（机械设计及理论专业论文）并联式混合动力电动汽车动力总成控制系统研究.pdf

j ：言耍滤大字硕士字位论义 y 7 4 1 2 2 5 摘要 摘要 全球性能源危机以及日益严格的排放法规对汽车工业的可持续发展提 出了严峻擒战，寻求高效清洁汽车动力成为全球关注的研究课题。混合动力 电动汽车( h e v ) 戳蒺形式灵活、哥实藏性强酶特点，成为本世纪电动汽车 研究开发的重要方国之一。 乍为h e v 动力总成的核心，多源动力总成控 制系统正柱成为h e v 研究中的焦点问题。本论文以“8 6 3 ”计划中“电动 汽车”重大专项潦题“e q 6 1 1 0 h e v 混合动力呶动汽车新型控制系统的研究” 为袄孛卺，瑷e q 6 1 1 0 混合麓力客车多能源动力总成为研究对象，开展了多能 源动力憨戏控剁系统蛉设计与歼发。 本文分析了e q 6 1 1 0 h e v 多能源动力总成各予系统及其控制器，确立了 动力总成控铷系统总体方案，并研究了p 1 - e v 动力总成控制单元的能邈分配 拎潮策耀鞭及隧镄镄动控潮策旗。 农礤究共礁定了总钵方寨淤计麴基秣上，进霉了鞋3 2 经微控素器为核，玉 的高性能多能源动力总成硬件系统设计。并完成了控制单元中控制策略嬲算 法设计，实现了对e q 6 1 1 0 混含动力客苇动力总成系统的稳定控制，同时对 控鞠软件瀚底层驱动箨序避行了开发。开餍了动力憨成控制系统的干扰研究， 完成了动力崽成控劁单元瓣敬疆 孛撬于拢设诗，改薅了茭抗半挽髓麓，提高 了系统运行的稳定性和可靠性。 本研究进行了硬件在环仿真试验，综合性能测试试骏结粜表明，所开发 的总成控翩单元能够实现在连续工躐下运转和运行模式切换时的稳定控制。 茂霹竞或了台架渡验帮整孳试验。试验缭采表臻e q 6 1 1 0 混合动力客车多能 源动力总成新型控卷4 系统黢够安现其基本控卷4 功能，实现平豫顺裂豹模戏切 换，并具有良好的运行稳定性和可靠性。 关键词：混食动力电动汽率、多糕滚动力憨成、控铋系绞 j t 塞蠢遣丕燮亟圭鲎堕鎏基 i 照堕美! a b s t r a c t g l o b a le n e r g yc r i s i sa n ds t r i c te m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n sh a v ep r o p o s e d t h es e v e r ec h n l e n g et ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , s e e k i n gh i 紧一e f f i c i e n to l e a r t a u t o m o b i l ep o w e ri sb e c o m i n gt h eh o tr e s e a r c h d i r e c t i o no ft h ew o r l d a st h em o s ti m p o r t a n tb r a n c ho fe v , h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) b r i n g si n t e r e s t sf o ri t s f l e x i b l es t r t i c t d r ea n de a s yi m p l e m e n t a t i o n a sc o r co ft h eh e v p o w e r t r a i n ，t h ep o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e mi sc o m i n gt oa l b c u si nt h eh e v r e s e a r c h 。s u p p o r t e db yn l a j o rp r o j e c t ”r e s e a r c l lo nl l e w t y p e p o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e mf o re q 6 i lo h e v ”t r a d e r ”h i g h t e c hr & d p r o g r a m o f c h i n a ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f p o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e n c a r r i e do u tf o re q 6 1l o h e v t t h ep a p e ra n a l y z et h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r sf o rs u b s y s t e m so fe q 6 11 0 h e v p o w e r t r a i n ，e s t a b l i s ht h ec o n t r o ls y s t e m sw h o