（车辆工程专业论文）基于cvthev整车能源分配控制策略及can通讯协议研究.pdf

硕士学位论文 摘要 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，简称h e v ) 是将新技术和老技术 结合的最可行的产物，它不仅具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能，而且具 有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能，因此混合动力电动汽车 成为当前解决节能、环保问题切实可行的方案。 本文通过分析国内外h e v 发展状况，阐述了当前在中国大力发展h e v 的重 要性、需要克服的技术难题以及h e v 结合无级变速器( c o n t i n u o u sv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) 的特点和优势。在此基础上对典型的h e v 动力总成系 统进行了深入的分析，结合台架试验数据和理论分析，应用m a t l a b 厂s i m u l i n k 仿真语言自主设计搭建了c v t - h e v 动力总成仿真平台。 其次，在c v t h e v 仿真平台上研究了基于逻辑门限控制的混合动力电动汽车 能源管理的控制策略，并结合工程实际编写了主控制器能源管理算法的控制流程 图；同时对基于模糊逻辑的控制策略进行了探讨性的研究，并在仿真平台上对整 车控制策略进行了仿真分析，为进一步的实车控制软件的开发提供了理论指导。 最后，设计了配备c v t h e v 的动力总成控制系统基于c a n 总线拓扑通信网 络结构，并在j 1 9 3 9 标准通信协议的基础上结合工程实际制定了基于c a n 总线的 c v t - h e v 的控制器网络通信协议；并完成了c a n 通讯模块和新型液晶显示仪表控 制节点的软硬件设计。 关键词：混合动力电动汽车；能源管理策略；控制系统局域网；无级变速器 a b s t r a c t t h eh v b r i de l e c t r i c a lv 曲i c l ei st h ef e a s i b l eo u t c o m ef r o mn e wa n dt r a d i t i o n a l a u t o m o b i l et e c h n i q u e i tn o to n l yh a st h ea d v a n t a g e so fl o we m i s s i o na n dh i g h e f f i c i e n c yo fp u r ee l e c t r i c a lv 乩i c l e ，b u ta l s oh a st h ep e r f o r m a n c e so fl o n gr u n n i n g m i l e a g ea n df a s tf u e is u p p l e m e n ti nt r a d i t i o ni n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n ea u t o m o b i l e a c c o r d i n g l y ，h y b r i de l e c t r i c a lv 曲i c l eb e c o m e s l h ef e a s i b l es c h e m ef o rs a v i n ge n e 唱y a n dp r o t e c t i n gf f o me n v i r o n m e n ti nt h i sc e n t u r y i n t h i sp a p e r ，t h ew o r l d w i d ed e v e l o p m e n t0 fh e vi sa n a l y z e d a l o n gw i t ht h e c h a 豫c t e r i s t i ca n ds u p e r i o r i t yo fc o m b i n i n gh e va n dc v t ， t h ei m p o r t a n c eo f d e v e l o p i n gh e v i nc h i n ai sp r e s e n t e d t h et y p i c a lh e vp o w e fa s s e m b l ys y s t e mi s d e e p l ya n a l y z e do nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo ft h ec u r r e n t l yp o w e r a s s e m b l ys y s t e m t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fc o m b i n e dc o u p l i n gp o w e ra s s e m b l yi s b u i l ti nc o m b i n a t i o nw i t