（动力机械及工程专业论文）混合动力电动汽车运行参数记录分析系统的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 日益增长的环境和能源问题使得电动汽车迎来了发展的高潮。在蓄电池及其 它能源装置尚不能完全取代传统的内燃机时，混合动力电动汽车( h e v ) 作为一种 目前最佳解决方案，很好的解决了车辆的燃油经济性和排放性能，也逐渐成为了 2 l 世纪汽车工业发展的战略重点，它的出现改善了车辆的经济性和排放性，促 进了电动车的能源技术和控制策略与手段的发展。 本文根据混合动力电动公交客车的特点，研制开发了一套基于虚拟仪器的混 合动力电动汽车车载运行参数记录分析系统。论文根据混合动力电动汽车的工作 特点，从影响其经济性和动力性等几方面因素，确定了混合动力电动汽车应该采 集的运行参数。本系统采集信号的来源有两个，一是从外接的传感器和二次仪表 取得信号，二是从c a n 总线取得发动机、电机等的动态信号。 混合动力电动汽车车载运行参数记录分析系统硬件部分是以美国国家仪器 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) n i f p 一2 0 1 0 为核心处理硬件，配以外围接口电路， 信号调理电路和传感器，c a n 信号的采集是通过p c m c i ac a n 卡来完成的，电动 汽车运行时的传感器信号和二次仪表信号可以保存在f p 的6 4 m 存储器中，在特 定状态下，作监测和分析统计时也可保存在p c 机中。 系统软件的编写采用了当前流行的图形化编程语言l a b v l e w 。混合动力电动 汽车车载运行参数记录分析系统能对测量的车型及其参数进行修改，可以修改采 样的频率，本系统软件设计的难点在于f p 与笔记本电脑的实时通讯、测量转速 时如何采取硬件定时通过计数器来对频率的测量、在对康明斯发动机的c a n 信号 进行采集时如何与f p 系统同步、在线对特定时间段测量参数计算和统计、测量 完成后对存储的参数的分析和统计。 系统能实现脱离笔记本电脑的运行数据的采集、存储、统计等功能，结合笔 记本电脑可实现数据的实时显示、统计、特定时间段的数据分析与统计等功能。 在混合动力公交车上使用的结果表明，该系统工作性能稳定，抗干扰能力较 好，测量精度和采样频率较高，界面友好，用户操作方便，充分体现了虚拟仪器 的优点，对于研究开发混合动力电动汽车具有较高的应用价值。 关键词：混合动力，数据采集，虚拟仪器，c a n ，信号调理 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a o t i n c r e a s i n g i ye n v i r o n m e n ta n de n e r g yp r o b l e m su r g ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) u n d e r g oad e v e l o p m e n ta p e x b e c a u s eb a t t e r ya n do t h e re n e r g yd e v i c ec a nn o t a b s o l u t e l yt a k ep l a c ei n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( 腿v ) i sa g o o dc o m p r o m i s i n gs o l u t i o nt of u e le c o n o m i ca n de x h a u s to ft h ev e h i c l e ，a n di s b e c o m i n gt h es t r a t e g i cp o i n to fa u t oi n d u s t r yi n2 1 t hc e n t u r y 。i tc a nn o to n l yi m p r o v e t h ee c o n o m i c sa n de m i s s i o no fv e h i c l e ，b u ta l s op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fe n e r g y t e c h n o l o g y , c o n t r o ls t r a t e g ya n dm e a n so fc o n t r 0 1 a no n - b o a r dr u n n i n gd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n ti sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e v i nt h i st h e s i s ，t h e w r i t e rc o n f m st h en e c e s s a r ym i m i n gd a t aa c c o r d i n gt ot h ef a c t o r st h a ta f f e c th e v s d y n a m i c a la n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e t h es o u r c es i g n a l so ft h