2 ) 进行基于j 1 9 3 9 协议的整车c a n 网络的理论性研究，分析各个网络层的 结构和功能，建立稳定、可靠的c a n 网络对个网络层的设计要求。基 于j 1 9 3 9 协议，制定标定系统节点在混合动力整车c a n 网络中的通讯协 议，实现标定系统节点与整车c a n 网络的通讯； ( 3 ) 运用l a b v i e w 图形化的编程环境开发基于c c p 协议的上位机测试标定 软件，实现上下位机之间的通讯，使上位机测试标定软件实现在线标定 v c u 、监测c a n 网络参数等功能； ( 4 ) 针对电容式h e v 复杂的运行工况，制定起动、怠速、加速和制动等工况 的控制策略，优化整车控制结构，简化v c u 标定工作； ( 5 ) 开展标定试验及研究工作。分析标定参数对整车排放、起动、加速等性 能的影响，考核不同控制参数之间的关系并对整车性能的影响。完成电 容式h e v 起动、加速和制动工况的标定匹配工作； ( 6 ) 对标定后的整车进行n e d c 行驶循环试验，评价标定后开发样车的燃油 经济性和排放性能。 7 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究 第二章电容式h e v 整车控制策略研究 电容式h e v 发动机为主要动力源，i s g 电机和超级电容组成的动力系统为 辅助动力源，所以在制定控制策略的时候优先使发动机能工作在高效率区域，不 足的功率由电机补充，或是发动机多余的功率用来为电容充叫1 2 l 。控制策略的高 效执行，必须依靠v c u 中经过标定匹配好的的控制参数，而控制参数的标定必 须基于整车控制策略，控制策略的制定和控制参数的标定是相互影响的，所以合 理准确的控制策略和经过标定优化的控制参数是实现整车高效运行的关键。 2 1 混合动力系统基本结构 图2 1 为电容式h e v 动力总成系统结构图，集成发动机、i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ) 电机、超级电容和离合器等部件，将盘式一体化i s g 电机直接安装在 发动机曲轴输出端，电机转子通过电控离合器直接和发动机曲轴相连，定子固定 在发动机机体上，电机取代了飞轮【1 3 】。此方案可以利用电机低速大扭矩的特点， 实现发动机的快速起动；利用电机扭矩输出响应快的特点，实现整车加速工况下 的电机助力，提高整车加速性及舒适性；利用i s g 电机充电功能，实现行车发电， 优化了发动机稳态和瞬态工况，使发动机工作在高效率区域，提高了整车的燃油 经济性和排放性能；在整车制动工况，能实现较大比例的制动能量【1 4 】回收，同 时电控离合器的分离可以防止发动机被过度拖转。 8 图2 1 动力总成系统结构图 f i g 2 1s y s t e m s t r u c t u r eo fp o w e r t r a i n 硕士学位论文 电容式h e v 动力总成的各个部件均有其独立的控制器，它们基于c a n 总 线进行数据交换和共享。图2 2 为c a n 网络架构图，由图2 2 可见，在c a n 网 络中，一共挂载了5 个c a n 节点，分别是v c u 、发动机控制器( e n g i n ec o n t r o l u u i t ，e c u ) 、电机控制器( m o t o rc o n t r o lu n i t ，m c u ) 、电控离合器控制器( f r o m c l u t c hc o n t r o lu n i t ，f c c u ) 、仪表控制器( d p l y ) 。 v c um c ue c u l n l o w 一 微”，毒j 。糍： ”锄矿 -_ 2 2 1 整车控制器 f c c ud p l y 图2 2o 悄网络架构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fc a n b u s v c u 作为h e v 的心脏，指挥着c a n 总线上的其它控制器以及执行器( 包括 各个主要继电器，冷却水泵等等) 。v c u 的功能与性能要求如下【1 3 】： ( 1 ) 与各子系统进行及时可靠通讯，通过c a n 总线( 以及关键信息的模拟量) 进行整车运行状态的采集输入以及控制指令量的输出； ( 2 ) 接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向各个子控制器发送控制指令，使车 辆按驾驶期望行驶； ( 3 ) 协调管理各个控制器，根据当前整车行驶工况合理分配各个子系统能量，实 现h e v 整车的能量管理； ( 4 ) 系统故障的判断和存储( 子系统故障、c a n 总线故障、系统本身故障和模 拟量数字量故障) ，动态地检测系统信息，出现故障后，记忆故障并将故障 数据发送至仪表，与外部诊断仪的接口为串口r s 2 3 2 ； ( 5 ) 对整车具有保护功能，视故障的类别对整车进行分级保护； ( 6 ) 具有系统调试和状态监控外接接口； ( 7 ) c a n 通讯采用c a n 2 0 b 协议，符合s a ej 1 9 3 9 标准。 