he x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h e e x p e r i m e n t a lb e n c h t h ep r o f e s s i o n a ls i m u l a t i o np l a t f o r mo fc v t h e vi sd e s i g n e d a n db u i l tb yu s i n gm ：a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nl a n g u a g e t h e n ，t h eh y b r i de l e c t r i cv e h i d ee n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o la 1 9 0 f i t h mb a s e do n 1 0 9 i ct h r e s h o l dc o n t r o lm e t h o di ss t u d i e do nt h ec v t h e vs i m u l a t i o nb e n c h t h e c o n t r o lf 1 0 wc h a n so ft h em a i nc o n t r o l l e re n e 唱ym a n a g e m e n ta l g o r i t h mi sw r i t t e n0 n t h eb a s i so ft h ep r o j e c t a tt h es a m et i m e ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nf u z z yc o n t r o l h a sb e e ns t u d i e do n t h er e s u l t sa n dg r a p h s0 fs i m u l a t i o nb a s e do nc v r - h e ve n e r g y m a n a g e m e n ts t r a t e g yw h i c hc a nb eu s e df o rg u i d i n gt h ee x p e r i m e n t sa r ec o n t e n d e di n t h ep a p e r f i n a l l y ，t h en e t w o r k st o p o l o g yo fc v t - h e vp o w e ra s s e m b l yc o n t r o ls y s t e mi s a n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a lp r o j e c t ， t h ec a nb u sc o n t r o l l e rn e t w o r k c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fh e vi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fj19 3 9p r o t o c 0 1 l a t e fo n ， t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc a nm o d u l ea n dt h ec o n t r o n ln o d eo fl i q u i dc r y s t a l d i s p l a ya r ed e v e l o p e d k e yw o r d s ：h y b r i d e l e c t r i c a lv b h i c l e ( h e v ) ；e n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g y ； c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) ；c o n t i n u o u sv 打i a b l e1 r a n s m i s s i o n ( c v t ) m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 名：铲予 日期：澎年厂月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 纂耋彩刷币签名例乞。 日期：乃韶年夕月垆日 日期：乃秭年多月垆日 日期：捌年，月。) 日 硕士学位论文 第1 章绪论 当今世界，汽车已成为人们日常工作和生活密不可分的一部分。随着现代科 技的进步和生活质量的提高，人们对于现代汽车工业的发展提出了更高的要求。 低能耗、低排放的经济型、环保型汽车在2 0 世纪末、2 1 世纪初已经陆续投放市场， 据资料预测表明到2 0 1 0 年全球混合动力电动汽车年产可达2 9 4 万辆。在全球能源危 机，以及大气污染日益严重的今天，加快电动汽车特别是混合动力电动汽车的研 制已经成为当今各大汽车公司的必然选择，甚至许多国家也已经把发展混合动力 电动汽车列为了国家重大科研项目之一。 