i ss y s t e mc o m e sf r o m t w om c a n s ，o n ei st h es i g n a l so fs c b s o r sa n ds e c o n d a r yi n s t r u m e n t s ，t h eo t h e ri st o a c q u i r et h er u n n i n gd a t ao fe n g i n ea n dm o t o rf r o mt h ec a n i n t e r f a c e t h ec o r ep r o c e s s i n gh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，n i - f p - 2 0 1 0o fa m e r i c an a t i o n a l i n s t r u m e n tc o m p a n y , c o m b i n e dw i t ht h ei n t e r f a c ec i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n gu n i ta n d s e n s o r s ，c a nr e c e i v eu n i tb a s e do np c m c i ac a nc a r d ，a c c o m p l i s ha n dc a r r yo u ta l l f u n c t i o n so ft h es y s t e m t h es i g n a l so fs e n s o 稻a n ds e c o n d a r yi n s t r u m e n t sw i l lb e s a v e di na6 4 mm e m o r i z e ro ff p 2 0 1 0 w ec a na l s os a v e dt h ed a t ai np cw h e nw e h a v eas t a t i s t i ca n da n a l y s i st h ea c q u i r e dd a t ao n l i n e t h ep r o g r a m m el a n g u a g eo ft h es y s t e mi sl a b v i e w , ap o p u l a rg r a p h i c s - l a n g u a g ea tp r e s e n t t h er u n n i n gd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mc a nc h o o s e p a r a m e t e r so ft h ev e h i c l et l l a ty o ua r ea b o u tt om e a s r r o ，a l s oy o uc a nm o d i f yt h e f r e q u e n c yo fs a m p l i n g t h ed i f f i c u l t yo ft h es y s t e mi sa t t r i b u t et ot h er e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o no ff pa n dp c ，t h es y n c h r o n i z a t i o no fc a ns i g n a l sa n df ps i g n a l s ， h o wt ou s eh a r d w a r et i m i n gt om e a s u r ef r e q u e n c yb yc o u n t e rw h e nm e a s u r er o t a t e s p e e d ，h o wt oc a l c u l a t em e a s u r e dd a t aa tag i v e nt i m ea n da n a l y s i sa c q u i r e dd a t aa f t e r m e a s u r e t h es y s t e mc a nc a r r yo u tt h ef u n c t i o no fr u n n i n gd a t a sa c q u i s i t i o na n ds a v e c o m b i n e dw i t hp c ，w ec a na c h i e v er e a l - t i m ed i s p l a y , s t a t i s t i c ，c a l c u l a t ea c q u i r i n gd a t a o n l i n ea tag i v e nt i m ea n da n a l y s i sm e m o r i z e dd a t aa f t e rf i n i s h i n gm e a s u r e t h es y s t e ms h o w sc h a r a c t e r so fs t a b i l i t y , g o o da n t i - j a m m i n g , h i g hp r e c i s i o na n d s a m p l i n gf r e q u e n c yi nt h