l er e s e a r c hp l a n a sw e l la st h e e n e r g yd i s t r i b u t e sc o n t r o ls t r a t e g y , r e g e n e r a t eb r a k i n ge o n t m ls t r a t e g yo fp h e v h a v eb e e ns t u d i e d a f t e rt h er e s e a r c hp l a nw a sd e t e r m i n e d ，d e s i g nt h em u l t i e n e r g yp o w e r t r a i n h a r d w a r e s y s t e m b a s e d0 1 33 2b i t sm i e m c o n t r o l l e r t h ec o n t r o l s t r a t e g y f o r e q 6 1 1 0 h e vp o w e r t r a i nw a sd e s i g n e da n di t ss t a b l ec o n t r o lw a sa c h i e v e d 。a s w e l la sd e v e l o pt h ed r i v e r so ft h ec o n t r o ls o f t w a r e t h es y s t e ma n t i - j a m m i n g s t u d yw a s m a d et oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e ，w h i c hl e dt oah i 曲s y s t e ms t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y t h i sr e s e a r c hf i n i s h e dt h eh a r d w a r ei l lt h el o o ps i m u l a t i o n 瞰i l s ) t e s t s t h er e s u l t sf r o mh i l st e s t ss h o w e dt h a tp c uc a r lc o n t r o l 差e vw e l lu n d e r c o n t i n u o u so p e r a t i o na n do p e r 越i n gm o d e ss h i f t t h ec e l lt e s t sa n dm a dt e s t s h a v eb e e na l s of i n i s h e d ，p r o v i n gt h a tt h ep c uf o re q 6 110n o to n l yr e a l i z e d b a s i cc o n t r o l f u n c t i o n s ，b u t a c h i e v e d h i 曲l y s t a b l ea n dr e l i a b l ec o n t r o l p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，p o w e r t r a i n ，c o n t r o ls y s t e m h j ：未爱通兀掌碾士掌位论文要一童奄沦 1 1 选题背景 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，能源和环境对人类生活和社会发展的影n 蚰越来越 大，要求尽快改善人类生存环境的呼声同益高涨，全球性的能源危机以及广l 益严格的排放法规对汽车工业的可持续发展提出了严峻的挑战，并且随着世 界油价的不断上涨和各国对汽车环保要求的不断提高，寻求高效清洁的汽车 动力成为全球关注的热点问题。 丽对严峻的能源危机和环境污染，各国政黪栩应划定了严格的法援。以 汽乍2 1 2 9 k 发这的荚翻为髟唾。1 9 9 0 年，荚强舶州穿气资源委爨会( a r s ) 通过法 规，篮求枉2 0 0 3 年汽年铺信总铆 i i i 必须竹l o i g j 零排放p u f ( z e v ，z e m e m i s s i o nv e h i c l e ) 。假l 如予认t l 划l b 功汽车l 饿娜的电池楚披术和充l ( 1 墩施 不戆裂像，a r b 予1 9 9 8 年穆菠了关予2 0 0 3 零1 0 戆z e v 鎏求。这项渗浚 允许规模较大的汽车制造商用非纯粹的z e v 化在部分指标能够满足z e v 消 沽要求的汽车代替6 的z e v 要习之，剩下的4 必须是纯z e v 【1 1 能满足这 6 要求的汽车主要簸是混合动力瞧动汽车( h e v ，h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 。 我圜汽车工业的发展嗣样瑟濂能源和污染两大难题。