与此同时，为了满足人们对汽车安全性、舒适性、经济性以及动力性等各方 面性能的要求，电子控制装置在汽车上的应用越来越多。如混合动力车的能源分 配控制，发动机控制，防抱死刹车系统( a b s ) ，电子稳定程序( e s p ) ，无级变 速器( c v t ) 控制器，加速防滑系统( a s r ) 等。这些复杂的控制无一不需要检 测和交换大量的数据，然而传统硬结信号线的传输方式不但繁琐、昂贵，而且可 靠性差，维护成本高。因此，采用网络来连接混合动力汽车的各种电子系统进行 通讯是现代汽车发展的必然要求。， 1 1 本课题研究背景 全球性的石油危机以及环境污染使节能和环保成为汽车工业发展的两大主 题。特别是对于交通拥挤、汽车密集的大城市而言，汽车频繁起停带来的内燃机 变工况( 特别是加速、低速、怠速) 是造成耗油率高、尾气排放严重的主要原因。 与传统的采用内燃机技术发展，从而降低大气污染的汽车工业不同，本世纪 初人们已经把更多的目光转向发展汽车新能源和环保技术。研制开发更节能、更 环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。 融合当代多种高新技术的纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车的 问世，正引发世界汽车工业的一场革命乜1 。研制开发电动汽车已经成为工业发达国 家和跨国汽车公司战略发展的重要内容。许多发达国家不惜投入巨资进行该领域 的研究开发，并制定了相关的政策、法规来推动电动汽车的研发口4 1 。 纯电动汽车是取代传统内燃机汽车、满足零排放的最终选择，但是目前电池 的能量密度、充电时间、价格、寿命等问题仍未得到理想的解决，从而限制着纯 电动汽车的发展哺1 。近年来燃料电池汽车发展十分迅速，但在成本、氢能源的制备 等方面仍存在一些待解决的问题7 1 。 以发动机、电动机、电池作为混合动力的电动汽车在2 1 世纪初应运而生，专 基于c v t - 脏v 整车能源分配控制策略及c a n 通讯协议研究 家普遍评价：混合动力电动汽车是2 1 世纪汽车产业界的一场革命，是满足新世纪 之初对汽车的环保与节能要求的理想选择汨1 。 1 1 1 国内外混合动力电动汽车的发展 作为一项崭新的技术，混合动力电动汽车在产业结构上，基本不改变现有的 产业结构和能源体系，不改变用户对汽车的使用习惯，是电动汽车开发过程中便 于产业化及推广应用的一种新车型。上个世纪9 0 年代初以来，混合动力电动汽车 的开发得到了日、美以及西欧等许多发达国家的高度重视，并已取得了一些重大 的成果和进展，将现有内燃机与一定容量的储能器件通过先进控制系统相结合， 大幅度降低了油耗，并减少污染物的排放。 1 日本 日本拥有目前世界上最先进的混合动力研发技术和全球几乎全部的混合动力 轿车市场份额。其中最值得举世瞩目的是日本丰田公司装配有丰田混合动力系统 ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ，简称t h s ) 的p r u i s 系列车型。p r u i s 于1 9 9 7 年开始投产， 1 9 9 8 年成为世界第一个小规模成批生产的汽油电动混合动力车，并被评为1 9 9 7 年 世界1 0 0 项重大科技成果之一呻1 。p r u i s 自1 9 9 7 年上市至2 0 0 0 年9 月底已经累计生产 了7 万辆。2 0 0 0 年8 月根据美国市场需求，对p m i s 做了重新设计，其改进后的2 0 0 1 车型，被美国 汽车工程杂志评选为世界最佳设计车。2 0 0 3 年重新设计了第二 代p m i s ，并在s a e 2 0 0 4 年年会上被选为2 0 0 4 年的最佳设计车。2 0 0 4 p r u i s 已经由紧 凑型发展成为中等尺寸型，它比以前的车型具有更强的动力性、更好的燃料经济 性以及更低的排放。新型车的加速性达到1 0 s 内从o 加速到9 7 k m h ；它的燃料经济 性，按美国环保署( e p a ) 公路评价标准为2 3 2 1 k m l ( 5 5 m p g ) ，前一代为2 0 2 6 k m l ( 4 8 m p g ) 。p r u i s 被认证为超低排放车( s u l e v ) ，以及先进技术部分零排放车 ( a t p z e v ) 。该车的排放与传统的汽油车辆相比c 0 2 下降5 0 ，h c 、c o 和n o x 排 放可以降低9 0 左右，燃油节省一半n 们。 除丰田公司之外，本田i n s i 曲t 混合动力电动汽车采用了转矩复合的方式，其手 动变速车创造了在日本法规1 0 1 5 工况下，3 l 汽油行驶1 0 5 k m 的好成绩，而装备了 c v t 的车型也创下了3 l 汽油行驶了9 6 k m 的好成绩，i n s i g h t 车型2 0 0 1 年已经在美国、 日本市场取得销量4 7 2 6 辆的佳绩。 2 美国 早在1 9 9 7 年，美国新一代汽车合作伙伴( p n g v ) 就根据当时的进展情况，筛 选出压燃直喷( c i d i ) 发动机、混合动力电驱动系统、燃料电池和轻质材料4 项新 技术，组织和号召大家重点突破，混合动力技术是重点之一。