ea p p l i c a t i o nt oh y b r i de l e c t r i cb u sd a t aa c q u i s i t i o n i ta l s o i i 武汉理工大学硕士学位论文 h a saf r i e n d l yu s ei n t e r f a c e ，a n dv e r yc o n v e n i e n c et oo p e r a t i o n ，e m b o d y i n gt h e a d v a n t a g eo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，a n di tw i l lf a c i l i t a t et ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fh e vw i t l la l lt h e s em e r i t s k e yw o r d ：h y b r i d ，d a t aa c q u i s i t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，c a n ，s i g n a lp r o c e s s i n g i n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 电动汽车发展的必然性 1 1 1 电动汽车的发展历史和现状 内燃机一直是上个世纪最主要的汽车动力设备，今天，世界上生产的汽车几 乎都在使用内燃式发动机，但是，这种动力装置具有很多缺点：必需使用不可再 生的自然资源( 石油) 、空气污染( 排放废气) 严重等。而从总体上讲，我国的石油 资源相对说来很短缺，据统计，我国2 0 0 0 年原油产量1 6 亿吨，进口原油0 7 3 亿吨，预计到2 0 1 0 年，原油需求3 6 亿吨，国内产量2 亿吨，进口1 6 亿吨， 即意味着4 5 原油需求的要靠进口。 汽车对社会环境造成的污染相当严重，除直接对人体有害的污染物( 如一氧 化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫化物等) 外，还有二氧化碳造成的温室效应。 据联合国的“政府间气候变化专业委员会( i p c c ) ”评估，1 9 9 6 年世界上共排放 二氧化碳大约2 0 0 亿吨，美国居第一位，占2 5 ，其中汽车大约占排放量的2 0 。 中国居第二位，占1 3 5 ，i p c c 在关于二氧化碳排放情况特别说明中指出， 2 0 世纪地球表面温度上升了0 4 0 c o 8 0 0 c ，到2 1 0 0 年将比1 9 9 9 年上升1 5 0 c 一6 0 c ，到时地球海平面可能上升约1 5 厘米- - 9 5 厘米。1 9 9 7 年联合国京都协 议书签订了排放温室效应气体的第一个国际性法律文件，中国是缔约国之一， 当然也要遵守该协议的规定。目前世界上很多国家，都已经对单辆车二氧化碳的 排放做出明确的逐年降低排放的标准。 虽然新的发动机技术在过去的十多年里也有了很大的发展，但是能源和环境 的双重压力下，人们开始寻找新的解决方法，纯电动电动汽车、混合动力电动汽 车、燃料电池电动汽车等相继问世。 1 、纯电动汽车 纯电动汽车( b e v ) 是由蓄电池组提供电能，电动机驱动汽车行驶，它是满 足零排放的最好汽车。电动汽车具有能源多样化、结构简单、维修使用方便等诸 多优点，它的充电可以利用夜晚用电低谷时间完成，这可大大缓解供电、用电矛 盾中对电力储备能力的要求。但至今纯电动汽车仍未达到广泛普及的实用阶段， 最严重的问题是动力电池技术上的困扰，能量密度低、续驶里程短、充电时间长 等。 武汉理工大学硕士学位论文 2 、燃料电池电动汽车 燃料电池汽车( f c e v ) 是以燃料电池为动力源，燃料电池将燃料的化学能直 接转化为电能。燃料电池有多种类别，最有望用于电动汽车的是质子交换膜燃料 电池。燃料电池本身不排放有害物质，仅生成清洁的水。早年靠高压储氢瓶供给 压缩氢气或液化氢气，或用储氢合金储存氢气。因储氢量不多，所以行程有限。 近年开发了从甲醇或汽油经重整器不断供给氢气。 3 、混合动力电动汽车 混合动力电动汽车是指由两种或两种以上的储能器、能量或转换器作为驱动 能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。混合动力车有多种分类方法，可以按 照驱动系结构划分，一般可以分为串联式、并联式和混联式。它较纯电动汽车有 以下优点吐 1 ) 可以最大限度发挥内燃机汽车和纯电动汽车的双重优点，混合动力车辆 技术可以以传统的内燃机技术为基础，可以充分利用现有成熟的车辆零 配件和整车生产体系，大大降低了技术实现的难度和成本，增加了新技 术的稳定性和可靠性，同时，不改变车辆的使用方式并利用现有遍布各 地的燃油供应体系，减少了社会配套资本的投入，有利于新技术的尽快 推广使用。 2 ) 辅助动力单元( a p u ) 的选用使汽车的续驶里程和动力性能可以达到内燃 机汽车的水平； 3 ) 采用较小排量的内燃机，因而排放要小得多，况且混合动力运行时，内 燃机主要工作在经济区，在提高燃油经济性的同时，大大减少了汽车变 工况( 特别是低速、怠速) 时的排放，再由于可回收制动能量，可使混 合动力汽车成为较低排放的节能汽车； 4 ) 在一些对汽车排放严格限制的地区( 如商业区、游览区、居民区等) ，混 合电动汽车可以关闭a p u ，由纯电力驱动，成为零排放的电动汽车。 