（车辆工程专业论文）混合动力客车柴油机控制模块的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 迫于环境污染和石油资源短缺的压力，致力于可持续发展战略，混合动力 汽车成了2 l 世纪汽车工业的一大发展方向。在我国开展混合动力汽车技术的研 究和开发对改善我国城市环境、缓解石油资源不足的压力具有重要意义。 ， 混合动力电动汽车( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 是电力驱动技术和内燃 机运用技术在车用动力领域的创新，本文概述了目前国内外h e v 的研发状况， 简介了东风汽车公司e q 6 1 1 0 混合动力客车的开发过程，并提出了下一步的工 作重点。 由于h e v 可以采用适当的控制策略使内燃机基本上总在高效率区运行，同 时采用了能量储存装置( 蓄电池) 向汽车提供瞬时能量，可以提高内燃机运用 效率、降低排放。 控制策略和技术是h e v 的核心技术之一，本文重点介绍了对一台普通的车 用增压柴油机实现电子控制，并满足混合动力客车应用的开发过程。将一台 e q 6 b t a 增压柴油机的直列式喷油泵的机械式调速器改装成为由执行器直接作 用于齿杆的电子调速器，设计了发动机e c u 的软、硬件。 完成了台架试验。为整车e c u 的设计提供了必要的数据。 本文还介绍了整车e c u 和发动机e c u 的接口，整车对发动机的控制要求和 控制策略。 关键词：柴油机混合动力电动汽车计算机应用 电子控制 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = 口= = ；= = = = = = = = = = = a b s t r a c t u n d e rt h es t r e s so fe n v k o n m e n t p o l l u t i o na n dt h es c a r c eo f o i ls o u r c e ，h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) b e c o m ea l li m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o ni nt w e n t y f i r s t c e n t u r yi n o r d e rt og e tt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y i no u rc o u n t r y , t h e r e s e a r c h e sa n d d e v e l o p m e n t s o fh e vc a nb ea l s ov a l u a b l et o i m p r o v eu r b a n e n v i r o n m e n t sa n dr e f l e xs t r e s so fo i ls o u r c es c a r c c h e vi sat e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o nc o m b i n e di n t e m a lc o m b u s t i o n e n g i n ea n de l e c t r o m o t o ri nt h ef i e l do f v e h i c l ed r i v i n g t h i sp a p e ri n l r o d u c e dt h e s t a t u so fh e v s t u d ya n dr e s e a r c hb o t hd o m e s t i ca n df o r e i g nc o u n t r i e s ，p r e s e n t e dt h e p r o c e s so fd e s i g n i n gh e vp a s s e n g e rc a r ( t h es t y l ei se q 6 11 0 ) i nd f m f i n a l l y , i t a l s og i v e sa w o r k i n ge m p h a s i s i nt h en e x t p e r i o d h e vc a ni n c r e a s ee n g i n e sr u n n i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c ee x h a u s tg a s t h i si s b e c a u s eae n g i n ee q u i p p e do nh e v c a na l w a y sl z l ni nh i g h e re f f i c i e n c yf i e l da n d s i m u l t a n e o u s l yap o w e r r e s e r v o i rd e v i c ei su s e dw h i c hc a ng i v