（车辆工程专业论文）混合动力汽车试验台架的研究.pdf

摘要 摘要 本文对混合动力汽车试验台架进行了研究和设计。 阐述了混合动力汽车台架试验的特点，并论述了在混合动力台架试验中需 要的特殊试验技术，为试验台架的设计和建立确立了原则和方向。 主要针对华普混合动力轿车的要求开发了相应的试验台架，讲述了华普混 合动力轿车的布置方式和结构特点，对混合动力汽车的控制要求做了必要的理 论分析，特别针对华普混合动力汽车提出了相应的控制思想，包括取消怠速后 的启停控制、制动能回收、发动机瞬态优化和发动机稳态优化，以使它能达到 良好的排放和节能效果。以这些控制思想为前提，论述了如何构建试验台架来 满足混合动力轿车研发过程中的实验测试要求。 整个混合动力汽车试验台架分成若干模块，以适应系统柔性的要求，主要 由道路模拟模块、动力总成模块、试验台显示模块、储能模块和数据采集模块 组成。对台架的整体布置和各个具体模块作了详细的论述，特别对数据采集模 块的设计方法、采用设备、采集方法、软件实现等进行了详细研究和开发。 利用该台架进行了发动机热启动实验和滑行启动实验，通过实验数据的分 析了解了发动机的热启动过程，并通过对整个过程的分析，提出了改善启动性 能的思路。在滑行启动实验中，通过对数据的分析，发现了在滑行启动过程中 存在着转速较大的波动，需要通过电动发电集成一体化电机( i n t e g r a t e d s t a r t e dg e n e r a t o r 简称i s g ) 助力来减小启动过程中的冲击，使启动过程更加 平稳。 针对实验过程中出现的问题，提出了对实验台架系统的改良要求，以提高 系统的可靠性和适用性，使其满足下一阶段混合动力汽车开发的要求。 本文中的混合动力汽车试验台架，采用了先进的控制系统，对于我国自行 开发和研制环保、节能的高性能混合动力装置具有十分重要的意义。 关键词：混合动力汽车，混合动力汽车控制方法，试验台架，数据采集，c a n 总线 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt l l i sa r t i c l e ，t h er e s e a r c hw a sd o n ei nt h ed e s i g nf o rt h et e s tb e n c ho ft h e h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee x p e r i m e n to ft h et e s tb e n c ho fh e vi si l l u m i n a t e d ， e s p e c i a l l yt h es p e c i a lt e s tt e c h n i q u e ，t oe s t a b l i s ht h ep r i n c i p l eo ft h et e s tb e n c h d e s i g n t h ed e s i g no ft h et e s tb e n c hi sa i m e da th e vo fh u a p u t h ec o n f i g u r a t i o no f h e vo fh u a p ui ss h o w e di nt h i sa r t i c l e ，a n di ti s e x p a t i a t e dt h a tt h ec o n t r o l l i n g c h a r a c t e r i s t i cw h i c hc o n t a i n s s t a r t - s t o pc o n t r o l l i n g , r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，t h e d y n a m i co p t i m i z a t i o nd e s i g no fe n g i n ea n dt h es t a t i co p t i m i z a t i o nd e s i g no fe n g i n e c a nr e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o na n dm e l i o r a t et h ee x h a u s t t h et e s tb e n c hi se x a c t l y b u i l tb a s e do nt h i sc o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i ct o s a t i s f yt h et e s td e m a n di nt h e e x p e r i m e n tf o r t h ed e s i g no fh e v t h ew h o l et e s tb e n c ho fh e vi n c l u d e st h er o a ds i m u l a t i o nm o d u l e ，p o w e rt r a i n ， e x p e r i m e n td i s p l a y , e n e r g ys