o 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究 按照功能与性能要求，v c u 硬件资源如下：4 路模拟量输入、4 路模拟量输 出、4 路数字量输入、4 路数字量输出、1 路5 v 电源输出、2 路脉冲输入、2 路 c a n 2 0 b 通讯接口、9 至1 7 伏的电源接口。图2 3 为v c u 电控系统结构图。 发动机期望 发动机喷油 断油控制 期望节气门 翥量瓣8 期望电机扭矩叭 ” 删觥一习 信息显示 一回 图2 3v c u 电控系统结构图 f i g 2 3e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo fv c u 2 2 2i s g 电机控制器 m c u 接收v c u 的指令，响应整车控制器对于i s g 电机的扭矩控制、控制 模式、紧急保护、转速控制等命令，并根据自身的算法控制i s g 电机的工作模 式、扭矩和转速等。同时需要对电机及控制器超温、电机超载、母线过压或欠压 等故障进行报警及保护。 2 2 3 发动机控制器 e c u 是混合动力总成系统中实现整车控制与发动机控制之间接口的控制单 元，除了完成喷油、点火等基本发动机控制功能外【1 5 】，作为整车与发动机之间 的控制接口，可响应v c u 的控制指令，实现发动机工作状态测量、发动机实时 功率调整、发动机实时扭矩估计和电子节气门控制，从而实现发动机工作区域优 化、取消怠速等混合动力总成所要求的特殊功能，达到h e v 节油和降低排放的 目的。 2 2 4 电控离合器控制器 f c c u 负责监测离合器前后端转速差、扭矩等信息，实时回馈给v c u ，并 实现自动结合或断开电机和发动机之间的动力传递，防止在滑行充电和制动能量 1 0 ( 1 ) 快速起动及怠速停机 h e v 起动时，i s g 电机可以快速将发动机拖转至怠速转速或高于怠速转速， 发动机开始燃油喷射。由于此时发动机转速高、惯性力大，不需要过多的起动燃 油加浓，燃烧室内温度也较高，所以缸内混合气更容易着火，同时减少了起动喷 油量，改善了燃油经济性和排放性能。传统汽车遇到红灯或者其它路况时需要让 发动机进入怠速工况，而h e v 可以根据当前工况的控制策略，自动切断供油， 取消怠速，需重新起步时，i s g 电机可以在短时间内快速起动发动机。 ( 2 ) 加速助力 在发动机正常工作区间内通过对加速踏板和节气门开度的优化，可以提高整 车经济性。当h e v 加速时，由于发动机和i s g 电机同轴，可以让i s g 电机提供 一部分辅助动力，把发动机扭矩特性和电机扭矩特性耦合形成新的扭矩特性。电 机的扭矩输出响应快，瞬间提供的扭矩大，因此适合城市频繁加速工况。 ( 3 ) 行车发电 混合动力起动工况下，i s g 电机拖动扭矩大，母线瞬间电流高达2 8 0 a ，超 级电容的能量损耗较大，若此时超级电容的电压下降至最低充电电压门限时，混 合动力进入怠速充电模式，i s g 电机对电容进行小扭矩充电，维持超级电容的能 量平衡。 在行驶过程中，当超级电容电压低于最低充电电压门限时，为了维持超级电 容的能量平衡，优先对超级电容充电。当发动机处于低速小负荷工况时，发动机 工作效率低、油耗较高，为了改善发动机在小负荷工况时的工作特性，需要提高 发动机负荷，使发动机工作在经济高效的区域，将发动机多余功率通过i s g 电 机对超级电容进行充电，从而改善发动机工作效率区【1 3 l 。 基于l a b v i e w 的混合动力电动汽车测试标定系统的开发与试验研究 ( 4 ) 制动能量回收 整车进入制动能量回收工况时，驾驶员踩下制动踏板，汽车进入再生制动状 态，此时前离合器断开，i s g 电机产生制动扭矩，对超级电容进行充电，实现制 动能量的回收。 2 3 整车控制策略 电容式h e v 以超级电容作为能量储存介质，以发动机驱动为主，采用功率 相对较小的i s g 电机【1 6 】作为辅助动力源，属于弱混合形式。发动机的扭矩输出 动态响应慢、输出控制精度差，而电机的瞬态扭矩输出响应快、控制精度高，能 量利用率高【1 7 1 。因此可以根据电机的工作特性来优化发动机工况，提高整车燃 油经济性。 整车控制策略中，超级电容的s o c 值以i s g 电机母线电压表征，是i s g 电 机进行充电和助力的判别条件。 2 3 1 起动工况控制策略 电容式h e v 的起动控制策略是保证发动机可靠起动的前提下，同时改善发 动机起动性能，获得良好的整车经济性和排放性。考虑到起动过程中可能遇到电 容电压过低、电机故障等情况，为了保证起动的可靠性，将起动模式分为传统起 动( 起动电机起动) 和混合动力起动( i s g 电机助力起动) 。采用i s g 电机助力 起动时，将发动机快速拖至怠速或者高于怠速转速再开始喷油，避免了传统发动 机起动时低转速、过浓喷油的问题，大幅度降低了起动工况下的燃油消耗和燃烧 不完全产物，提高了燃油经济性和排放性能，同时缩短了起动时间，减少了起动 电机和蓄电池的负荷。 起动时，首先检测当前超级