eh e vi n s t a n t a n e o u s p o w e r t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dd e v i c ei so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so fh e v t h e i m p o r t a n t w o r ki s c o n t r o l l i n g ac o m m o nd i e s e l e n g i n e w i t h s u p e r c h a r g e ra n d r u n n i n gi t o nh e v t h ea c h i e v e dw o r ki n c l u d ef i t t i n gaa c t u a t o ra tt h er a c kb e i n g c o n t r o l l e d b ye n g i n ee c ui n s t e a d o fm e c h a n i c a l g o v e r n o ra n dt h ed e s i g n o f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ee n g i n ee c u t h ee n g i n et e s th a sb e e nf m i s h e d t h et e s tr e s u l ti st h eb a s i so fv e h i c l ee c u d e s i g n t h i sp a p e ra l s op r e s e n t e dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nv e h i c l ee c ua n de n g i n ee c u ， g i v e n t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f d i e s e le n g i n eu s e do nh e v k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，h y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ， c o m p u t e ra p p l i c a t i o n ，e l e c t r i cc o n t r o l u 华中科技大学硕士学位论文 1绪言 1 1 课题的提出 汽车工业的发展史，在某种程度上可以说是代表了人类现代工业的发展史。她给 人们理想的代步交通工具，给人类社会带来了近代文明和财富，她对人类的贡献功 不可没。全世界拥有汽车的人口从1 9 5 0 年的约5 千万增加至今约6 亿多。如从人均 拥有来看，从1 9 5 0 年每百人拥有2 辆增加至现今每百人拥有1 0 辆。在美国每1 0 0 人中拥有7 0 辆，接近这个水平的国家也不少。随着世界人口和经济的增长，拥有车 辆的人口也在增加。根据各种预测表明，在今后2 0 年，拥有汽车的世界人中将是现 今的3 倍。而今，世界汽车的需求与臼俱增，世界汽车总保有量逐年增加，现已越过 6 亿台大关。据世界权威机构预测，至2 0 5 0 年世界人口将增至百亿，而汽车保有量 将高达1 6 亿台。如今，汽车工业方兴未艾，世界上各大汽车厂商都在投巨资努力改 进汽车的各种性能，以求在强手如林的汽车市场中站稳脚跟。 汽车给人们带来便捷、快乐和财富的同时，消耗了大量能源，也给人类带来日 益严重的环境污染问题。首先是能源问题，作为汽车动力的内燃机所依赖的石油资 源逐渐减少并且不可再生，其次是污染问题，污染是人类文明的大敌，而大气污染 则是环境污染的重要组成部分。大气污染的主要来源首推燃烧石油燃料的动力装置， 其中尤以车用内燃机为最甚。 内燃机从发明发展到一百多年以后的今天，尽管相关技术不断创新和走向成熟。 但也有人认为：内燃机已经“衰老”了，内燃机工业已成为夕阳工业，甚至开始怀 疑内燃机的前途，特别是作为汽车动力的前途，理由是：内燃机的热效率还不够高 ( 特别是汽油机) ，所依赖的石油资源逐渐减少，废气排放污染大气环境，并难以集 中治理。 当今世界，为了保护环境，节约能源并减少温室气体c 0 2 的排放，人们不断 地探索和改进车用动力源的解决方案。概括起来有下列几种： 一是寻找新的动力机械来取代内燃机。其中主要是电力驱动，各种电力驱动方 华中科技大学硕士学位论文 已经有大量报道，有的甚至己经接近实用阶段。但是电动汽车的关键环节电池技 术仍然进展缓慢，化学蓄电池的历史和内燃机一样已经很悠久了，但其能量密度、功 率密度、充电方便性、使用可靠性及成本方面，仍达不到汽车的要求。燃料电池近几 年很热，美国能源部投入巨资开展研究，并建了不少固定式燃料电池发电站，所谓燃 料电池，是在电池工作时需要燃料，但燃料并不需要燃烧，就可以将化学能转化为电 能。它不受热力循环的影响，其能量转换效率比内燃机高三倍，现在汽车上试验的燃 料电池多为氢氧燃料电池，其自身使用催化剂、密封等问题还很突出，适用于车 用的紧凑型燃料电池装置仍十分昂贵，距实用化仍然很远。