t o r a g em o d u l ea n dd a t as a m p l i n gm o d u l e t h es t r u c t u r e o ft h et e s tb e n c ha n de a c hm o d u l e ，e s p e c i a l l yt h ed a t as a m p l i n gs y s t e mi n c l u d i n gt h e d e s i g nm e t h o d ，e q u i p m e n t ，s a m p l i n gt e c h n i q u ea n ds o f t w a r er e a l i z a t i o ni sd i s c u s s e d i nt h ea r t i c l e t h ef u n c t i o no ft h et e s tb e n c hi se x h i b i t e dt h r o u g ht w oe x p e r i m e n t s ，o n ei s w a r ms t a r t u po fe n g i n e ，a n dt h eo t h e ri ss t a r t - u po fe n g i n ei nt h es l i d e i nt h ef i r s t e x p e r i m e n t ，i tc a l lg e tt h ew h o l ep r o c e s so ft h ew a r ms t a r t u po fe n g i n e ，a n dt h r o u g h t h ed a t as a m p l e di nt h et e s tb e n c h ，s o m eo p t i m i z e dm e t h o d sw e r ep r o p o s e d i nt h e s e c o n do n ei ti sf o u n dt h a ti nt h es t a r t - u pw h i l es l i d i n gt h e r ei sf l u c t u a t i o ni nr o t a t i o n s p e e do fe n g i n e ，a n di ts h o u l db es u p p o r t e db yi s gm o t o rt om a k et h es t a r t u p p r o c e s ss m o o t h t o w a r dt h ep r o b l e me x p o s e di nt h ee x p e r i m e n t ，s o m em e t h o da n da d v i c ei s b r o u g h tf o r w a r dt oi m p r o v e t h er e l i a b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t ya n ds a t i s f yt h ec o m m a n d i nt h en e x ts t e pf o rt h ed e s i g no fh e v n a b s t r a c t t h i st e s tb e n c hs y s t e mf o rh e v a p p l i e sa d v a n c e dc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e t h i si s h e l p f u lt oi m p r o v ea n dd e v e l o pt h eh i g hp e r f o r m a n c 跫h e vp r o p u l s i o ns y s t e mo f e n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i n ga b i l i t yi no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：i - m y , c o n t r o l l i n gm e t h o df o rh e y , t e s tb e n c h , d a t ac o l l e c t i o n ，c a n c o m m u n i c a t i o n h i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 2 0 0 7 年3 月1 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 7 年3 月1 日 第1 章绪论 1 1 混合动力汽车的发展 第1 章绪论 1 1 1 混合动力汽车的发展背景 随着传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮 乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。