鉴于直喷柴油机也 是一项重点，为了容易达到p n g v 8 0 m p g ( 3 3 7 8 k m l ) 的目标，美国三大汽车公司都 2 硕：l 学位论文 发展了柴油机电动机混合动力，而且都按计划于1 9 9 9 年制造出柴油机混合动力轿 车。如戴克公司d o d g ee s x 3 ( 适度混合动力系统) ，福特公司p r o d i g y ( 低储能需 求混合电驱动系统) ，通用汽车公司p r e c e p t ( 双轴混合电驱动系统) 1 等。虽然三 家公司都完成了与政府的合作计划，并获得了p n g v 的资金补助。但是都没有考虑 产业化问题。现在为了实现产业化不得不重新开发市场需要的产品，并安排制造 计划，这就比日本公司落后了大约5 年。 2 0 0 0 年以来，三大汽车公司总结了低批量生产电动汽车的经验教训，决定实 施战略转变，将其混合动力系统装于高耗能和高价格的运动型多功能车( s p o r t s u t i l i t yv e h i c l e ，简称s u v ) 和轻型载货车上。轻型载货车和s u v 这类汽车在美国 销售数量极大，所以改善这些车辆的燃油经济性，将对降低总体燃油消耗和避免 c 0 2 的产生更有意义。已知的一些车型有：戴克公司的p o w e r b o xs u vh y b r i d ( c n g 2 7 l v 6 发动机) ， c o m b a t tc 2h y b r i d ( 5 9 l 6 缸增压柴油机) ；福特公司的 e s c a p eh y b r i ds u v ，通用公司的p a r a d ig ms u v ( 采用v 6 或1 4 发动机) 。 3 欧洲 欧洲汽车公司虽然将主要精力赦在发展现代增压直喷柴油机轿车上。但也没 有放松混合动力电动汽车的开发、研制以及推广方面的工作。德国公司生产的并 联式混合动力电动车d u o 已小批量生产，于1 9 9 7 年在第5 7 届法兰克福国际车展上出 现，正是由于它与丰田公司的p r i u s 的出现，引发了混合动力汽车研发的新高潮。 最近，德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里油耗超 过5 升的轿车上路，这也促使人们更多地把希望寄托在混合动力汽车上n 引。参与研 发混合动力电动汽车的还包括戴姆勒克莱斯勒旗下的奔驰公司、德国的b o s c h 公 司，法国的标致雪铁龙和雷诺公司，瑞典的沃尔沃公司和意大利的菲亚特公司等。 4 中国 2 0 0 1 年，我国“8 6 3 一电动汽车计划中，混合动力汽车被列为一项重点。一汽集 团、东风汽车公司研制的混合动力轿车，天津清源公司开发的混合动力轿车和混 合动力大客车，北京理工大学研制的混和动力大客车，还有深圳五洲龙汽车有限 公司研制的混合动力大客车都有进展。2 0 0 5 年，一汽已经与丰田达成协议在中国 生产销售混合动力p r u i s ，上海汽车集团也与通用汽车公司研究了发展混合动力汽 车生产的相关问题；同年7 月上海华普汽车有限公司与同济大学汽车学院正式签署 合作协议，双方将合作研发我国自主知识产权的高科技低排放混合动力轿车。 就我国而言，2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 万吨，预计2 0 0 5 年后将超过1 亿吨，相 当于科威特一年的总产量，而汽车内燃机是最主要的石油消耗源之一；此外，目 前世界上空气污染最严重的1 0 个城市有7 个在中国；按照国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 。尽管电控技术和代用燃料技术能够在一 3 基于c ”h e v 整车能源分配控制策略及c a n 通讯协议研究 定程度上改善内燃机的经济性能和排放性能，但是单纯使用传统内燃机技术发展 汽车工业仍会给我国的能源安全和环境保护造成巨大的压力。面对如此严峻的形 势，世界各国，特别是我国，必须认真思考汽车工业的未来发展这一全球性的问 题。同时，2 0 0 8 年奥运会将在我国北京举行，这更为洁净型城市汽车提供了极佳 的市场机遇。 综上，世界各国竞相开展混合动力电动汽车的研制，其技术背景已经相当成 熟，而且我国也已经在这个领域取得了相应的成果，这都表明在我国进行混合动 力电动汽车项目的开发，不仅是可行的，而且是势在必行的。照目前的发展趋势 来看，到2 0 1 0 年左右，我国将拥有自主品牌的混合动力电动汽车，并将小批量的 投入运营，这将为我国乃至全世界的能源节约做出巨大贡献。 1 1 2 混合动力电动汽车分类 电动汽车是全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车。目前电动汽车主 要有3 种驱动类型：以高效蓄能电池驱动的纯电动汽车( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ) 、以 燃料电池为动力源的燃料电池汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 和以燃油发动机与 驱动电动机混合驱动的混合动力电动汽车( h 油r i de l e c t r i cv e h i c l e ) n3 1 。