因此，纯电力驱动目前还 没有足够的优势，一时还不可能大规模取代内燃机。 二是改善内燃机的自身性能。内燃机自身虽然已经十分成熟，但也有进一步改革 的潜力。从内燃机的发展历史来看，其效率由最初的7 左右提高到如今的3 0 4 0 ， 甚至可能达到5 0 e 1 1 。目前的污染物排放水平也只相当于2 0 世纪7 0 年代的1 0 ，并 且从单纯依赖石油产品为燃料扩大到多种燃料来源。内燃机的技术进步概括起来为两 个方面，是工作过程的优化；二是燃料的多样化。这里应首推电子控制技术所做的 贡献。电控技术可以控制和完善燃烧过程，使内燃机在节能和环保方面表现得更出色， 从而保持旺盛的生命力。 三是优化内燃机的使用性能。要节约能源降低排放，光靠单纯提高内燃机自身的 燃烧效率还远远不够，还必须考虑其使用效率。因为根据汽车的使用要求，内燃机必 须在全工况范围内运转，燃烧效率却不能保持在较高的水平。实际上，自汽车诞生之 曰起，优化内燃机的使用性能就是业内研究的重要课题。如内燃机与传动系的最佳匹 配，各种自动变速器和无级变速器的研究与开发等，但基本上改变不了内燃机必然在 一定使用范围效率较低这一特点。人们在开发纯电动汽车遇到一定困难后，转向考虑 将内燃机驱动与电力驱动结合起来的可能性，这就是混合动力电动汽车( h y b r i d e 1 e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 。从表面来看，h e v 是一种折衷方案，兼顾了使用电池减少污 染和内燃机高比能量的优点。实际上，它是利用电力驱动技术和电子控制技术使内燃 机在运用技术上大大前进了一步，即采用适当的控制策略可以使内燃机基本上总在高 效率区运行。 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = 一： 根据国际电子委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) 的定义 3 】， 对混合动力汽车的定义为：有多于一种的能量转换器能提供驱动动力的混合型电动汽 车。另外，也可将h e v 做以下简单的定义，即将电力驱动和辅助动力单7 t 。( a u x i l i a r y p o w e ru n i t ，简称a p u ) 合用到一辆车上，总之h e v 是传统内燃机车辆与电动车辆产 生的混血儿，继承了电动汽车低排放的优点，又发扬了石油燃料高的比能量和比功率 的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里 程，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。 h e v 一般在汽车上装有内燃机和电动机装备两种动力源，将产生动力的部件与电 能储存元件以不同的方式结合起来，可以形成不同类型的h e v 。将传统的内燃机、电 力驱动和储能装置结合在一起。与常规的内燃机动力相比，混合动力的主要优点是， 采用了高功率的能量储存装置( 飞轮、超级电容器或蓄电池) 向汽车提供瞬时能量， 可以减小发动机尺寸、提高效率、降低排放。它较纯电动汽车有以下优点： 可以最大限度发挥内燃机汽车和纯电动汽车的双重优点； 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： 虽然内燃机会有排放产主，但由于其排量小，主要工作在最佳工况点附近，而大大 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并节能的汽车： 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，暂时成为零排放的电动汽车。 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( a s 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。 东风汽车公司自成立电动车辆股份有限公司以来，顺应科技发展趋势，集中科研 力量开发具有良好市场前景的城市用混合动力客车，被国家科技部列为“8 6 3 ”计划。 所以，本课题是国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项研发工作的一部分。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 开展混合动力汽车研究的背景和重要意义 目前世界汽车工业可持续发展面i 晦的两大难题为环境污染和石油资源匮乏，尤其 这两大难题在我国表现得更为突出。1 9 9 9 年6 月2 6 目，全国九届人大1 0 次会议上， 公布了我国空气污染最严重的十大城市，依次是：太原、北京、乌鲁木齐、兰州、重 庆、济南、石家庄、青岛、广州、沈阳。1 9 9 8 年，国际卫生组织公布的一项报告显示， 全球空气污染严重的城市依次是：太原、米兰( 意大利) 、北京、乌鲁木齐、墨西哥城( 美 国) 、兰州、重庆、济南、石家庄、德黑兰( 伊朗) ，其中我国占七个。