就我国石油资源短 缺而畜，已发现可开采的储量仪占世界总储量的4 左右，并且我国从1 9 9 3 年开始进口石油，并以每年两位数字的百分比增长，2 0 0 0 年进口石油7 0 0 0 万穗，成瑟漓3 0 0 0 万睫。爨2 0 0 5 年笔盂轰，每年迸墨石涵穆越过一亿醚，糖 当于科威特一年的石油总产量，而汽车内燃机是最主要的石油消耗源之一。 同时我国城市污染也十分严重，目前世界上空气污染最严重的十个城市中有 七个在中重。显然，遴步使雳健绞发动规技术毒冬对我国的熊源安全与环凌 保护造成巨大的压力。 程能源与环保联力的挑战下，世界上许多阉家包括我国都在认真思考汽 车工业的来来发展。融合当代多种离新技术的电动汽车代表了今后汽车发履 ：誊燹逞灭掣艄：亨五：仑夏麓一量鸯，毒 的方向，研究与丌发新一代汽车已经成为跨固汽车公司和工业发达图家发展 战路中载鬟点f 1 】f 引。堡是，在基嚣电池技术没有重大突酸黪溃烫下，一般遗 池的能量密度与汽油相差极大，道未达到所要求的数值，所以，目前来讲电 动汽车憋无法取代燃浊发动极汽车。在这砖情况下，“恣绿色”粒耘墅产 品一一混合动力型汽车登上了历史舞台。荧国、欧洲、f 1 本等国的政府和汽 车公司已经投入越过 己美元妫资金，并且每年不少于l o 亿美元幻持续 投入进行纯电动汽车。混合动力汽车和燃料电池汽车的开发，美国联邦政府 更是成立了“耨一代汽车伙伴计划”( p n g v ) f “。我囤政府瞧对h e v 的发鼹 给予了足够的重旱觅，国家科技部在“十五”槐划中特别设立了电动汽车重大 专项，以期提高我冈汽车的国际竞争力，实现哉娜汽车的振兴。 一 尤其对于北京市来讲，为实现2 0 0 8 年北京“绿色奥运、科投舆运、人 文嶷运”的哭运宗翳，必须保证交媳运输车辙的环保性能搬标选烈嫩界发达 搿家的先避承乎，这使褥混合电动公交4 i 触研究剿不容缓。 1 2h e v 国内外发展现状 终为缓崭鞭筑披拳；主令篷缎9 舀冬找秘驻浓，混合翡力嘏渤汽车辩 丌发得到了燕、闩及髑欧等许多发达冈家的高度爨视。各犬汽车公剐通过使 焉先遂鹣开发手鼗，惑谯鞍短懿歼笈瘸弱是穗继搬坦了不瓣籀攫形式霸控搿 策酶静h e v 产品。 霆本事霹汽车公避搴笼子1 9 9 7 华1 2 舞将瀵台葫力型p r i u s 骚车授敖零 国市场【引，2 0 0 0 年初又开始投放北黄市场，并将月产由1 0 0 0 辆调舞到月产 2 0 0 0 凝，愆产磊爨鑫联了袋不应求鼹露，这璐黎雩l 起了鼗虑敬轰魂，嚣 前该车累计销量已突破1 2 万辆。该公司萤每长受嗣宣称，丰刚公词所有的 各型汽车均将采魇 隧念旗力技术，事l 壬l 公强诗划刘2 0 0 5 每嚣李混食戮力汽车 这到年产妁万辆。程爨本，除了事疆公司娃铃，零困、爨产黪大公司也不 营藜囊，分戮硬裁了爨已懿渡舍秘力汽莩，葬敬褥了骚入翡藤绫。1 9 9 9 筝 末，本翻公司在日本、麓国、西欧和察国等圜陆续歼始销售小型混含动力轿 车“i n s i g h t ” 6 1 ，本国躁裁嶷蠢将予2 0 0 4 颦1 2 熙程美国上疆“雅黼混台动 ：裹趸通兀享预士享位沦夏筹垂是：乏 力车( a c c o r dh y b r i d ) ”。雅阁混合动力车是继“i n s i g h t ”及“思域( c i v i c ) ” 之后本田在美国上市的第三款混合动力车。 上个世纪9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合， 并以混合动力电动汽车为重点对象，由能源部牵头、包括运输部和国防部斥 巨资组织各大汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。 1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总 哉共同提出了美国“新一代汽车合作伙伴计划”( 简称p n g v 计划) ，旨在 ，i ：发新- - 4 4 高效节能汽车。迄今己丌发出多种形式的混合动力电动汽车，例 如f o r t 公司的p r o d i g y 混合动力电动汽车，d a i m l e r c l u ：y s l e r 公司的e s x 3 混和动力电动汽车，g m 公司的p r e c e p t 混合动力电动汽车i7 i 。目前，福特一 已开始生产s u v “e s c a p eh y b r i d ”，返将是全球首款混合动力s u v ，克莱j g i 恸公司与荚困陆军坦克汽车合军符指挥部共同丌发了一款柴油电动混合军 用i - 车道奇公羊h e v 。拥统计，自2 0 0 0 年以来，荚围混合动力汽车的销售 增长了5 7 0 以上， i i 均j 啦k 牢达到了8 8 6 。 其他各l 虱如m 程职极进7 7 f 1 1 金动力电动汽乍瓣玎发、伊4 及推广方燃 王终。法国雷滚公嚣j 毳珏餐篱瓣v 嚣r 下9 4 1h y m m e 两款 曩台动力电动汽车曩东 法i 吲接受了1 0 0 0 0 k m 的运行试验。瑞腆沃尔沃公司也丌发出旗于沃尔沃f l 6 卡车段液的混合动力电动汽车。德国已有几一t 1 辆混台动力大寓车在斯图加特 窝威寨尔泰运行。2 0 0 4 年l o 月l 穗，韩霆璇伐汽车公司凌汉城举露豹“寒 来型汽车开发纪念仪式”上推出了韩国第一辆混合动力汽车“混合动力 c l i c k ”。