根据发动 机和电动机的不同组合方式，h e v 大致可分为三类：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 ) 、并联式混合动力电动汽车( p a r a l l e lh y b r i de i e c t r i c v e h i c l e ) 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 v b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) n 钔。 ( a ) 串联 ( b ) 并联 ( c ) 混联 图1 1 混合动力驱动系统简图 4 硕：七学位论文 这三种混合动力驱动系统的比较与分析： 串联式混合动力汽车的辅助动力装置( a s s i s tp o w e ru n i t ，简称a p u ) ，如图1 1 ( a ) 所示，一般由发动机和发电机组成，通常将这两个部件做成一体。发动机带 动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩驱 动汽车。电池实际上起平衡发动机一发电机组输出功率和电动机输入功率的作用： 当发电机的发电功率大于电动机所需功率的时候( 汽车减速滑行、低速行驶或短 时停车等工况) ，控制器控制发电机向电池充电；当发电机发出的功率低于电动机 所需功率( 汽车起步、加速、高速行驶和爬坡等工况) ，电池则向电动机提供额外 的电能。串联式结构的特点适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况， 可以使发动机在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到 调整车速的目的，从而使复杂工况下系统的性能有所提高。但是串联式结构的燃 油经济性并不是很好，这是因为虽然发动机的工况得到改善，但是发动机所产生 的能量，通过发电机、电池、控制器和电动机，在电能与机械能的转化过程中有 效率损失，所以整个驱动系统排放较低，而效率却没有根本性的提高。 并联式布置( 如图1 1 ( b ) 所示) 保留了发动机和后续传动系统的机械连接， 电池组一电动机所提供的动力在原驱动系统的某一处和主动力汇合，或者发动机和 电动机产生的力完全分开用以驱动不同的驱动桥，即汽车可由发动机和电动机共 同驱动或者各自单独驱动。并联式混合电动汽车的结构形式更像是附加了一个电 动机驱动系统的普通内燃机汽车。并联混合动力系统同串联混合动力系统的布置 比较起来，其结构相对复杂，实现形式也趋多样化。一般来说，当汽车在低速等 小功率工况行驶时，通过控制电动机来给汽车提供驱动力：汽车在中等速度行驶 时，通过控制发动机来驱动汽车；而在汽车加速或高速行驶，发动机的功率不足 以满足汽车行驶所需功率时，由控制器控制电动机协助驱动。由于并联式混合动 力汽车的发动机直接驱动汽车，所以在汽车加速和减速时会存在喷油过浓，从而 降低汽车的燃油消耗率，同时也使汽车尾气的污染物增加。并联式结构最大的优 点就是使汽车的性能有比较大的提高。 混联式混合动力系统的布置方案是串联式布置和并联式布置的综合，如图1 1 ( c ) 所示。发动机产生的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱 动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或者电池。电动机 产生的驱动力矩通过动力耦合装置传送给驱动桥。汽车在低载或起步时，由电机驱 动，电池放电。在车辆以正常车速巡航行驶时，由发动机驱动，发动机一旦启动， 就工作于负荷相对较高的高效区，如果输出功率有富余，就将此部分功率用于向电 池充电。当车辆需要爬坡或以较大加速度加速时，电动机与发动机一起驱动车辆。 在减速和制动时，电机又可把部分动能转换为电能存储于电池中。混联式混合动力 车同时拥有串联式和并联式两种结构的优点，但是其机械机构比较复杂。 5 基于c v p h e v 整乍能源分配控制策略及c a n 通讯协议研究 1 1 3 混合动力电动汽车优点 混合动力电动汽车继承了纯电动汽车节能和低排放的优点，又发扬了石油燃 料高比能量和比功率的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放性能和燃油经济 性，同时又弥补了纯电动汽车一次充电续驶里程短的不足，达到两种车辆的优点 的统一n 副。而且它在节能性、动力性、成本等方面提供了更广泛的发展和协调空 间，在环保性能上满足超低污染汽车的要求，有着广阔的市场前景n 引，在由内燃 机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着承上启下、继往开来的角色。目前国内外 专家基本上达成共识：混合动力汽车不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。 与纯电动汽车相比，混合动力电动汽车整车多能源控制系统可以根据汽车的 不同行驶工况，控制车辆的驱动模式，从而保证蓄能装置中的能量始终维持在一 定水平，无需停车充电或频繁更换电池。