5 ) 混合电动汽车基本上不改变现有的汽车产业结构，不改变现有能源( 石 油燃料) 的体系，不改变用户对汽车的使用习惯，也是它能够迅速实现 产业化的重要因素。专家们预测，在未来十年内将可能有4 0 的燃油汽 车实现混合驱动。 汽车产业发展政策( 国家发展改革委员会2 0 0 4 年6 月1 日) 第三章技 术政策第八条指出：国家引导和鼓励发展节能型环保型小排量汽车。汽车产业要 结合国家能源结构调整战略和排放标准的要求，积极开展电动汽车、车用动力电 池等新型动力的研究和产业化，重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技 武汉理工大学硕士学位论文 术。国家在科技研究、技术改造、新技术产业化、政策环境等方面采取措施，促 进混合动力汽车的生产和使用【2 】。 混合动力电动汽车相对于传统汽车、纯电动汽车和代用燃料汽车的优势使其 具有良好的商业前景。据专家研究，油一电混合的混合动力电动汽车的生命周期 至少有3 0 年，若考虑使用清洁燃料，其前景更为广阔。在当前电动汽车的成本 和电池等技术难以取得重大突破的阶段，开发混合动力电动汽车有利于解决环境 和能源等可持续发展战略所要求解决的紧迫问题。目前国内外专家基本上达成共 识：混合动力电动汽车的使用不仅仅只是电动汽车的一个过渡阶段，而是汽车工 业即将面临的一场新的革命。总体来说，混合动力电动汽车的研究和开发仍处于 起步阶段，其关键技术( 如电池管理系统、传动系统总成) 还有待改进和创新，成 本价格有待降低，性能也有待提高，这样才能满足取代传统燃油汽车的技术与市 场要求。 3 1 基于以上分析，混合动力电动汽车的商业化和产业化发展是必然的趋势。 1 1 2 国内外混合动力汽车的发展现状 当前，混合动力电动汽车的研究与开发己在世界范围内由点向面地扩展，发 展相当迅速。发达国家的许多研究成果已走出了实验室，并开始进入市场。 美国能源部和美国的三大汽车公司合作，正在推行一项庞大的p n g v 计划一 混台动力汽车计划，政府与三大汽车公司分别签订混合动力汽车开发合同，要在 低污染的条件下制造出每百公里油耗不超过3 升的汽车，经过三年论证的结果表 明采用混合动力技术是切实可行的。通用汽车公司宣布在2 0 0 4 年将生产7 0 0 0 辆采用混合动力系统的s u v 多功能运动汽车，预计先在通用较小的s u v 车型上推 广，混合动力系统将使每辆汽车的平均成本增加1 5 0 0 美元；福特公司也己经开 发出两款混合动力车型。 日本汽车界也已将电动汽车开发重点从纯电动汽车转向混合动力汽车，其中 丰阳公司在1 9 9 7 年研制出p r i u s ，而本田公司研制了的轻度混合动力轿车 i n s i g h t ，于1 9 9 8 年1 2 月推向市场，并获得了好评；丰田的c o a s t e r 客车、日 野的混合动力客车和货车也己经进入商业化阶段；克莱斯勒推出l e “道奇无畏 e s x ”混合动力车；日产也继本田推出的i n s i g h t 混合动力轿车后推出了y i n o 混合动力轿车；日本微车巨头铃木公司也在1 9 9 9 年的东京汽车展上展出了w a g o n 混合动力车。 欧洲在混合动力汽车的开发、研制和推广方面作了大量投入。目前，德国已 有2 0 辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。欧洲六大汽车公司联合就 武汉理工大学硕士学位论文 混合动力汽车技术、性能等进行了综合评价，认为其技术成果可望使混合动力汽 车成本接近于一辆传统汽车，使客户买得起、卖家可盈利。其对市场的调查也表 明，大多数顾客在燃油汽车、混合动力汽车和纯电动汽车三者之间更愿意选择混 合动力汽车。最近，德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将在部分 地区限制百公里油耗超过5 升的轿车行驶，也将促使人们把希望寄托在混合动力 汽车的开发上。 在国内，由于我国政府的重视，在科技部和各省市科委的指导与资助下，国 内大专院校、科研院所及相关企业在电动汽车的研究方面投入了大量的资金和人 力。经过一批热爱电动车事业的专家、科技人员及企业家的积极努力，我国在电 动汽车关键技术、电动概念轿车、实用电动汽车研制、电动汽车试验示范区基础 建设及电动汽车相关标准的制定等方面都取得了阶段性成果，研制出各种类型的 电动汽车样车2 0 多辆，如清华大学和厦门金龙在1 9 9 9 年联合研制的国内第一辆 混合动力轻型客车、2 0 0 1 年6 月湖北东风汽车有限公司推出的国首辆电动轿车 ( 概念车) 、北京理工大学和北京公交总公司开发的混合动力电动公交车等：还在 广东汕头和湖北武汉先后建立了南澳国家电动汽车试验示范基地和国家电动车 示范运营基地等；奇瑞使用自己的品牌轿车并为混合动力汽车开发专用发动机， 正在制定小批量生产规划；长安以同步开发的新车型m p v ( 7 人座) 为混合动力 研发对象，采用与发动机曲轴同轴转动的i s g 电机和成本最低的m t 方案。 4 1 1 2 国内外车载数据采集系统的发展概况 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段，数据采集技术作为 信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基 础而形成的一门综合应用技术，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作 业，具有很强的实用性。