这种混合动力车可交错使用汽油发动机和电动机，能大幅降低能 源消耗，其耗油量为蹲嚣1 8 公璺。 我溺在“，k 聂”裙“丸五”诗剜期闯都有诗戋地开震了魄动汽车静关键 技术攻关和整车的研制工作，“十五”的“8 6 3 ”计划中更是把电动汽车的研 究作为十二个重大专项之一，并把电动汽车的产业化技术作为工作重点。清 华大学在1 9 9 5 年藏开始了滋会动力电交汽车方嚣鹣硬究，强h e v 关毽蔽零、 系统及理论方面做了许多工作。目前国内已经有单位试制出了混合动力电幼 汽车，如广州市电举公司开发了混合动力公共汽车、东风汽率公司的并联式 混合韵力辕市客车蹲。2 0 0 2 年8 月，在科技郝与“8 6 3 ”敬支持与领导下， ：襄交通灭字硕= 享位论夏 蔫一量奄诧 中固首辆c a n 网络系统混合动力轿车在奇瑞公司实装成功，并进行了初步 试运行。此外，2 0 0 3 年1 1 月8 日，四辆e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车 在我国电动汽车试点示范城市一一武汉坡投放到5 1 0 路试运行。 所谓混合动力电动汽车( h e v ) 是指将电力驱动与辅助动力单元( a p u ， a u x i l i a r y p o w e r u n i t ) 合用到一部汽车上。它通过先进的控制系统将现有内 燃机与一定能量的储能器件( 主要是高性能电池或超级电容器) 结合起来， 实现最佳的能量分配，h e v 可大幅度地改善发动机的油耗，最大限度地降 低废t 气排放。 目i 猕世界各国研制开发的混合动力电动汽车有不同的结构形式，根掘其 驱动系统的配锶列组合方式( 即能量合成的方式) 不同，h e v 大致可分为三 类：井l | ：j 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 ) 、串 联式混合动力l 乜动汽车( s h ev ，s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 及混联式混合 动力f 乜动汽车( s p h e v ，s e r i e s 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 ) 1 8 1 。图1 1 足 i ；j l j 式混合动力系统，其主要特点在于b 机始终是直接驱动力的来源；图 1 2 足并联式混合动力系统，它是主要特点是内燃机和与变速器相连的i 乜动 机邮通过各自的驱动轴驱动车轮。图1 3 为混联式混合动力系统，它足把串 联和并联相结合的一种形式。 研究分析表明，三种混合动力结构各有优缺点：s h e v 中发动机与驱动 电机之问无机械连接，发动机工况比较稳定，并且汽车结构布置自由度大， 但由于所有的驱动功率都必须经过机械能电能一机械能的转换，因此总体 效率较低，并且所需电机功率较大：在p h e v 中发动机与电机以机械方式 连接，二者均可提供驱动力，电池数目较少、整车价格较低、运行可靠性高， 并且整体效率较高：s p h e v 综合运用s h e v 和p h e v 的运行模式，控制比 较灵活，整体性能较好，但是结构系统过于复杂，控制难度很大，零部件数 目多，成本较高。 从目前国际上研究趋势来看，p h e v 以其在整车效率、控制难度、动力 性能、续始里程、整车成本等多方面的综合优势成为当前研究的重点 9 , 1 0 , 1 1j 。 因此，本文将针对并联耦合形式的h e v 进行研究。 ：i 曩卷忑掌碾士掌位论叉差一室撼论 岛 仁令 电气连接 机械连接 爿 = 今 强i a 串联式混合动力系统缝构示意强 i 把气迮接 搬缓连接 图1 2 并联式混合动力系统结构示意图 匹蜜蕊电气连接 = = 机械连接 图1 3 混联式混合动力系统缩构示意图 j ：辜受通忑享项= 字位沦文差一量量凳 1 3p h e v 动力总成控制系统研究现状 近年来，h e v 多能源动力总成控制系统的研究进展主要表现在针对 h e v 的控制器的开发和控制策略的研究。 1 p h e v 控制器的开发 p h e v 动力总成除有相互祸合的两个动力源外，还包括i 乜池、传动系统、 制动系统等。h e v 的动力总成足电力、机械、化学和热力组f l ：( f , j 总成，足 一个复杂的非线性系统，具有多种不同的运行模式，因此需要复杂缜密的多 能源动力总成控制单元对其进行统筹控制。因此，多能源动力总成控制单元 的研究成为近年束i 乜动车技术发展和产业化进程巾的重要研究丌发方向。这 为汽车电力电子技术提供了巫广的发展空叫i ，同时又是严峻的挑战。 l 茸# b + l l 继推出了成用于不同苹她的动力总成控制器。芙俐p n g v 项日 在h e v 动力控制梭块集成等技术领域敷褥了疆蓊成就。在p n g v 汁划的撼 动下，焚围各大汽车厂商部獾出瘦拜j 予h e v 嬲力总或的控制系凌，其t p 通 用p r e c e p t 混合动力总成系统a i p m ( a u t o m o t i v ei n t e g r a t e dp o w e r m o d u l e ) 可控制i 乜动机与发动机的输出能鹫分配，并具肖能量管理、辩生制动、电池 技态翼酝等善垂爱h “。