由此 人们越来越关注使用其他燃料的汽车和电动汽车的开发，例如染料电池汽车 ( f u e lc e l lv e h i c l e 简称f c v ) 、纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e 简称e v ) 和混合 动力汽车( h v b r i de l e c t r i cv e h i c l e 简称h e v ) i l l 。f c v 是利用氢、氧在常温下 通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。但是f c v 目前存在着 成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化还需要很长的时间。e v 虽 然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术并未取得突破 性的进展，而且电动汽车依然存在续驶里程短、充电时间长等问题。h e v 虽然 不能实现零排放，但针对以上f c v 、e v 所存在的问题，h e v 在目前环境具有 更强大的优势，成为世界范围内新型汽车开发的热点。 1 1 2 混合动力汽车研究国内外发展情况 在国外，丰田是全世界最早正式批量生产混合动力汽车的制造商，从1 9 9 7 年开始，p r i u s 就开始在日本销售，2 0 0 0 年起便在北美、欧洲及世界各地公开发 售。目前，p r i u s 已经在中国上市。2 0 0 1 年，丰田又在日本推出了e s t i m a 混合动 力小货车、使用混合动力的皇冠豪华小轿车和d y n a 混合动力轻型货车。2 0 0 5 年1 1 月3 0 日，丰田汽车正式宣布，丰田混合动力汽车累计已经超过了5 0 万辆。 在实现低排放的前提下，为了提高车辆动力性，丰田汽车在2 0 0 3 年把新一代混 合动力系统h y b r i ds y n e r g yd r i v e 引人到了第二代的p r i u s 上面。在2 0 0 5 年，把 这套系统的使用范围扩展到了对动力性要求更高的s u v 车型雷克萨斯的 r x 4 0 0 h 和h i g h l a n d e r 混合动力车上。本田自1 9 9 9 年1 1 月开始在日本销售搭载 第l 章绪论 本田i m a ( i n t e g r a t e dm o t o ra s s i s t ) 系统的家用混合动力轿车i n s i g h t ，同年1 2 月在 美国上市。作为量产汽油轿车，i n s i g h t 达到了当时汽车油耗的最低水平。到2 0 0 5 年4 月止，本田生产的混合动力车型在全球的累计销量突破了1 0 万辆，其中美 国约8 9 万辆、日本约5 9 0 0 辆、欧洲约3 8 0 0 辆、加拿大约1 5 0 0 辆i 到。此外， 本田还通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等技术，追求混合动力汽车动力的高 效化；通过开发新型轻质铝车身、树脂油箱等，追求车辆的轻型化，使汽车达 到每公升汽油可行驶3 5 k i n 的世界最高水平，同时使汽车尾气排放达到了世界最 严格标准的要求。同样，美国各大公司也相继推出了各自得混合动力汽车，其 中包括通用公司的p r e c e p t l 3 混合动力轿车，福特公司的p r o d i g y 混合动力轿车， 戴母勒一克莱斯勒公司的e s x 3 1 5 混合动力轿车，还有具备较高性能价格比的 d e 4 0 l f 和o r l 0 n 混合动力大客车。 我国8 6 3 电动汽车计划中，混合动力汽车是一项重点，一汽集团、东风汽 车公司研究的混合动力轿车，天津清源公司开发的混合动力轿车和混合动力大 客车，北京理工大学研究的混合动力大客车，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。“十五国家8 6 3 计划电动汽车重大专项为“三 纵三横”研究开发布局。在专项的研究开发布局中，混合动力汽车整车项目为 专项的其中“一纵 ，以产、学、研三位一体的方式，联合攻关，重点进行混合 动力汽车技术包括整车开发及其整车匹配标定技术，内燃机、传动装置及其控 制系统技术，以及电池系统、电机驱动系统和整车多能源动力总成控制系统等 各种电动汽车都具有的共性技术的研究开发，最终实现混合动力汽车产品通过 国家汽车产品型式认证，实现批量生产和产业化的目标。 1 1 3 混合动力汽车的发展趋势 在能源和环保的压力下，世界各大汽车公司无不涉及电动汽车领域。但是 由于经济和技术方面的原因，电动汽车还要走相当长的一段时间才能实现商品 化，而混合动力汽车技术相对更加成熟；由于采用了精湛的机电耦合技术和智 能化整车控制策略，从而实现整车的高性能、低能耗、低排放。因此，美国和 日本等各大汽车公司已经和正向市场推出混合动力产品。预测表明2 0 1 0 年混合 动力汽车年产可达2 9 4 万辆。 从国内市场来看，由于经济的持续增长，城市规模的不断扩大，各大城市 2 第1 章绪论 政府已纷纷将使用低能耗、低排放汽车作为净化空气、改善环境的一项重要措 施，特别是北京申办2 0 0 8 年奥运会成功，更给清洁型的城市汽车提供了最佳的 市场机遇。