随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛 得应用，同时人们对数据采集系统的各项技术指标，如：采样率、分辨率、线性 度、精度、输入范围、控制方法以及抗干扰能力等提出了越来越高的要求，特别 是精度和采样率更是使用者和设计者所共同关注的重要问题，于是，高速及超高 速数据采集系统应运而生并且得到了快速发展。今天，数据采集技术已经在雷达、 通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损监测、语音处理、智能仪器、工 业自动控制以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用并且收到了良好的效 果。 目前，国外很多公司与厂商都投入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产 销售，其中比较著名的有n e f f 、n i 、h p 、t e k 等。 武汉理工大学硕士学位论文 n i ( n a t l 0 n a li n s t r u m e n t ) 公司f p 、c f p 及c r i o 系统，采集精度高、采 样率高、体积小、抗干扰和抗震性能好，软件采用图行化编程语言l a b v i e w 、l a b w i n d o w s ，开发数据采集系统周期短，目前在汽车数据采集领域发展较快。 福特、博世等公司开发的车载式汽车性能数据采集装置，这些装置采集精度 高、采集参数全、体积小、安装拆卸方便，具备动态分析汽车各种性能的能力。 奥地利a v l 公司生产的a v l 6 5 7 数据采集分析系统。主要由一台h s p 6 5 0 l 高 速信号处理器、一台p d p i l 2 3 + 型小型计算机以及外部设备组成。其硬件系统先 进，并具有较丰富的分析软件。 北京自动化技术研究院设计的便携式多功能汽车试验数据采集与处理系统， 将采集系统放入便携式微机主机内，编制了大量的数字信号处理软件和汽车测试 专用软件，使其具备了磁带机、记忆示波器、信号处理仪、人体振动分析仪、模 态分析系统等一系列功能。 北京理工大学研制的车辆a m t 的数据采集及分析系统，该系统在采集大量数 据的同时，还具备数据分类、存储和分析功能。由武汉理工大学研制的w g 6 1 2 0 h d 串联式混合动力电动公交车从武汉出发，于2 0 0 4 年3 月9 日1 2 日参加了北京 “2 0 0 4 年全国客车大赛”暨第四届北京国际商用车辆、特种车辆及零部件展览 会，全程2 5 0 0 k m ，获得了城市客车组“最佳科技创新奖”、“最佳环保奖”和客 车比赛铜奖，对全程进行了数据采集，其采集系统是以西门子的p l cs 7 2 0 0 为 核心处理单元，以组态软件f a m e v l e w 实现监控及数据存储，对开发车辆进行了 大量数据跟踪反馈，数据表明整车在保证动力性的基础上很好的实现了节能和降 低排放的目的。 车载数据采集系统运用的另一个重要方面是作为车辆运行工况记录仪，又称 汽车“黑匣子”。德国比较成熟的第二代产品“意外资料记录仪”在九十年代初 开始在德国、奥地利、荷兰的车辆上安装使用。随后，美国把“黑匣子”列入生 命保障系统，在全国大力推广使用和安装“黑匣子”。最新资料显示，日本汽车 研究所最近研制出的“黑匣予”，不仅能够记录车辆事故发生的各种数据，而且 它还能自动收入事故发生前1 0 秒和后5 秒之间从驾驶室看到的画面。 目前国内外车载数据采集系统普遍存在的问题是车载数据采集系统的数据 采集的可靠性和抗干扰性问题等。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题来源、研究方法及内容 1 3 1 课题来源 2 0 0 3 年，武汉市被国家科技部列为国家电动汽车示范城市，在国家科技部 的指导下，武汉市采取公司形式探索电动汽车的商业化运行模式，在国内率先启 动了电动汽车示范运营工作，将国家8 6 3 成果一一东风电动车辆股份公司研制生 产的混合动力公交车投放到武汉市公交线路。截止至2 0 0 4 年1 0 月，示范运营公 司开展示范运营的电动车总数达到6 8 辆，其中混合动力公交车6 辆( 串联型1 辆，并联型5 辆) ，纯电动场地车6 2 辆。 为了评价电动汽车运行中的性能，为车辆的使用过程中的维护和管理提供依 据，同时，为电动汽车整车和关键零部件研发单位提供改进依据，推进武汉地区 电动汽车的产业化进程，向科技部提供数据正确、分析科学的混合动力电动汽车 运行考核试验的研究报告，武汉电动汽车示范营运公司委托武汉理工大学汽车工 程学院研制该系统。 本文以下几章所指混合动力电动汽车均为内燃机、电机及蓄电池组组成的混 合动力电动汽车。 1 3 2 研究方法及内容 本课题硬件采用n i 公司f p 系统及p c m c i ac a n 卡，f p 系统模块包括：处理 器n i f p 一2 0 1 0 、模拟输入模块f p - a i i1 2 、计数器模块f p - c t r 一5 0 2 、数字输入 模块f p - d i 一3 3 0 、温度输入模块f p t c 一1 2 0 ，具体介绍见第3 章。 传感器主要有：霍尔式转速传感器、磁电式转速传感器、热电偶、霍尔式电 压传感器、霍尔式电流传感器、位移传感器、开关型位置传感器等。 软件主要采用图形化编程语言l a b v i e w ，具体介绍见第2 章。 