搽势汽车公溺开发兹v s c ( v e h i c l es y s t e mc o n t r o l l e r ) 系统，熊能够控制动力总成中各部件稳定协调的工作，并且能够实现不同工 作模式的平稳切换i l ”。与此同时，荧国的一些罄名高校也加入到h e v 的研 究和开发当中，并且在美国三大汽车公司的支抟下，推出备囊的h e v 车越 著开发勰支持褶应h e v 车型黪动力慧成控裁系统。其中美阐旋潮大学戴绫 斯分校搬出的y o s e m i t e 混合动力率及其动力总威控制系统p c m ( p o w e r t r a i n c o n t r o lm o d u l e ) 【1 4 l ；威颠康星大学研制的m o o l l e n i u m 混台动力车及基于 m o t o t r o np c m 5 5 5 豹慈残控割系缓h ”。 h e v 多能源动力总成控制荦元需要与各个子系统之间传输来自传感器 的信息以及重要的控制信号，大量数据的实时交换对动力总成控制系统设计 提出了极赢毂要求。c a n 协议是8 0 年代初b o s c h 公司为解决现代汽车中众 j ：喜爱溺天字硕士亨位：吏 篝委鹭论 多控苇单元、测试驶嚣之间的实时数搌交换蕊歼发的一种串行通讯协议，其 通滚遮率高，窖错戆力强，将翻遥会汽车综合羧潮系统尤其楚h e v 中多e c u 单元间实时控制信息的交换【“】。j 珏年来，c a n 总线技术在h e v 动力总成局 域网中的应用愈来愈广泛，很好的满足了进一步减少车身线束的要求，并且 方霞酸瓣渗甄秘主蘩电子蕈元藏大量鼗据信患实时交换嚣簧。美国藏馨袋璧 大学的动力总成控制器m o t o t r o np c m 5 5 5 具有两个c a n 接口，能够与动力 总成中其它控制器通过c a n 总线j 厦信减少丁传输线，降低了传输成本。 并且由于系统中所有渲制器都采嬲一种浯言i ! 行配嚣，提赢了配罨的灵滔性 圈。 豳内p h e v 动力总成控制 ： 的j | ：发目l j i 还处于起步阶段。近束压l 内一 些高校和研究单位已经展jf 了多能源动力总成眭制器和能撼管理系统的毖 礁陡留 完工俘，在闲家卡直“8 6 3 ”电动汽车整大专瑗瓣支持一f ，渍华大学、 ：j e 求交通夫学、上海交通大学、同济火学、：m 农理工大学、系风电动车辆股 份订公司平i ，f 日擀一汽车集i 到公司等r ：打校平企业m 在进行p h e v 动力总 成控制系统的开发。 2 p h e v 多能源动力总成能撼控制策略研究 多麓滚动力慧躐按毒系绞开发过程中，签涮策略鞠控到黪法建实凌鼹憋 车多麓源动力管理协调的关键，藏优劣将直接关系到整车憔能的好坏。动力 总成控制系统通过控制逻辑使电动汽车运行在不同的模式下，并且通过与每 一个运行模式栩联系的动态控制策略向各子系统发出指令。控制系统应满足 整车在各静模式下豹驱动耜捺藏黉求，嗣时缣涯不嗣运苻模式润麓予疆动态 切换。 髓磺h e v 汽车技术的不断发腋，控制策略的研究日益得到各国政府以及 世赛备大汽事公霹懿蓬筏，综合备拳孛控裁嚣惩，煮鞋下死耱壤黧瞧控铡策旗： 翻前p h e v 的控制策略大多采用电力辅助控制策略，该控制策略的主 要思想是把电机作为辅助动力源，根据运行工 咒提供峰值驱动功率或者在发 动机功率富裕时以发电模式工作，从丽优化发溯枫翦运行工瓿，同时使彀池 j ：表受通天字颈工享蕾。仑文 蒡一童建。仑 保持一定的有效电量水平。其主要输入参数包括车速、电池充电状态( s o c ， s t a t eo f c h a r g e ) 值及车辆的扭矩负荷等。根据输入参数，首先确定发动机 的优化输出扭矩，然后根据总的负载扭矩与发动机扭矩输出值的差值确定电 机的扭矩输出。本r 日i n s i ：g h t 的扭矩分配控制策略、雪铁龙x s a r a 的并联 控制策略等都属于这种电力辅助控制策略【1 ”。 国外有关文献表明，综合运用模糊逻辑控制、自适应控制、神经网络等 现代控制方法对p h e v 的电池s o c 值、车速、发动机功率等参数进行模糊 化处理，同寸。d - k ：合自适应控制或神经网络进 亍寻优，能够取得良好的控制效 果。因此，p h e v 动力总成控制系统的模糊逻辑控制策略( f l c s ，f t , z z yl o g i c c o n t r o ls t r a t e g y ) 以及自适应控制策略( s a c s ，s e l f - a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g y ) 目j 1 正成为热点研究问题。 f l c s 的主要目标是保证发动机工作在高效率区，该控制策略通过对输 入输出参数分别进行模糊化和反模糊化处理，避免了常规控制方法中复杂的 查袈利插值汁算，能够提高响应速度和控制精度。 s a c s 也称为实时控制策略( r t c s ，r e a l - t i m ec o n t r o ls t r a t e g y ) j 主 要心想足：对每一时刘驱动能摄在电机和发动机之间的分配进行优化，以按 照目标综合提高整车的燃油经济性和排放性能，即是说，s a c s 主要体现了 实时优化的特征。