1 9 9 8 年全国9 个 环境统计城市中，空气质量达到国家二级标准的有8 9 个城市，仅占2 7 6 ，处于国 家三级标准的有9 3 个城市，占2 8 9 ，超过国家三级标准属于严重污染型城市的有 1 4 0 个城市，占4 3 5 。调查研究表明，北京市大气污染物中有7 3 5 的碳氢化合 物、6 3 4 的一氧化碳、6 5 的铅和4 6 的氮氧化物来自机动车的燃油排放，由于机 动车的排放位置低，实际对环境污染浓度的分担率在7 0 以上，。由于大气状况的严 重恶化而引起的一系列异常的自然现象，比如：光化学烟雾、酸雨以及厄尔尼诺现象 等给人类赖以生存的地面生态系统起到了严重的破坏作用。另外，汽车尾气排放对人 类自身生存的影响表现在：铅进入人体与血液生成“血铅”破坏人的造血系统和神经 系统：c o 进入人体与人体血红蛋白结合破坏人体内氧的输送及交换：n o x 对人的呼 吸系统有较大的刺激作用并且是构成光化学烟雾的主要成分：碳氢化合物由苯及多环 芳烃等剧毒成分构成，其中多环芳烃中的苯并芘引发癌症十分厉害。总之，治理汽车 尾气排放，改善人类生存环境，发展“清洁汽车”，遏止大气状况恶化成为汽车工业可 持续发展面临的首要难题。 目前，汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油的制成品，全球汽车保有量的逐年上 涨使能源问题逐渐成为制约汽车可持续发展的重要因素。进入9 0 年代以后，人类根据 目前已探明的世界石油总储量估计，全世界的石油资源仅能供人类充分使用4 0 年左 右，而对我国，形式则更为严峻，根据1 9 9 5 年的统计数据，我国石油资源可开采量仅 占世界总储量的2 3 ，按目前开采速度，仅可供我国开采2 2 年。目前，我国在用汽 车量为1 3 0 0 多万辆，随着我国经济实力和人均收入的逐步增长，相应地汽车保有量也 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 逐年上涨据统计，2 0 0 0 年在用车的汽油消耗量5 5 2 6 万吨，柴油消耗量将达到1 7 0 5 力 吨，估计到2 0 1 0 年，我国汽车耗油量将达7 6 5 5 8 0 5 5 万吨，有限的石油资源逐步成为 汽车工业可持续发展的瓶颈。 在治理大气污染方面，各国汽车尾气排放法规制定得日趋严格，在一定程度上 促进了汽车向“清洁化”方向发展。1 9 9 0 年美国加州制定了汽车尾气排放法规，要求 从1 9 9 8 年开始，在本国内销售的汽车总数中要有2 的零排放汽车( z e v ) ，2 0 0 3 年零 排放汽车要达到1 0 。并大力发展低污染汽车( l e v ) 、超低污染汽车( u l e v ) 。针对我 国实际情况，国家机械工业局也制定了汽车产品排放控制目标：2 0 0 2 年达到欧洲9 c 年代初期水平，2 0 1 0 年实现与国际控制水平同步。面对曰趋严格的排放法规，人们曾 看好电动汽车，电动汽车本身没有排放污染并具有能量效率高、能源多样化、结构简 单、方便等优点，被称为“绿色汽车”，但电动汽车的关键技术一电池动力不能取得令 人满意的突破，使电动汽车不是售价昂贵就是动力性能欠缺，限制了它的推广应用， 实践证明：在目前电动汽车技术尚不完全成熟并需长时间发展的情况下，由内燃机瓤 电池一电机相结合的混合动力汽车技术不失为解决污染和石油资源匮乏两大难题的一 种有效方法，混合动力汽车在降低排放方面具有的相当潜力，尤其是日本丰田公司推 出的p f i u s 混合动力汽车的c o 和h c 的排放达到日本控制水平的十分之一【4 】，代表耆 世界h e v 技术的先进水平。在我国，研制和发展混合动力技术对改善我国城市大气污 染状况，开拓国内“清洁汽车”市场具有重要意义。 1 3 混合动力汽车发展概况 上世纪九十年代以来，世界各大汽车公司开始了将h e v 由概念到产品化的进程。 相继推出了不同形式的h e v 产品，如克莱斯勒公司的道奇无畏e s x 2 混合动力汽车， 日本本田j v x 混合动力概念跑车，美国洛杉矶水利局的l a 3 0 1 并联混合动力轿车及拶 尔沃f l 6 串联混合动力汽车，都显示出了优良的环保与节能性能。在1 9 9 7 年第3 2 后 东京国际汽车展上，丰田公司推出了丰田混合动力系统( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ， t h s ) ，装备该系统的“先驱者”p r i u s ( 普瑞斯) 混合动力汽车“，代表了当今世界滩 华中科技大学硕士学位论文 合电动汽车的发展水平。该车9 7 年1 2 月才开始在日本国内销售，不n - 年已销出两 万辆，月产量迅速达2 0 0 0 辆，以其优良的性能和合适的价格成功地打入了市场，这标 志着h e v 的成熟。 国内对h e v 的开发还处于起步阶段，为了适应不断严格的国家排放法规，一汽、 上汽、东风等汽车公司都在积极地开发具有良好市场前景的h e v 产品，各大专院校， 或独立，或与厂家合作开展了卓有成效的研究工作。湖北汽车工业学院承担了东风电 动车辆股份有限公司混合动力客车的控制部分的研究工作。 1 4 本文的主要内容 根据车辆的类型、使用工况和设计目标，合理地选择发动机、发电机、电动机和 混合动力驱动形式，充分发挥其各自的优势是混合电动汽车开发的核心。