目前我国各大城市普遍存在着尾气污染的问题，随着政府对排放的 要求越来越严格，给混合动力汽车提供了广阔的市场，特别给开发用于城市和 城市之间的混合动力汽车带来了得天独厚条件。 1 2 混合动力汽车试验台架的开发意义 3 对于混合动力汽车研发过程中具体的关键技术口1 ，参数匹配和控制策略的优 化研究一直处于仿真阶段，而其它的关键技术，目前只能是定性的预见性分析， 或者初步研究，至于最终将如何解决，也尚需要一定的手段和实验技术平台。 而混合动力汽车试验台架恰恰提供了一个解决上述关键技术的平台。其具体的 作用h 1 如下： ( 1 ) 混合动力汽车试验台架能够为电机、蓄电池等各零部件总成提供与整 车相同的试验调试环境，将零部件总成放到真实的试验环境中进行相关的试验， 可以针对混合动力汽车的特殊要求进行研制与开发，从而指导各总成的研究方 向与重点需要解决的问题。 ( 2 ) 混合动力汽车试验台架可以对各零部件及总成进行性能评估。对于需 要评估的各总成只需提出试验条件的要求，模块化的试验台可以根据其要求重 组提供所需的试验环境。 ( 3 ) 通过台架试验可以解决动力集成的关键技术，如对于动态切换、助力 和扭矩合成的控制，仿真技术只能提供一个理论上的指导，关键问题的解决需 要在试验台架上反复试验调试。 。( 4 ) 混合动力汽车试验台架可以进行整车控制器的测试。包括控制策略的 调试与优化，控制器硬件对混合动力汽车环境的电磁兼容性等。 ( 5 ) 混合动力汽车试验台架可以完成整车动力性试验，并且通过工况循环 可以完成经济性的测试。 台架试验不受外界自然环境的限制，其各零部件的布置也不受整车总布置 的限制。台架的模块化可以为不同类型的发动机及其控制器、电机及其控制器、 蓄电池及其管理模块以及整车控制器提供所需的试验环境。而且从技术要求的 角度考虑搭建混合动力汽车试验台架这一方案是可行的。目前测功机有足够的 3 第1 章绪论 控制精度和响应速度来模拟整车运行时的道路阻力变化。并且有足够的数据采 集设备采集相关的试验数据。 综合以上分析，混合动力汽车的研究在我国尚处于起步发展阶段，建立一 整套完整的混合动力汽车试验台架系统，不管对混合动力汽车的理论研究还是 混合动力技术成果的推广都具有十分重要的现实意义。混合动力汽车试验台架 的研究与开发可填补我国在混合动力汽车试验领域的空白，有利于跃升我国混 合动力汽车整车和混合动力汽车各零部件总成的总体试验水平，有利于建立一 整套统一、规范、科学的混合动力汽车试验规程、试验方法和试验标准，有利 于建立统一、科学的混合动力汽车整车和零部件总成的评价体系。 混合动力汽车试验台架的最终建立，可直接对混合动力汽车整车控制目标， 如动力性、经济性和排放性能进行全面的检测：同时也可对混合动力汽车各总 成控制系统进行全面调试和检测，缩短整车试验和标定的试验周期，降低混合 动力汽车研制的风险和成本。混合动力汽车试验台架的研制过程中取得的宝贵 经验，对混合动力汽车整车和零部件总成的设计具有十分重要的指导意义。 1 3 本文的研究内容 本文以上海华普汽车有限公司的混合动力汽车为原型设计搭建了用于华普 混合动力轿车开发的试验台架，并且以工业控制计算机和采集卡为中心建立了 试验台架的监控系统，为混合动力汽车试验提供了一个灵活的平台。文章主要 作了以下方面的论述：根据混合动力汽车的特点( 特别分析了华普混合动力轿 车的结构和控制特性) 分析试验台架需要的功能、试验台架的设计建立( 包括 各模块组成部件和监控系统的设计) 、具体的实验过程和数据的分析评价。 1 试验台架所需功能的分析。对混合动力汽车试验台架的特点进行了概括， 并具体对华普混合动力轿车的结构和控制方法作了描述，并且根据它的设计特 点和控制方法分析了试验台架的功能要求和设计要点，以此作为试验台架建立 的依据。 2 混合动力汽车试验台架的设计和建立。本试验台主体主要包括测功机、 扭矩传感器、变速器、i s g 电机、发动机、超级电容、电机控制器、排气以及数 据采集系统。试验台架本着灵活的原则可以由不同的组合来完成不同的实验任 务，测试混合动力汽车不同部件以及整车的某些性能。数据采集系统采用 4 第l 章绪论 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线数据采集和实际模拟量采集两种方式，可 靠性强，同时可以完成数据的存储，方便日后做离线的分析。 3 具体实验的过程和数据分析。通过试验台架完成了发动机启动实验，了 解了发动机的热启动过程，并对数据做了分析，提出了可能的优化思想。在发 动机滑行启动的实验中，用台架测功机静态的模拟启动瞬间实际的道路情况， 让发动机在倒拖情况下重新启动，采集当时发动机的有关参数和车速，分析在 重启动过程中冲击的大小，验证是否有必要通过i s g 电机来弥补启动时的冲击 以达到更佳的平稳性。 5 第2 章混合动力汽车台架试验特点 第2 章混合动力汽车台架试验特点 目前，国内的混合动力汽车研究一直处于仿真阶段，但试验是混合动力汽 车开发更关键的技术手段。本章将根据混合动力汽车的特点来分析混合动力汽 车试验具有的一些特殊技术。 2 1 混合动力汽车零部件和整车试验技术 试验是汽车开发过程中必不可少的技术手段和环节。混合动力汽车的试验 项目主要包括各零部件及其总成的试验和整车试验。