值得一提的是，通过对电机的精确控制， 混合动力电动汽车可吸收汽车部分或者全部制动及滑行时的能量，以电能的形式 储存在储能装置中，实现了能源的直接再生，提高了能源的利用率。在行驶通过 某些对汽车排放严格限制的地区时，内燃机混合动力汽车可关闭内燃机，变为纯 电力驱动，达到尾气零排放。 h e v 能够充分利用内燃机汽车的生产技术和生产工艺，现有的汽车制造厂只 需要添加一些工装设备，就完全可以用于生产h e v 。h e v 不需要另外建立燃料的 储存、运输、添加等装置，可充分利用现成的加油站。h e v 也不需要另外建立保 养、维修等后勤服务体系。 理论研究以及丰田p r i u s 、本田i n s i g h t 等混合动力轿车的运行证明，混合动 力电动汽车与传统内燃机汽车相比，能够将汽车的热效率提高1 0 以上，燃油消 耗降低3 0 4 0 以上，尾气排放量降低5 0 6 0 以上n7 1 8 3 。 混合动力电动汽车，作为纯电动汽车与传统内燃机汽车的混血儿，已成为清 洁汽车中最具产业化和市场化前景的车型之一。混合动力电动汽车是2 1 世纪汽车 产业界的一场革命，只有混合动力电动汽车才能满足新世纪之初汽车的环保与节 能要求n 矾2 0 】。 1 1 4 混合动力系统与c v t 融合的技术优势 无级变速传动装置( c v t ) 的速比连续变化特性可以使发动机转速独立于车 速的变化，这为有效控制发动机工作点，提高燃油经济性和减少发动机排放提供 了必要条件。这也使得汽车在任意行驶工况下，都可以按照驾驶员的意图实现发 动机和电机工作点与变速器的最佳匹配( 最佳经济匹配或最佳动力匹配) ，从而 可降低排放，提高整车的燃油经济性、动力性、操作性以及乘坐舒适性。在众多 种类的c v t 中，金属带式无级变速器在汽车上的开发和应用引起了广泛的关注。 6 硕士学位论文 为了使发动机工作在最佳效率区，在混合动力汽车上装备c v t 成为目前混合动力 汽车最为理想的传动方案。其优势也是相当明显的： 1 进一步降低排放，提高整车的燃油经济性、爬坡动力性、驾驶操作灵活性 以及乘车舒适性。 2 同时h e v 马达的介入，可克服用于传统汽车中的c v t 技术所引起的加速 性能不足的缺点。 3 提高整车的自动化水平，更好的进行动力分配和控制策略的实施，从而使 整车综合性能达到最佳。 1 2 混合动力汽车发展需要解决的技术问题 当前，混合动力汽车的研究与开发已在世界范围内由点向面地扩散，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。丰田汽车 公司的p r i u s 就是这方面的成功范例。混合动力汽车相对于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。在当前电动汽车的成本和电池等技术难以取 得重大突破的时期，开发混合动力汽车有利于解决环境、能源等可持续发展战略9 的问题。众所周知，燃料电池是电动汽车商业化和产业化的一个希望，但是燃料 电池不可逆，如果单纯使用燃料电池作为动力源，在制动和减速时都无法实现能 量回收，另外燃料电池汽车起动也是一个有待解决的问题。因此，燃料电池同样。 需要与电池组成混合动力系统。基于以上分析，混合动力电动汽车的产业化发展 是必然的。而混合动力汽车的进一步发展，实现产业化，还需要解决以下一些关 键技术： 1 电池技术 混合动力汽车中电池的使用状况不同于电动汽车，在汽车行驶过程中电池处 于非周期的充放电循环中，对电池的充放电速率和效率的要求都比较高。因此， 混合动力电动汽车所用电池不仅需要高能量密度，而且还需要高功率密度。开发 高性能、低成本、寿命长的电池，仍然是混合动力汽车发展需要解决的关键问题。 2 电池管理系统 混合动力电动汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻等都要受电池放电深度、 充放电电流大小以及具体的汽车行驶工况等诸多因素的影响。而且，目前国内还 局限于电池恒流放电特性或仅考虑了放电过程的变流放电特性研究，这些对建立 一个符合混合动力电动汽车电池实际使用状况的能量管理模型是远远不够的。研 究考虑诸多因素的电池充放电特性，以便建立一个符合电池实际使用环境的电池 能量管理系统，并为载荷均衡控制装置提供可靠的控制参数，是目前混合动力电 7 基于c v r _ 脏v 整车能源分配控制策略及c a n 通讯协议研究 动汽车研究开发中必须解决的问题。 3 电机及控制系统 混合动力电动汽车上使用的电动机有直流电机、永磁同步电机、感应电机、 开关磁阻电机等。研究开发体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机，对 混合动力电动汽车进一步提高动力性和经济性极为重要。 4 需要建立更精确的驱动系统数学模型( 包括静态的和动态的) 混合动力电动汽车研究需要建立更精确的驱动系统数学模型，包括静态的和 动态的模型，这是参数匹配和优化控制的基础。 5 进一步优化动力总成的控制策略 动力总成的能源控制策略决定了混合动力汽车节能和降低排放的效果，已经 成为混合动力电动汽车研究成败的关键，进一步优化控制策略，毫无疑问仍是混 合动力汽车研究的核心问题。 6 总线技术 混合动力控制系统比传统的内燃汽车要复杂的多，发展高效、可靠的总线技术， 是保证各控制器之间的正常通信结成分布式网络的基础前提。 