现阶段研究 的目的，就是进行国内外各种混合动力方案比较，探索适合我国混合电动汽车的最优 方案，开展混合电动汽车各项关键技术包括发动机电控技术、电动机控制技术、蓄电 池充放电特性和整车控制技术的研究，其中整车控制为研究重点。 湖北汽车工业学院汽车系承担了东风电动车辆股份有限公司混合动力客车的整车 控制器( 也称多能源控制器) 的研制工作。作者参加了部分科研工作，本文着重对柴 油机的控制及其适应整车要求这一部分工作作为作者硕士学位论文的内容，也是作者 科研工作的总结。主要内容如下： 混合动力客车驱动方案的确定和发动机的选择 对柴油机控制策略进行研究 柴油机控制模块的研究与开发 本文所述的工作目标是：通过混合动力驱动方案及控制策略的比较，确定所开发 目标即混合动力客车的控制方案，将车用柴油机实现电子控制，其中柴油机控制模块 的研究与开发满足整车行驶要求，并为进一步完善整车控制打下良好的基础。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = = 一 2 混合动力客车驱动方案的确定和发动机的选择 2 1 混合动力汽车各种驱动方案之比较 混合电动汽车的驱动系统是在纯电动汽车和内燃机汽车的基础上发展起来的，按 照电动汽车动力驱动系统与a p u 的结合方式划分为串联、并联和混联三种驱动系统。 2 1 1 串联式混合驱动系统 串联式混合驱动系统由电动机驱动汽 车行驶，发动机与发电机集成为辅助动力 单元( a p u ) ，如图2 1 所示。发动机在最 佳工况点附近驱动发电机以相对稳定的工 况运行。当发电机发出的功率无法满足汽 车行驶时对功率的需求时( 如起动、高速行驶、爬图2 - i 串联式混合动力驱动系统 坡等) ，电池组可以向电动机提供额外的电 能：当发电机发出的功率超过汽车行驶时对 i 0 0 ；： 功率的需求时( 如低速、滑行、停车等) ， 羞兰 发电机向电池组充电。 毒聋 三菱公司开发的串联混合动力轻型卡。0 车c a n t e r 就是一种串联式的h e v 【l l j ，排量 柏 行驶里程l r 蹇 嚣 窭 笔 为1 8 l 的液化石油气发动机在2 0 0 0 r r a i n 的转速下功率为2 0 k w ，发电效率为2 7 。 图2 - 2c a n t e r 串联混合动力控制策略 铅酸电池组的工作电压为3 3 6 v ，可由发电机组或回收制动能量进行充电。c a n t e r 的驱 动系统中发动机在选定的最佳工作区内以开关的模式参与驱动，采用以电池组的充电 状态s o c 作为控制信号的单参数控制策略：当电池组s o c 高于5 5 时，发动机停机， 由电池组向电动机提供电能，此时c a n t e r 为零排放的纯电动模式；当电池组s o c 低 于5 0 时，发电机组开始向电池组充电，此时也为混合驱动模式；当s o c 值再达到 5 5 时，又进人纯电动模式。由于电池的s o c 接近充满状态时充电效率很低，所以 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = ； = = 一 = c a n t e r 将s o c 控制在效率最高的5 0 5 5 之间，电池不充电，以混合驱动模式 运行，这样还有利于制动能量的高效回收。控制策略如图2 2 所示。 由于串联式h e v 动力传动系中的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立 于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，结果使发动机可稳定于高效区或低排放区 附近工作。该结构尤其适合于那类与驱动轮难于进行于进行机械连接的高效发动机， 比如燃气轮机、斯特林发动机等。但串联式h e v 动力传动系的综合效率较低，这是因 为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱 动汽车，途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失，现假定汽车所要求的最 大功率为p ，则理论上每一动力总成都应能发出功率p ，这样设备规模就比较庞大。 另外，它的三个动力总成( 发动机、发电机、电动机) 也会给系统总布置带来困难并使 成本增加。因此对大多数轿车来说，该动力传动系结构并不适用。只有在两种情况下， 才有可能选用串联式h e v 动力传动系布置方案：( 1 ) 发动机仅用于增加电动车辆的续 行里程，而用于驱动汽车的绝大部分能量是以电流的形式来源于蓄电池，结果整个系 统能量转化损失较小：( 2 ) 发电机和电动机的综合效率达到或超过传统车辆动力传动系 的水平，研究人员希望能采用配备有磁能密度极高的永久磁铁作为电极的高速同步发 电机和电动机来达到这一水平。 2 1 2 并联式混合动力系统 并联式混合动力系统是指发动机与电动机 可以分别独立地驱动车轮( 见图2 。3 ) ，该系统 适合于城市间公路行驶的车辆。当汽车进入市 区行驶时，关闭发动机，进入电动状态：当汽 车在市郊公路行驶时，关闭电动机，由发动机 直接驱动。但与混联式混合动力驱动系统相比 ( 见下文) 控制不够灵活。