课题研究的内容包括： l 、根据混合动力电动汽车的结构特点，从分析其动力性、经济性等方面入 手，确定需要采集的参数； 2 、传感器的选型及其安装； 3 、核心处理硬件的选型及接口电路的制作： 4 、电源及信号调理电路的制作； 5 、柴油发动机c a n 信号的采集： 6 、采集及数据分析软件的编写。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章采集参数的确定及分析 根据项目的要求，系统需要采集与动力性、经济性和排放性相关的运行参数， 混合动力电动汽车的动力结构不同于传统车辆，其工作模式也不同于传统车辆， 因此在评价混合动力电动车的性能时，不能以传统车辆的分析方法来评价。因此 我们必须清楚混合动力电动汽车的工作特点，然后根据影晌其经济性、动力性和 排放性的因素来确定需要采集的参数。纯电动汽车由于没有发动机，其能源的输 出由蓄电池来提供，因此其需要采集的参数只是混合动力的一部分。 2 1 混合动力电动汽车的工作特点 2 1 1 混合动力电动汽车分类 混合动力车有多种分类方法，按照驱动系结构划分，可以分为以下三种： 1 ) 串联式混合动力电动汽车s h e v ( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ，它是 指发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用 于给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。 2 ) 并联式混合动力电动汽车p h e v ( 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 ) ，它 采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车辆。 3 ) 混联式混合动力电动汽车p s h e v ( p a r a l l e l s e r i e sh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ) ，它在结构上综合了串联式和并联式的特点，与串联式相比，它增 加了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电能的传输路线。 2 1 2 混合动力电动车汽车工作模式分析 1 、串联式混合动力电动汽车 在典型的串联式混合动力电动汽车动力系统中，发动机不直接驱动，而是把 能量赢接给发电机，驱动必须通过电动机来完成。 典型串联式混合电动车辆的结构如图2 1 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 典型串联混合电动汽车结构图 其工作模式为： 1 ) 车辆起步、加速行驶以及高速和爬坡行驶工况时，发动机和蓄电池组共同向 车辆提供功率输出。 2 ) 车辆正常行驶( 中等功率需求) 以及车辆滑行工况时，发动机向蓄电池组和 车辆提供功率输出，同时弥补s o c 的衰减。 3 ) 车辆行驶于对排放要求较高的路段时，整车功率需求全部由蓄电池供给，车 辆为纯电动工作，这时车辆的s o c 降低较快。 4 ) 车辆在减速制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，驱动电动机回收车辆 部分动能存储到蓄电池组，同时发动机发电机组的全部功率输出到蓄电池 组。 2 、并联式混合动力电动汽车 在典型的并联式混合动力系统中，发动机以常规模式( 传统汽车的工作模式) 工作，但只承担部分车辆驱动行驶功率。 典型的并联式混合动力电动汽车的结构如图2 。2 所示： 图2 2 典型并联混合电动汽车结构图 1 ) 车辆起动、轻载行驶时，发动机关闭，车辆由电动机单独驱动： 2 ) 车辆正常行驶时由发动机单独驱动，加速、爬坡时，电动机和发动机同时工 作： 3 ) 车辆在减速制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，电动机回收车辆部分 动能以向蓄电池组充电； 4 )典型并联式混合动力系统在电池组s o c 过低时，不能利用发动机对其随车 充电，只能采用外界电源补充充电。 武汉理工大学硕士学位论文 3 、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车的特点，其控 制方式一般可分为两种，一种是发动机主动型，另一种是电力主动型。车辆运行 时，前一种主要是发动机起作用，而后一种主要是电动机起作用。 典型的混联式混合动力电动汽车的结构如图2 3 所示： 图2 3 典型并联混合电动汽车工作模式 1 ) 车辆起动或轻载工况，此时由于发动机很难保证在经济区工作，所以发动机 处于关闭状态，而由电动机单独驱动车辆。 2 1 车辆正常行驶或节气门全开、车辆加速工况时，发动机和电动机一起工作， 共同提供车辆所需功率。两种工况的区别在于，车辆正常行驶的功率仅由发 动机提供，同时驱动发电机；而节气门全开加速行驶时，其功率由蓄电池组 和发动机共同提供，通常用行星齿轮机构分流发动机的输出功率，一部分用 于驱动车辆，一部分用来驱动发电机。 3 ) 车辆制动或减速行驶时，电动机工作于发电模式在蓄电池组电量较低时回收 车辆部分动能。 车辆行驶中当蓄电池组电量较低时为其充电，发动机一部分功率用于驱动车 辆，另一部分功率用于给蓄电池组充电。 5 ) 车辆驻车时，发动机在蓄电池电量较低时通过发电机为蓄电池组充电。 