s a c s 采用若干个具有不同权值的控制参数，例如燃油消 耗率、h c 排放量、n o x 排放量、p m 排放量等，这些参数分别表征p h e v 的经济性能和排放性能。所述权值既可采用标准权值，也可由用户自定义。 然后由这些参数生成一个对应于不同发动机扭矩的影响函数( i m p a c t f u n c t i o n ) ，在一定转速下，通过寻找使影响函数达到最小值的扭矩点来取得 h e v 最优的燃油消耗和排放。 对于动力总成控制策略的应用，在国内，h e v 控制策略的研究正成为 “8 6 3 ”电动车专项中h e v 的重要研究内容。该研究专项中的课题承担单位通 过仿真试验和整车道路试验进行了较为深入的研究，并取得了一些重要的研 究成果。 二：享贾通兀享硕士掌位论叉 萋一蚕奄芷 1 4 选题意义和主要研究内容 本论文的研究工作是“十五”计划期间，北京交通大学承担的国家高技 术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中“电动汽车”重大专项“e q 6 1 1 0 h e v 混合 动力电动汽车新型控制系统的研究”研究课题的组成部分。通过自主研发的 基于m p c 5 6 6 的h e v 多能源动力总成控制系统，可以填补国内自主开发 h e v 多能源动力总成能量管理系统的空白，提高我国h e v 的研究水平，缩 小与国外的差距。 本沦文研究的重点是在分析p h e v 动力总成特性的基础上，x , i x ) l 力总 成控制系统进行研究。 本沦文主要研究内容包括： l 分析e q 6 t 1 0 h e v 多能源动力总成系统，础 究p h e v 中发动机、r 乜 机、 乜池、传动等子系统及其控制系统的工作特性，确立控制系统 的构成： 2 深入币j f 究p h e v 动力总成控制系统的控制策略和控制逻辑，对观彳f 的控制策略进行改进和优化，希重研究针对实车的控制策略以及回 馈制动控制策略： 3 在分析e q 6 1 1 0 h e v 动力总成控制系统功能及硬件特性的基础j 二， 选择软件开发语言，对控制模块各个部分进行软件编程，并且对控 制策略进行算法实现； 4 进行动力总成控制系统的硬件在环仿真试验研究，并完成控制系统 的台架试验和整车试验，对动力总成控制系统的功能和基本性能进 行调试。 j ：衰交通天字预工字位沦文筻二萤多蔓濠动力总氙控制系坑分圻 第二章多能源动力总成控制系统分析 本章的研究工作以北京交通大学和东风电动汽车公司、华中科技大学 “十五”期问合作开发的e q 6 1 1 0 并联式混合动力城市客车的动力总成及其 控制系统为研究对象，根据整车设计方案确定的动力系统机电耦合方式进行 p h e v 多能源动力总成控制系统的设计。 2 1 多能源动力总成及其控制系统的总体构成 2 1 1 多能源动力总成的总体构成 圈2 1p h e v 动力总成系统结构 1 ，电机2 发动机3 变速器4 离合器5 扭矩耦台器6 电机控制器 7 动力总成控制单元( p c u ) 8 油门执行器9 发动机e c u1 0 电池 1 1 差速器1 2 车轮1 3 x 轴执行器1 4y 轴执行器1 5 离台器执行器 1 6 电机转速传感器1 7 发动机转速传露器1 8 主驱动轴转速传感器 ：辜交通丈掌预= 字l 立论文笺二童多琵漂动力总茂控制系绥等忻 东风e q 6 1 1 0 混合动力城市客车的动力总成系统结陶如图2 1 所示。山 图可知，e q 6 1 1 0 混合动力城市客车的动力总成系统属于典型并联式结构， 主要包括动力总成控制单元( p c u ，p o w e r t r a i nc o n t r o lu n i t ) 、作为动力源的 发动机和电机以及构成传动系统的离合器、扭矩耦合器、变速器、主传动轴、 差速器等。 - e q 6 1 1 0 混合动力系统中的主要部件型式和参数如表2 1 所示。发动机 选用康明斯i s b e l 5 0 共轨式四缸电喷柴油机，该发动机排放满足欧i i i 排放 法规，并目其e c u 具有c a n 总线通信功能；电机选用开关磁阻电机，并 电机控制单元具有模拟通信和c a n 通信两种模式：r 乜池选用镍氢动力电 池；变速器采用6 档自动机械式变速器( a m t a u t o m a t e dm a c h i n e t r a n s m i s s i o n ) 。 表2 1 e q 6 1 1 0 混合动力客车多能源动力总成动力系统主要参数 发动机峰f | f 功率( k w )6 2 j 0 轨、l u 唢、 形式及类别 i ! ；淀转迎( r r r d n )2 0 0 0 四缸 型号i s b e l 5 0电池 蜘：j ( l )3 9 9类型n j 。m h 燃料种类柴油公称容龄( a h )4 0 额定功率车速( k w r m i n )1 l o ，2 5 0 0单节电压( v )1 2 虽火扭矩转速( n n g r m i n )5 5 0 1 2 0 0 1 7 0 0电池节数2 8 缸径冲程( m m n l n l ) 1 0 2 1 2 0 电池连接形式串联 压缩比1 7 0 ：1电池组电压( v )3 3 6 电机变速器 类型开关磁阻电机档位数6 额定功率( k w ) 3 5 控制方式a m t 2 1 2 多能源动力总成控制系统的构成 e q 6 1 1 0 h e v 多能源动力总成的控制系统的构成如图2 2 。