由于发动机图2 - 3 并联式混合动力系统 与电动机可以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联式h e v 动力传动系中的发 电机，因此更象传统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点：( 1 ) 由于发动机的 机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能的转换，与串联式布置相比，系统效率 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ： 较高，燃油消耗较少：( 2 ) 电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发动机和电动机 两个动力总成，整车质量和成本大大减小；( 3 ) 假定汽车所要求的最大功率为p ，则每 个动力总成的功率总和往往是在p 2 p 之间，由于设备功率较小，附加的设备费用也 较小。但由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行况工不可避免地 要受到汽车具体行驶工况的影响，要维持发动机在最佳工作区工作，则需要一复杂的 控制系统和策略。 2 1 3 混联式混合动力系统 在该系统中，发动机和电动机既可 以分别驱动汽车也可以同时驱动汽车， 如图2 - 4 所示，发动机与电动机的工作 状态是由计算机控制的。该系统适合各 种行驶条件，续驶里程与内燃机汽车相 当，是最理想的混合电动方案，但技术 含量高，控制复杂。以丰田p r i u s ( 普瑞斯) 驱动图2 - 4 混联式混合动力驱动系统 系统为例【1 ”，丰田公司把p r i u s 使用的混合动 发电机老动机 图2 - 5 丰田p r i u s 系统 华中科技大学硕士学位论文 = ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 力系统t h s 定义为一种并一串联系统，如图2 5 所示，该系统的5 条能量流动途径如 图2 - 6 所示。 a ：电池组一电动机一车轮。 b ：发动机一车轮。 c ：发动机一发电机一电动机一车轮。 d ：发动机一发电机一电池组。 e ：车轮一电动机一电池组( a 逆) ， 发电机电线电控元件发电机电线电控元件 图2 6t h s 的能量流动途径 t h s 的被控制核心是一个行星齿轮系构成的动力分配装置，发动机和发电机分别 与行星轮和中心轮相联。该装置通过协调发动机、发电机和电动机的转速，能起到电 控无级变速器的作用，无需离合器。它可以通过调节发电机的转速来改变发动机的转 速，保证发动机工作在高效率区内工作。 p r i u s 采用了以设定车速v 。d 。和电池充电状态( s t a t eo fc h a r g e ，s o c ) 为控制信号的 控制策略。通过动力分配装置的执行，灵活地选用最优的能量流动途径：在汽车起动 或低速行驶时，汽油机停机，采用纯电动模式( a ) ；如果车速高于v 。o d e 。且电池组的 s o c 超过了设定的上界值s o c 。，则采用发动机单独驱动模式，通过节气门开度来 调整功率( b ) ；在全负荷加速或重载工况下，电动机从电池组获得电能作为辅助动力， 提供峰值功率( b + a ) ；减速或制动时，电动机被用作发电机，产生反向扭矩，利用回 收的制动能给电池组充电( e ) ；微机控制的充电系统保证了电池组始终处于理想的充电 1 0 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = 状态( d ) 。 t i s 中的1 5 l 汽油机采用了高膨胀比的a t k i n s o n 循环，并且始终高效率运转， 所以与传统的汽油轿车相比可节油5 0 ，c o 和n o x 等只有日本排气法规限值的 1 1 0 ，且加速性能很好。p r i u s 的混合动力驱动系统通过行星轮系的结构实现了控匍 策略良好的可操作性，是h e v 产品的一个成功的典范，值得深入研究和借鉴。 2 2 混合动力客车驱动方案确定 2 2 1 驱动方案确定 国外大汽车公司一般把混合动力汽车的开发目标定位在轿车上，考虑到我国国情 和市场需求，根据东风汽车公司“十五”战略性规划，东风电动车辆股份有限公司抉 定首先研制和开发城市用混合动力客车( 大型巴士) 。 对各种驱动方案进行比较和深入研究之后发现，串联式由于其固有的缺陷而不司 取，并联式和混连式的区别在于后者引入了行星齿轮机构，它与发电机连在一起，馈 得混合动力的传动系产生了多个自由度，这种传动系使得混合动力汽车的能量控制_ 和 减少燃油消耗有了许多的可能性，但控制规律非常复杂。为了缩短开发周期，决定采 用并联式驱动方案，并借鉴混连式的能量流动特点，如图2 - 7 所示。 该方案将发动机、电动机分别和整车的变速箱通过机械结构连接，可以有纯电动楱 式、纯发动机模式和混合驱动模式，在汽车刹车制动时，电动机也可以变成充电器， 能够将汽车刹车制动时产生的能量转变成蓄电池的电能。电动机作为起动机工作，甚 至连交流发电机都取消了。