2 2 采集参数的确定 2 2 1 影响混合动力电动汽车性能的主要因素 由于混合动力工作模式比较复杂，影响混合动力电动汽车经济性、动力性的 因素很多，这会因其混合度大小、控制策略等的不同而有所差别。它们主要体现 在以下几个方面： 1 ) 混合度 武汉理工大学硕士学位论文 混合动力电动车有两大能量源发动机和动力电池组，这两大动力源的匹 配即混合度的确定对整车的能量管理、控制策略及经济性、动力性有较大的影响， 特别是对发动机的燃油消耗量影响较大。 2 ) 动力电池组的性能 动力电池组是混合动力系统中一个比较关键的因素，它的工作特性对车辆的 动力性、经济性以及整车的能量管理等各方面均有较大的影响，比如电池组的电 压、容量、比能量、比功率、电池内阻、充放电特性、循环寿命等。 3 ) 动力系统的匹配 混合动力系统有两大动力总成发动机一发电机组和驱动电机，如何保证这 两大动力系统能够良好的匹配工作并使其效率在整个行驶循环中最优，是研究混 合动力电动车经济性的又个重要方面，如何使发动机一发电机的效率在其工作 区间内最高、如何使驱动电机的效率在整个行驶过程都比较高等。 4 ) 能量管理系统 混合动力的能量管理系统是混合动力电动车非常关键的一个部分，它控制着 整车的能量转化与传递，其主要职责有使各动力系统及动力源稳定、可靠地工作 以保证车辆的正常行驶，以及在这个基础上力争使整车的能量转换效率最高。因 此它是整车经济性好坏与否的关键，也是整车开发成功与否的一个重要指标。 5 ) 制动能量回收 再生制动是电动汽车所特有的，在减速制动( 刹车或者下坡) 时将车辆的部分 动能转化为电能，转化的电能存储在存储装置中，最终增加电动汽车的行驶里程。 如果储能器己经被完全充满，再生制动不能实现，所需的制动力就只能由常规的 气压或液压制动系统来提供。现在几乎所有的电动汽车都安装了这再生一气压或 液压制动系统，从而可实现节约制动能、回收部分制动动能。 6 ) 整车质量 从汽车动力学中可得知车辆所需的驱动力与车辆的质量成正比关系，因此整 车的质量对车辆的经济性有很大的影响。对于混合动力车辆而言，其质量相比传 统车辆以及其他两类类型的混合动力车辆都要大，这是由于其结构和工作原理的 特殊性所决定的。 7 ) 使用工况 车辆的使用工况对其经济性有很大的影响，这一点对于所有车辆而言都存 在，因此在评价其经济性时都必须考虑其行驶工况，各国在评价车辆的燃油经济 性时都规定了相关工况。对于混合动力电动车在评价其经济性时应该根据其设计 的使用工况来进行，因为这种车辆会因其设计的使用工况的不同而在整车动力系 统的匹配、能量管理系统、制动能量回收等各方面有所不同。 武汉理工大学硕士学位论文 混合动力电动汽车其排放就是发动机的排放，其测量方法与传统车辆相同。 下面就经济性和动力性两个方面分析本系统需要采集的参数。 2 2 2 与经济性相关的参数 混合动力电动汽车豹经济性包括两个方面：一个指其常规的燃油经济性，即 在一定行驶条件下行驶定距离所消耗的燃油量；另一个是其电量的消耗量。从 混合动力的工作模式可以知道，其电量的消耗涉及到的是发电机、电动机和蓄电 池。 发电机输出功率为p = u i ，因此必须测量出其发电电流和发电电压；直流电 动机向外输出功率p 自机= o ir i + 1 0 3 ，交流电动机向外输出功率p = 3 * u * i * c o sc t 1 0 一，因此，必须测爨出其工作电流、工作电压。由于混合动力存在制动能量 回收，因此，还要测量制动踏板信号。 蓄电池的充放电是个十分复杂的闯题，与之直接相关的是其充放电电流、 电压和温度。 综上所述，从经济性评价上必须采集的参数为： 1 ) 燃油消耗量； 2 ) 电动机工作电压、电动机工作电流、发电机发电电压、发电机发电电流： 3 ) 蓄电池电压、蓄电池充电电流，蓄电池组温度。 2 2 3 与动力性相关的参数 汽车动力性能评价的指标是：最高车速、加速时间和爬坡度。混合动力也因 其混合度大小、控制策略等的不同而有所差别。从混合动力的工作模式可以知道， 其驱动力可以是以下三个方面：a 电机单独驱动；b 发动机单独驱动；c 发动机 和电机共同驱动。 汽车驱动力f t = f , f i f = f j ，f t = t t i g i or l 加f r l 为动力系输出扭矩，i g 为变速器的 传动比，i o 为主减速器的传动比，n ，为传动系机械效率，r 为车轮半径) 。从以 上公式可以知道必须测量变速箱档位和动力系输出扭矩。又因为p t = t t n 9 5 5 0 ， 所以需要测量动力系输出功率和转速。 直流电动机向外输出功率p 自机= u ir l * 1 0 一，交流电动机向外输出功率p = 3 u i c o sa 1 0 4 ，因此，必须测量出其工作电流、工作电压和转速； 发动机指示功率p ip c + p m ，发动机输出功率p er l 。r l 。r l 。g 。h 。( 2 i n t ) ， 其中n 。n 。n 。分别为混合气形成与燃烧过程的影响、工作过程热力循环与工质特 性的影响、与机械损失有关的机械学和流体力学的影响，g 。为单缸循环油量，h 。 武汉理工大学硕士学位论文 为燃油低热值，i 为气缸数，1 1 为转速，t 为行程数。从上面这两个公式可以知 道，与发动机输出功率直接相关的参数为油耗、转速、摩擦功。车辆的一些附件 也要消耗一部分的功，例如空调，也必须测量出空调消耗的功，需要测量的参数 是空调开关。 在实际运营中，还要考虑到司机踩离合和刹车的信号。 