由图所示动力 j ：暑受遏x 毒嫡：享位凳叉 篱= 雪墨麓凉动力蒜葳窖割器舞纷蛹 总成控制系统包括p c u 、发动机电控单元、电机控制器、a m t 控制器及动 力毫逐管理系绞以及p c u 与发动撬电茬单元、毫瓿电控单元、电遗管瑾系 统、a m t 控制器的信号通道。p c u 是p h e v 动力总成控制系统的核心，也 是整车运行过程中的关键控制部件，真接影响蛰整车的性能。p c u 包含控 制策略模块、数据输入输出模块、c a n 总线接潮以及宅源模块。 潜2 2 中动力总黢试验篮控系绕是专f 1 为醚台p h e v 葫力总或控裁系统 试验，：发的。 嚣j 岔嚣芝；i 缫警；”l 要 。十 、t 、辩妒：f t 一2 - f ”k 肆o 五夏夏麦夏z 霹趸霹 藤m p c 5 勰x x i 孓j 塾幽l 旗子iu 瓦。地。】i i nf 一鬯：竺：ll i 控魁策略 梭决 通信接口 模块 电源模块 r 一 数据 输入 输出 模块 臣固吕 匦堕强 臣亟甚 厂了飘霸释郭u l 一。 f r l 隧2 2p h e v 动力总成控制系绫的梅成 醛 赛 船 烯 2 2 多能源动力总成的控制要求尚控制系统控制原理 及功能分析 并联式混合动力电动汽车动力总成系统是具有两套相对独立的动力系 统，是传统内燃机动力系统和电机动力系统的集成。在主驱动动力源的选择 主，考虑副掰开发懿e q 6 1 1 0 混合动力毫动客车豹运行鼹潺鞋及毫捉，发动 筑的工作特性，并综合考虑整车动力性、经济髋以及摊放性的袋求，选择以 发动机为稳定工作的主驱动动力源，以电机为辅助能量调节单元的方案。 磁fi，翁刊 一爨麓镰-露赞秘辫“蘩 ：季受遘x 掌颚工学位诧x 装二主多靛源动了3 慧茂毽制吞筑磐晰 2 。2 并联式混合动力系绫运 亏模式 混合动力系统根据不同的机电祸合方式宵不同的运行模式。在不同的运 行模式下，动力总成系统有不同的控制要求。总的来说，动力总成控制系统 羲是要在不曩整车骚动运行模式下绦 歪整车鬟青蠡好静动力拣、经济 圭移潦 放性，即保证发动帆时刻处于理想的工作状态。 根据e q 6 1 1 0 混合动力城市客车确定的动力总成系统熟主要运行模式 包括川： 纯电税模式； 纯发动机模式： 发动机、电机混合驱动模式： 发动疑囊秘+ 逮嚣【菠| 毫狡式； 回锁制动 = l 式； 停车充 乜横式。 1 。缝电飒模式 谯混合动力汽车起步和低速行驶时，相应的发动机运行工况偏离了较优 的工作藏团，如汽车需求的牵引负荷偏小或者缴础桃运行转逑过低，油耗秘 尾气援赦潺援较差，多 ：显出予毫辍矮毒强速丈援短黪特瞧，这瓣夔滢合动力 系统处于纯电枫运行模式，汽车的牵引功率全部由电机提供。发动机根据行 车要求处于怠速或停机状态。 2 。境爱交瓠模或 当汽车行驶于相对稳定的工况时，如在高速公路上稳速行驶，由于汽车 克服路顾阻力保持恒定速度行驶时的扭矩很小汽车需求的驱动功率符合发 动极爱德辕出功率懿藏蠢，发动凝忿对懿经漭瞧窝慈藏煌都缝较磐黪绦滋， 而且动力电池的荷电状态( s o c ，s t a t eo fc h a r g e ) 处于较离水平( 达到躐 超过设定上限) ，混食动力系统工作在纯发动机模式，电机转予空转。 3 。发萄瓠，穰番。混合疆磅模或 ：衰夏通兀字硬士享位论叉萋二委多能源动了 急甄荏制皋戈分忻 在全负荷加速或重载工况下，当汽车行驶功率超过发动机最大输出功率 时，为了保证发动机工作在性能优化区域，电机要提供一部分汽车牵引功率， 使混合动力系统处于发动机、电机混合驱动模式，汽车的负载功率等于发动 机输出功率和电机输出功率之和。 4 发动机驱动+ 电机发电模式 当动力电池的s o c 值低于电池使用性能要求的下限，且发动机的运行 工况能够处于较优的工况范围，则根据当前动力电池的荷电状态来确定电机 的发电功率此时混合动力系统工作在发动机驱动+ 电机发f 巳模式，发动机 提供汽车牵引功率和电机充电功率之和。处于发电状态的电机成为变速箱输 入轴上的一个负载，利用发动机发出的汽车牵引功率以5 b t l ：j 富余功率对动力 电池充f 乜。 5 回馈制动模式 回坝制动模式是指利用汽车减速或下坡行驶时，使l 三机处于发f 包? 状态给 _ l 池充i 乜，即动力总成系统提供一定的负扭矩用于车辆制动。考虑到制动距 离和制动时间的要求，p h e v 制动的实现有时采墩回馈制动与机械制动相结 合的复合制动方案。 6 停车充电模式 停车充电模式是指由于动力电池s o c 处于较低的水平，利用汽车停靠 间隙，使电机处于发电状态，由发动机带动电机发电从而给电池充电的模式。 此时动力系统的离台器处于结合状态，而变速箱处于空档状态，这样电机作 为发动机负载，发动机的输出功率全部提供给电机为电池充电。 2 2 2 多能源动力总成控制系统控制原理 多能源控制系统是混合动力电动汽车的智能核心，它根据各种传感信 息，包括加减速命令、行驶路况、蓄电池情况、环境温度等因素，合理的调 配和使用车载能量。