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = 一： 图2 7 混合动力客车驱动方案布置 l 一电动机2 一柴油机3 一变速器4 一离合器5 一嵌入齿轮6 一电机控制器7 一整车控制器 8 一转速传感器9 一燃油喷射 1 0 一电池 il 一驱动桥 1 2 一后车轮1 3 、1 4 一气动执行器 1 5 一离合器执行器，1 6 、1 7 、1 8 一测速齿轮 2 2 2 发动机的选择 驱动方案确定之后，需要对动力传动系统进行参数设计，首先根据设计目标确定 整车参数及动力性指标，然后确定发动机、电动机与电池组、离合器、变速器和主减 速器速比等。所要开发的e q 6 1 1 0 h e v 混合动力客车参数如下：满载总质量m = 1 5 5 0 0 k g ， 空载总质量m = 1 1 0 0 0 k g ( 含电机、电池组) ，空气阻力系数c o = 0 8 ，迎风面积a = 6 5 3 4 m 2 ，车轮滚动半径r r = 0 5 1m ，传动效率n t = 0 9 ，滚动阻力系数f = 0 0 1 l ，变速器档传动 比：4 4 1 52 6 31 5 6 8i 0 0 ，主减速比：6 5 动力性指标如下：最高车速7 0 k m h ( 纯发动机驱动) ， 加速性能0 - 5 0 k m h 的 加速时间 t 。，n e 为低转速，否 则为高转速) 。 换档 全油门松开后，若3 s 内，离合器分离，变速器换档，离合器接合，为减少离合器 从动部分的转动惯量，电磁离合器分离，切断电动机和传动系的联系，电动机空转， 发动机e c u 对发动机进行怠速控制。 滑行 松油门后，时间超过3 s ，离合器仍无动作为滑行工况。此时，发动机e c u 对发 动机进行怠速控制，电动机e c u 控制电动机为发电机工况，处于弱发电状态。 匀速行驶 在行车过程中，若油门的变化量小于某值，认为驾驶员想匀速行驶。由( c t 、如) 查表得发动机转矩t 。和驾驶员所需要的转矩您，在发动机低转速时，若电池的荷电 状态大于5 0 ，t y - t 。部分转矩由电动机提供，若电池的荷电状态小于5 0 ，由发耐 机单独驱动。在高转速时，若电池的荷电状态大于7 0 ，由发动机单独驱动；若电泄 的荷电状态小于7 0 ，电动机e c u 控制电动机为发电机工况，给蓄电池充电。整个翊 7 华中科技大学硕士学位论文 程中，要判断发动机转速n c 是否在经济转速，若不在，由仪表e c u 给出升降档指示。 超车加速 在行车过程中，若油门的增加量大于某值，且车速在增加，为超车加速工况。由 ( a 、a a 、i l e ) 查表得到驾驶员所需要的转矩e ，再由( a 、1 1 e ) 查表得发动机转矩 l ，这时，发动机进行油门础艮随，电动机e c u 控制电动机提供辅助加速动力t 一t c ， 并判断发动机转速1 1 c 是否在经济转速，若不在，由仪表e c u 给出升降档指示。 制动或减速 当油门踏板全松，踩下制动踏板，发动机e c u 对发动机进行怠速控制，电动机 e c u 控制电动机为发电机，电力制动和机械制动同时工作。 纯电动运行 在运行过程中，若车速小于l o k i l l m ，蓄电池的荷电状态大于某值，可使发动 机停机，由电动机驱动汽车，实现纯电动。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 4 柴油机控制模块的研究与开发 4 1 车用柴油机的闭环控制 在本文中，控制柴油机是假定其总工作在稳定工况下( 瞬态是由一系列稳态组威 的) ，使用p i d 控制方法对柴油机进行闭环控制，采样是在曲轴角度域内进行的。 曲轴角度域采样原理【3 1 】： 一般的柴油机时域辨识大多使用定周期采样方法本文工作与其他柴油机辨识的 区别是在闭环辨识中使用了基于曲轴角度域的数据采样方法，即使用了变周期采样方 法，目的是为了使辨识条件尽可能接近柴油机电子调速器的工作状态。 时域定时采样的基本概念是：当t 一一时，对于任意的转速，其采样时间周期t t ( s ： 为常数相对于时域定时采样，曲轴角度域上等转角采样的基本概念是：当0 一一o 一。o ) 时，对于任意的转速n ，其采样角度周期te ( r a d ) 值不变：同时它映射在时域上能 采样时间周期t t 是转速n 的函数当t 一一时，t 随转速变化而改变，其大小取决于 t 。的选择有 7 口：丝 ( 4 1 ) ： 7 1 ：坐：型l ( 4 2 ) n z石 式中：n 为柴油机转速，r m i l l ：z 为柴油机气缸数；c 与柴油机冲程数有关，四冲秸 c = 2 。等转角采样和时域定周期采样的根本区别在于：前者的采样周期随转速改变，在 同等条件下它可以采用较大的采样周期，这样对计算机控制是有利的从系统辨识槔 度分析，等转角采样的数据序列和时域定周期采样相比，描述同样的过程要用更少雕 采样点，即用同样多的采样点可以比时域定周期采样获得更多的信息。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= 4 2 混合动力车用柴油机控制原理 4 2 1 柴油机供油量控制 要使柴油机满足混合动力汽车的运行要求，必须应用电子控制技术，柴油机控制 的核心是供油量控制。对一台e q 6 b t a 增压柴油机的直列式喷油泵的齿杆位置进行控 制是一种比较简单的方式，机械改装也比较容易。控制原理是通过采集柴油机转速和 油门位置信号，根据柴油机的运行状态、整车的负载变化和调整方式对供油量进行计 算并驱动执行机构控制齿杆位置，即喷油量，从而控制转速。