综上所述，从动力性评价上必须采集的参数为： i ) 发动机转速，电机转速，车速； 2 ) 发动机输出扭矩，输出功率； 3 ) 动力电池组电压和电流，低压直流电池电压，驱动电机工作电压和电流； 4 ) 加速踏扳位置信号，发动机油门位置信号，制动踏板位置信号，点火开关信 号，空调开关信号，离合器信号，档位信号； 5 ) 车内外温度，电机温度，发动机冷却液温度； 6 ) 整车质量。 3 采集参数的分析及信号来源 2 3 1 采集参数的分类 如果全部采用传感器来获得上述参数信号，把上述本系统需要采集的信号进 行分类，有关信号分类的依据见3 1 2 节。 i ) 模拟信号有电压、电流、加速踏板信号、发动机油门信号、发动机扭矩、发 动机负荷、各温度信号； 2 ) 数字信号有制动开关信号、空调开关信号、离合器开关信号、档位开关信号、 车速、驱动电机转速、发动机转速，还有二次仪表信号，比如油耗仪、尾气 分析仪等。 2 3 2 信号的来源 数据的来源可以通过以下几种途径 1 ) 对于没有采用控制器局域网c a n 的混合动力电动汽车， 表取得信号； 2 ) 对于采用了c a n 网络的混合动力，从发动机、电动机、 多能源管理系统c a n 接口取得数据： 3 ) 根据获取参数信号方便的原则，部分信号从传感器获得， 网络获得。 从传感器和二次仪 蓄电池管理系统和 部分信号从c a n 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统软硬件的选型 3 1 数据采集的基本理论 3 1 1 数据采集系统的一般组成 一个完整的数据采集系统由传感器( t r a n s d u c e r ) 、信号调理( s i g n a l c o n d i t i o n i n g ) 、采集硬件( d a qh a r d w a r e ) 、接口( i n t e r f a c e ) 、数据分析( d a t a a n a l y s i s ) 和处理软件( s o f t w a r e ) 等几大部分组成，如图3 - 1 所示州。 f 传感器卜 _ ( ) c 一 l 传感器卜 o o 一 放li i i 传感器卜 c p ，0 - - 信 号 调 传感器卜 理 _ ( ) o 一 定时与逻辑控制_ f 传感器l 、数字信号 接口 传感器l 开关信号 图3 1 数据采集系统的一般组成 3 1 2 信号的分类 数据采集前，必须对所采集的信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方 式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式 和采集系统配置。 任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很 广泛豹，比如：状态( s t a t e ) 、速率( r a t e ) 、电平( 1 e v e l ) 、形状( s h a p e ) 、频率 成分( f r e q u e n c yc o n t e n t ) 。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模 拟或数字信号。数字( 二进制) 信号分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直 流、时域、频域信号，如图3 - 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 i 、数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) 图3 - 2 信号分类 第一类数字信号是开一关信号( o n - - o f f ) 。一个开一关信号运载的信息与信号 的瞬间状态有关。t t l ( t r a n s i s t e r t r a n s i s t e rl o g i c ) 信号就是一个开关信号， 比如：一个t t l 信号如果在2 0 到5 0 v 之间，就定义它为逻辑高电平，如果在 0 到0 8 v 之间，就定义为逻辑低电平。 第二类数字信号是脉冲信号( p u l s et r a i n ) 。这种信号包括一系列的状态转 换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间 隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要 数字输入，比如一个步进电机就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速 度。数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字 信号是由有限长的数字组成，其中每位数字不是0 就是1 ，这可由脉冲的有无来 体现。 2 、模拟信号( a n m 曜s i g n a l ) 1 ) 模拟直流信号( d c ) 模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息 是它在给定区闻内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应 变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平， 由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。 2 ) 模拟时域信号( t i m ed o m a i n ) 模拟时域信号与其他信号不同在于，它在运载信息