1 3 论文主要研究内容 本论文基于实际科研项目，由湖南大学、湖南江麓容大车辆传动有限公司与 长丰汽车有限公司合作开发一款基于c v t 的由c a n 总线联系各个控制器通讯的混 联式混合动力电动汽车。 1 该项目主要研究内容如下： 第一阶段：机械搭载以及c v t 控制 1 ) 系统的总体方案； 2 ) 混合驱动集成c v t 结构及其驱动模式选择； 3 ) 永磁同步电机控制单元； 4 ) 混合动力c v t 控制单元； 5 ) 中间变速箱结构改造。 第二阶段：整车信号沟通及整车控制 1 ) 整车控制器系统硬件结构； 2 ) c a n 总线通讯协议的制订； 3 ) 基于c a n 总线的各个控制器模块的信号沟通； 4 ) 动力总成建模仿真分析； 8 硕二仁学位论文 5 ) 整车能源分配控制策略； 6 ) 台架试验； 7 ) 路面试验。 图1 2 为该项目整车结构简图： 图1 2 混联式c v t - h e v 的结构简图 2 本文主要内容 本文根据项目的进展情况，主要阐述了以下四个方面的内容： 1 ) 基于试验数据和理论分析，对本文所研究的混合动力汽车动力总成进行建 模，并进行仿真分析。 2 ) 对混合动力电动汽车的动力总成能源分配控制策略的研究，以及工程化控 制软件流程的编制。 3 ) 根据混合动力电动汽车动力总成控制系统的组成，以及各个控制器之间的 c a n 总线通讯网络，制定了基于j 1 9 3 9 的通讯协议。 4 ) 基于c a n 总线的液晶显示仪表控制节点的软硬件设计。 9 皋于a 仃脏v 整车能源分配控制策略及c a n 通讯协议研究 第2 章c v t - h e v 动力总成仿真模型的建立 由于h e v 多能源动力总成控制系统的控制算法比较复杂，并且具有众多的影 响因素乜l2 纠，如果直接进行试验研究，不仅需要对台架进行反复改动，增加开发 成本，而且如果对试验实物控制不当，还会导致系统故障，甚至可能威胁试验操 作人员的人身安全。因此，为了缩短开发时间、降低开发成本，同时加深对h e v 的工作过程和控制策略的理解，h e v 能源动力总成控制系统在开发前应充分利用 仿真软件这一有力工具对控制系统进行设计、调试和分析心3 1 。在计算机技术十分 发达、新产品开发竞争日趋激烈的今天，系统建模和仿真研究显得尤为重要。其 次理论上也需要对整个动力总成形成一个定性和一定程度上定量的分析，为控制 策略的研究奠定基础，所以，要对混合动力电动汽车的动力总成进行数学建模。 比较了数据建模和理论建模的优势，本文将采用两种建模方式相结合的方式，并 且考虑到系统的复杂性，在某些相对次要的细节上采取了简化。 混合动力电动汽车的动力总成应当包括发动机、电机、电池、传动系统、变 速箱等，是构成汽车驱动系统的主要框架。对混合动力电动汽车的动力总成进行 建模仿真，需要建立循环工况、驾驶员模型、发动机模型、电机模型、电池模型、 耦合器模型、c v t 模型、整车模型等模型。本章将分别对几个主要模块的建模过 程加以解释说明。 2 1 驾驶员模型 本文设计的驾驶员模型实际上就是一个车速控制器，建模时采用了p i 和p i d 控制器，将输入的期望车速屹一( 来自实验所采用的循环工况) 与实际车速圪删 ( 来自汽车动力学模型的输出反馈) 的差值矿转变为加速踏板指令l 或制动踏 板指令k ，不同的驾驶风格主要通过设定不同的p 、i 、d 参数体现出来。 y m a 】【一圪删，o ) ? 。y 城严恸 ( 2 1 ) 0 s 口fs 口_ “ 厶( 吼+ 口一) 1 0 0 式中，一理想车速； k 删实际车速； 控制器比例项系数； k 控制器积分项系数； 1 0 硕士学位论文 口。一节气门开度，由最大角度口删。限定； 。一加速踏板指令。 驾驶员模型还包括制动器模型，由于本混合动力车的制动力矩的分配由一个 专门的控制模块来完成，所以在简化模型中不用考虑前后制动器的差别，只需反 应驾驶员的制动意图及总的制动力的大小。闭环控制时制动力由实际车速与理想 车速的差值来调节，具体为口钉： y - m a 】【一k ，o ) 以y q 恸屹警 ( 2 2 ) os 口bs 参。 厶- ( 厄+ 彳乙。) 1 0 0 式中，k 曲一控制器比例项系数： k 。一控制器积分项系数； 匕一控制器微分项系数； 以一刹车踏板开度，由最大角度纥。限定； 厶制动踏板命令。 本文建立的驾驶员的s i m u l i n k 模型如图2 1 所示。 2 2 发动机模型 图2 1 驾驶员模型 发动机的建模方法主要有两种，一是从分析发动机内部工作过程入手，首先 建立物理模型，对其简化后进行定量的描述，建立数学模型，由此得到的模型为 了达到一定的精度，必须考虑众多发动机性能及结构参数的影响，还需对燃烧过 程的各个环节进行详尽的描述，从而使模型变得十分复杂。二是直接通过试验， 取得足够的数据，然后通过多项式拟合方法，建立基于三维特性图( 即m a p 图) 皋于c ”h e v 整车能源分配控制策略及c a n 通讯协议研究 的准线性经验模型，用稳态特性近似地模拟动态特性，即数据模型。 由于发动机的自身特性具有明显的非线性特征，所以即使是相当复杂的发动 机多维理论模型也难以全面描述发动机的工作过程心引。另外，根据建模仿真的要 求，发动机模型必须能够较明确地表达性能与工况点的关系，能够较好地满足系 统的实时响应要求。