采用p i d 或模糊逻辑等 控制算法对供油量进行调节，使柴油机具有更好的起动性能、更低更稳的怠速转速、 更灵活的调速性能和较低的排放性能等。其控制原理框图如图4 1 。 一例_ 司兰r 釜rq ：n ! 厂 i 厂 、 图4 - 1柴油机供油控制原理 从图4 1 中可以看出，要控制柴油机转速，须根据油门位置信号、转速信号、和 齿杆位置信号来改变齿杆位置以控制供油量，它是一个双闭环控制系统，可以分为： 调速计算、转速闭环( 外环) 控制、和齿杆闭环( 内环) 控制三部分。 能够对齿杆位置进行控制后，柴油机的运行特性即原装机械调速器时的特性便可 以实现，齿杆位置与喷油泵转速( 发动机转速的一半) 的关系如图4 - 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = ；= = = = ；= = = = = = = ；= = ；= = = = = ；= = = = 自= = 一 t 乍用t i t 怠i 井簧0 l 基t g l t t 簧0 洱遣弹簧 础 霉 止 魍 皑 索 掣 ， 图4 - 2e q 6 b t a 柴油机r q a v 机械调速器齿杆位置与喷油泵转速的关系 电控柴油机齿杆位置的确定用查表法来实现：图4 2 中控制手柄位置实现电控后 即油门位置信号( 即负荷) ，从怠速位置到全负荷位置对应若干条齿杆位置曲线( 图 4 3 ) ，将曲线制成表存放在发动机e c u 中，转速和油门位置信号被采集后，通过查表 和插值算法来得到齿杆位置，在此基础上进行双闭环控制，这样便形成一个完整的电 控柴油机控制策略。 图4 - 3齿杆位置m a p 图 以上控制由设计发动机e c u 来实现。 4 2 2 整车对发动机的控制 2 l 华中科技大学硕士学位论文 发动机的运行工况由整车e c u 考虑，由整车控制原理可知，对发动机工况的要求 包括起动与暖机、怠速、加速、匀速和停机等，其中加速和匀速运转需要控制发动机 在经济转速下运行。此部分的功能由整车e c u 中的发动机控制模块来完成，其基本方 法是：当完成对发动机的控制部分设计后，由发动机e c u 控制进行台架试验，制取万 有特性和各油门开度c c 下的调速特性( 见台架试验部分) ，将曲线制成表储存在整车 e c u 中，当整车根据发动机转速1 1 c 和油门踏板位置a 得出对发动机的扭矩要求b 后， 在低转速下，由( c t 、1 1 c ) 查表得发动机转矩l ，由电动机提供t 一t 。部分，即发动 机和发电机共同工作，在低速实现等转矩；在高转速下，由发动机单独驱动，电动机 空转，并判断1 1 e 是否在经济转速，若不在，由仪表e c u 给出升降档指示。( 由a 查表， 若n c 对应t r t 。，r t e 为低转速，否则为高转速) 。 以上控制由设计整车e c u 来完成。 4 3 硬件设计 4 3 1 燃油泵改装 将台e q 6 b t a 增压柴油机的直列式喷油泵的机械式调速器和油门机构拆下，用 一个执行器通过机械连接的方法与齿杆相连，如图4 - 4 所示【2 3 j 。 执行器的选择：执行器的功能是将来自控制器的信号转变成一个输出轴位置。该 位置与通过线圈中的电流大小成正比同时与来自控制器的脉冲宽度调制指令的工作循 环成正比。对执行器的要求主要有： 1 ) 有足够大的力克服齿杆阻力： 2 ) 有足够的行程使齿杆由最小油量位置( 断油位置) 移向最大油量位置； 3 ) 有足够大的线性区间。 4 ) 带齿杆位置传感器和输出信号。 因此，选择0 1 7 5 p 型执行器能够满足以上要求。改装时，要考虑的主要问题有： 1 1 结构紧凑，与发动机及整车装配方便： 2 ) 控制准确，齿条运动灵活，并尽量避开线性电磁铁的非线性区； 华中科技大学硕士学位论文 3 1 考虑机油的密封问题； 4 、可靠性、安全性好，有机械停油装置，以作紧急停车之用。 执行器封装在后壳1 中，锁紧螺母将滑套4 固定在执行器推杆上，摇臂6 的水耳 臂上固连着滑动销钉1 4 ，滑动销钉1 4 套在滑套中的滑槽内。当滑套随着执行器推桐 在竖直方向上作直线运动时，滑动销钉1 4 在滑槽内滑动，同时迫使摇臂6 沿螺纹钾 1 3 转动，带动拉板8 摆动，该拉板通过销钉l1 和滑动轴承与齿条连接板9 相连，慑 得齿条作水平方向的直线运动，而将执行器的运动转化为齿条的运动，实现了喷油量 的控制。 图4 - 4 电控油泵图 l 一后壳；2 一执行器；3 一后窗盖板；4 一滑套： 5 一法兰连接螺栓；6 一摇臂；7 一销钉；8 连接拉板； 9 一齿条连接板；l o 一齿条延长板；1 1 销钉：1 2 一齿条连接螺栓：1 3 一螺纹销；1 4 _ 一滑动销钉 4 3 2 发动机e c u 硬件设计 发动机电子控制单元( e c u ) 由各种传感器与单片机接口电路、中央微处理单元 ( 单片机) 和执行器驱动电路三部分组成。该控制单元共采集五路模拟量、一路频璋 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = 一 量、两路开关量，输出量为一路p w m 驱动电磁执行器以及一个全双工串行通信口。 通过采集转速、电子油门位置、执行器反馈值( 齿杆位移) 、冷却水温、进气温度和压 力等各种参数；接受各种控制信息；在控制软件的管理下，完成对