多能源控制系统可以根据各种传感器信息，在不同的负 ：襄趸通灭享砸= 享位凳夏勇二置多裴源动7 总葳建引承璺等听 载和车速时综合发动机、电机、控制器以及齿轮箱的最佳效率，适时的提 供整体f 勺最佳控制方案。另外，多能源控制系统还可以根据需要选择蓄电池 的充电方式以及何时需要对其进行充电。另外汽车减速时，还可以通过电机 的回馈制动能量回收技术回收一定的制动能量，对蓄电池进行充电。 目前混合动力电动汽车的技术难点就是如何通过p c u 的控制，根据车 辆行驶速度和功率需求的变化，实现发动机和电动机这两利t 机械和电力动力 系统的最佳转换和紧密配合，并使蓄电池运行状态的优化，从而使燃料经济 性和尾气排放以及汽车的其他性能都达到所要求的最佳状态。通过先进的多 能源控：# 0 系统把发动机与电机高度的协调起来是混合动力电动汽车成败的 关键问题。另外，控制系统与r 乜子技术结合，以实现运行的自动化是汽车技 术发展的大趋势，但是这将为控制系统的丌发增加困难。 图2 3 多能源动力总成控制系统控制原理图 本论文的研究对象混合动力电动客车e q 6 1 1 0 采用的是并联式混合动力 系统，在e q 6 1 1 0 h e v 中燃油通过发动机将化学能转换成为机械能，再通过 发动机带动电机发电使机械能转换成电能，该电能再给蓄电池充电储存成电 ：衷交通天享碾土字_ i 互论文 蒡二量多畿源动力恙茂翌割薹譬斫 能，蓄电池驱动电机运行时电能转化为 几械能。从以上叙述可以看出混合动 力电动汽车包含很多复杂部件，而且这些部件大都需要多能源控制系统进行 有效的控制，其中包括蓄电池组、发动机、电机、空调等等。混合动力电动 汽车多能源控制系统电气控制原理图如图2 3 所示。 2 2 3 控制系统功能分析 从混合动力系统不同运行模式可以看出，动力总成控制系统首先具备的 功能是能够依掘汽年运行的：状态及驾驶员的驾驶意愿按照预先发汁的控：州 策略选择合理的混合动力运行模式，保证混合动力汽车在使用中满足人们对 汽车经济性, f u ： l - 放性的要求；并要完成混合动力系统不同运行模式的平顺切 换，保i 正汽车驾驶的舒适性。 出于e q 6 1 l o 混合动力城市客车的动力系统采用了自动机 戒式变速擗 ( a m t ) ，因此在不同运行卡焚式下的换档操作也是动力总成控制系统需要考 虑的呕要控制问题。在换档过程中，动力总成控制单元与a m t 控制器棚互 协调配合，以减小换档n 寸f t , j l 械冲击。 除了以上动力总成控制系统的主要控制功能，汽车的起步控捌、制动控 制、动力系统故障处理等也是动力总成控制单元的重要控制内容需要在控 制系统的软硬件设计上全面地加以考虑。 总而言之，动力总成控制单元( p c u ) 从其它相关控制器和传感器中获 得司机发出的加速或制动控制信号，同时获得车速、发动机转速、电机转速、 档位信号、离合器状态、电池s o c 等表征整车或动力系统运行工况的参数， 按照一定的控制策略，通过c a n 总线通讯或其它信号传输方式指挥发动机 电控单元、电机电控单元、a m t 控制器、电池管理系统等控制单元进行工 作，对动力系统各个部件的转速、扭矩、功率等参数进行协调控制，使混合 动力汽车始终工作在合理的运行模式下，满足人们对汽车动力性、经济性和 排放性能的要求。 此外，在整个控制系统中发动机控制单元是根据整车控制模块( p c u ) 发出的发动机油门指令，发动机状态指令等一些信号来控制发动机的运行状 j ：享受遘式孝颧：字盈譬趸 鼙= 誊多能漂习刀慧茂燕割墨兰毫2 精 态，同时通过发动机控制模块发出发动机一些状态信号。 啜壤控裁荸元羧攒当藩懿工沅控爱电撬楚予三静工俸获悉之一：逮动撬 状态、皴电机状态或空转状态。同时控制电机的油门以及运行状态，并同时 向p c u 发送电机的实时状态信息。 传动系统控制单元羁寒实现鬻台器的分离接会控裁以及a m t 黔揆髅 控溯。琵混合动力汽车的控制中，在p c u 静统协调下，传动系统e c u 应 与发动机e c u 及电机控制单元相互协调一致，以便使整车控制发挥出最佳 性能。 电淹管理荦元熬 窜臻主要是滚测馥力电渣缀鹃薪电拭悫，这是整车控淄 的关镪，因为运行工况判断的重鼹依据之一就怂s o c 。此外，电池管理单 元还用米检测动力电池组的输入输出电流、电压以及温升等参数。 2 。3p c u 信号输入输毒接叠总体勰剃 2 3 p c u 信号接口的总体规划 e q 6 1 1 0 h e v 运行过程中，p c u 与动力总成系统内部各多能源控制器之 蜘进行简速的实时数掘交换，其中包括状态信号、控制信号以及错误检测信 号熬传辕。努褥憩成审餐令怒铸姆瞧，投据p i q e v 葫力慧娥懿控爨要求， 确定p c u 与各个控销器之阍的输入输出信号方案是进行p c u 开发的首要任 务。 图2 4 是本课题与e q 6 11 0 h e v 开发承担单位之闻协调下共同确定的 e q 6 1 1 0 h e v 葫力蕊藏控麓单元镄麓攘墨兹总钵援耄蠡。露爱2 4 掰示，p c u 的数据输入输出信号接口分为5 个部分，包括p c u 与发动机e c u 之问信号 接口、与电机控制器之间的信号接口、与电池管理系统之间的信号接口、与 整车秘强瞧控裁器之耀兹售号接疆、与a m t 羧粼嚣之竭熬耱蛩接墨，