由于数表可以方便地描述发动机在整个工作范围内的所有特 性，具有较高的使用精度，因此在车辆控制系统建模中也是得到了广泛使用。本 文在发动机实验所得的稳态数据基础上，采用数表或拟合公式来描述，建立发动 机的数据模型。 2 2 1 发动机性能测试 为建立发动机的三维特性图，建模试验需要测取发动机在各种工况下的性能 参数，主要包括转矩死、功率p p 、燃油消耗率曰e 等。结合本文混合动力总成系 统中配置的发动机是4 g 6 4 汽油机，所以试验测试的工况点选定在1 0 0 0 5 5 0 0 r m i n 之间，每隔5 0 0 r m i n 为一个转速点。试验中采用开环控制的方式，在每一转速测 试点上改变节气门开度( 0 1 0 0 ) ，测稳定的工作点上的转矩死、功率p e 、燃油 消耗b p 等发动机特性数据，如表2 1 所示。 表2 1 发动机转速为3 0 0 0 r m i n 的测试数据表 校正功率校正转矩燃油消耗量燃油消耗率 序号节气门开度 ( k w )( n m ) ( k g 1 1 )( g k w h ) 11 41 l3 4 98 44 2 0 8 21 6 31 6 25 1 57 93 5 0 32 0 92 9 59 4 91 1 42 7 4 41 8 62 9 59 4 91 1 42 7 4 5 2 5 6 3 8 2 1 2 1 41 4 2 6 3 7 63 0 24 5 41 4 4 51 6 42 5 9 9 73 7 24 0 21 0 9 71 5 32 7 5 1 84 1 96 2 71 7 1 22 4 42 8 1 9 5 3 5 6 6 91 8 2 62 6 42 8 6 1 07 6 76 9 61 9 0 12 6 82 7 9 1 l1 0 07 0 21 9 1 52 5 72 7 6 3 2 2 2 发动机的输出转矩的数值模型 发动机在每个工况下，节气门开度、发动机转速、输出转矩、输出功率、燃 1 2 硕二i ：学位论文 油消耗量、燃油消耗率之间存在着由发动机工作过程理论所确定的函数关系。无 论是发动机的外特性曲线还是速度特性曲线均是发动机节气门开度和发动机转速 的函数。 利用在试验台上获得的有限的发动机稳态试验数据，构造关于发动机节气门 开度和发动机转速的发动机稳态转矩输出数值模型，所选择的方法就是插值。插 值就是在认定所给“基准数据”完全正确的情况下，研究如何“平滑”地估算出 “基准数据”之间其他点的函数值7 | 。坐标值的间隔大小决定了数表网格数，两 个方向的坐标间隔越小则数表的网格数越密，插值结果越精确。但在实时控制中， 控制器的存储空间是有限的，如果数表网格过密，数表存储量过大，这不仅要占 用太多的c p u 存储空间，还影响c p u 实时控制的查表、插值的运算速度，所以， 坐标间隔又不能太小。 由于每一个节气门开度下，所测得的发动机运行工况所对应的发动机转速并 不是完全相同的。因此应该先对发动机转速方向进行插值，统一成1 0 0 0 6 0 0 0 ， 以1 0 0 为间隔。然后再进行节气门开度方向( 0 ：1 ：1 0 0 ) 插值，最终生成1 0 1 5 1 的数据。其发动机稳态的转矩的数据模型如图2 2 和图2 3 所示。 # 矩撮吝聱擂横量1 砖锋氇嘉曹誓檀船7 啬、。、一一彳一。0 。、。 一一一一二 “ 、，一 明 筮动帆臂鹰t “洲n 。 油r f 度， 图2 2 发动机稳态转矩模型 ”耳j i = m 殷一i 一一一，一一_ _，j p、 声 。 j j l 。j 产 ，一，。 1 im ； ? 7 j l = 胍：。a + j i 。! p j z 一一一 “il 。 一 。 1 吁 ；寺1 r 亩1 卜亩一亩1 _ 南 图2 3 发动机稳态转矩一维投影 在汽车行驶过程中，由于负载不稳定、发动机转速、节气门开度以及冷却水 温度、过量空气系数等参数发生变化，汽车发动机大部分时间处于非稳态工况下 工作。研究表明，非稳态工况发动机的输出特性与稳态工况下发动机的特性不同。 当油门从一个位置变到另一个位置时，发动机的输出特性不能随着油门的变化从 一个稳态输出瞬时变到另一个稳态输出，这中间要经历一个动态响应过程。但发 动机的动态特性不易用动态模型来描述，只能用稳态工况的参数来近似地描述发 动机的动态特性。因此可以对发动机稳态工况下的输出转矩进行修正，作为非稳 态工况下发动机的输出转矩。一般将发动机的动态特性简化为具有滞后的一阶惯 性环节，表示为 1 乙= e 。5 去乙( a 。，咒。) ( 2 3 ) a 。5 十l 式中，l 一在非稳态工况下，发动机输出转矩； 甚于c v t - h e v 整车能源分配控制策略及c a n 通讯协议研究 z 一在稳态工况下，发动机输出转矩； 口_ 一发动机节气门开度； ，l 。一发动机输出转速； f 一滞后时问； s 一拉氏变换因子； k 一动态特性的拟合系数。 2 2 3 发动机稳态油耗数学模型 建立发动机稳态油耗数学模型跟建立发动机稳态转矩模型一样，就是在有限 的节气门开度和有限的转速下，通过公式拟合方式得出对应的发动机的燃油消耗， 将这些发动机转矩、发动机转速和燃油消耗的对应关系在一个二维图中表示出来， 即形成了发动机稳态油耗的数学模型。根据试验数据得出发动机油耗稳态数值模 型，如图2 4 所示。同理其燃油消耗率模型如图