由于混合动力汽车的研发 尚处于起步阶段，因此目前主要考虑混合动力汽车相对于传统汽车的优越性， 研究混合动力汽车的动力性、经济性和排放性能试验，而对于像汽车的碰撞等 类型的试验1 等暂不考虑，同时把重点放在各总成的试验包括发动机试验、电机 试验、蓄电池试验、变速器换档试验及动力合成装置试验。整车试验包括整车 的动力性试验和经济性实验以及排放性能试验。根据混合动力汽车试验内容， 混合动力汽车零部件的试验技术包括发动机和电机的动力控制技术，蓄电池的 能量管理技术以及动力传动及集成控制技术。 传统汽车一般只有一个动力源，但混合动力汽车具有两个或两个以上的动 力源，因此结构上的差异造成混合动力汽车的试验也和传统的汽车试验有着很 大的差异，特别是在动力合成装置的研究和开发中需要做大量的试验。比如在 动力传动系性能试验中，传统的汽车试验主要了解发动机性能、传动系性能以 及彼此之间的匹配性能，但是混合动力汽车试验的重点并不是如此，由于混合 动力汽车的发动机一般都是采用比较成熟的产品，所以没有必要花大力气做自 身性能的测试，主要重点放在如何在现有动力源性能参数的基础上，通过合理 的控制来实现两种动力的合成，重在通过试验来制定出发挥两种动力源各自优 点的方法，并通过试验来验证这种控制方法的效果。 混合动力试验有两种实现平台：混合动力汽车实车试验平台和混合动力汽 车台架试验平台。混合动力汽车实车试验平台是由一辆混合动力汽车和相关的 数据采集设备组成的。由于受整车总布置和车上各总成型号的限制，实车试验 6 第2 章混合动力汽车台架试验特点 平台上只能进行特定总成和整车的试验。根据试验方案和动力总成控制技术可 以在试验场地完成总成试验和整车动力性试验，但排放性能试验则需要在转鼓 试验台架上来完成。经济性试验可以在转鼓试验台上通过运行循环工况来完成， 也可在试验场进行试验再经过对试验数据的后处理完成。 上述混合动力汽车试验同样可以在试验台架上完成，试验技术都可应用在 试验台架上。但试验台架需要提供整车行驶的负载，因此台架试验技术还包括 整车负载模拟技术，即道路行驶阻力模拟技术和整车惯量模拟技术。 根据实际情况和开发要求，本论文选择试验台架作为研究的对象。下面本 章将针对混合动力汽车的台架试验技术做有关的论述。 2 2 混合动力汽车台架试验技术 在进行混合动力台架试验前，应对动力总成的控制技术及通信技术进行研 究分析，以便更好的控制整个试验过程，完成试验台架测试任务。 2 2 1 动力总成控制技术 混合动力总成的核心是控制系统，包括硬件和软件两部分。控制系统研发 的关键是控制软件的开发，而控制策略更是研究的第一步。 1 动力控制技术 ( 1 ) 发动机控制 传统汽车发动机控制，驾驶员根据路况和负荷的不同，通过油门踏板改变 发动机的供油量，完成汽车加速、减速等行使任务。油门执行器和踏板属于机 械连接，简单易于操控。 与传统汽车相比，混合动力汽车增加了电机等新部件，需要考虑发动机和 电机的功率匹配问题，从而使发动机须根据整车控制要求，来进行协调控制。 在混合动力汽车中，发动机的控制器与整车控制器相连，发动机根据整车 控制器要求的转速和转矩来调整油门执行机构，从而使发动机处在最优效率区 问工作。首先，驾驶员根据路况和负载的要求，操纵加速或制动踏板并将此信 号传给整车控制器，整车控制器又根据这个指令对发动机控制器发出转速或转 矩要求，又由发动机控制器对油门执行机构进行控制。 7 第2 章混合动力汽车台架试验特点 ( 2 ) 电机控制 电机控制原理略同于发动机控制，混合动力汽车的电机控制哺1 也有自身的特 点，要求在恒转速，恒功率区同时保持高效率，调速范围大，动态性能要求高， 目前，实用的控制方法来看，异步电机矢量控制( f o c ) 是比较好的控制方法。 在混合动力汽车的交流异步电机驱动系统盯1 中，其控制方法可采用简单的标 量控制。其中电压频率( v v v f ) 方法由力矩给定计算转差频率，在基速区使v f 为常数，基速区外v 为常数实现恒力矩恒功率调速，该方法动态性能及低 速区的控制性能欠佳。 目前，更常采用的控制方法包括矢量控制、直接转矩控制等。在交流异步 电机的矢量控制中通常采用电流磁通模型及电压磁通模型，分解电流的励磁及 力矩分量以达到良好的控制特性。 ( 3 ) 电池系统监测和控制 混合动力汽车的电池的主要特点是向整车控制器提供准确的s o c 值呻1 。电池 监测系统的主要任务是根据各种电流、电压和温度传感器实施监测的信号来正 确估算电池的s o c 值，并在危险的工况下实行关断电池系统与电机系统的连接， 避免汽车制动时，过大电流对电池系统的造成的损害。 2 负载调节控制技术 测功机在混合动力试验台架上模拟整车行驶的道路阻力。测功机本身应具 有吸收能量或传递动力的功能，并具有测量转矩装置；在不同工况下稳定工作， 故还要有特性控制装置。测功机外壳通过轴承支撑在支架上，工作时当受到外 力作用时能自由地回转，在外壳上装有力臂，连接载荷单元。这样，就能将作 用在外壳上的转矩测量出来。根据模拟整车工况的要求，整车控制器对测功机 实施转矩控制。 3 动态控制技术 即使发动机、电机与变速器已经达到了混合动力汽车所要求的功能及性能， 具有成熟的控制技术，但当组合为一个传动系统集成到整车上时，就会出现一 些问题，比较典型情况有动态切换问题，变速器换档时同步时间延长的问题。 这些问题不是各总成本身控制引起而是由于动力合成造成的，所以需要整车控 制器来协调解决。下面分别就两个方面的问题进行分析。 ( 1 ) 动态切换控制技术 对于电机和发动机都可以提供驱动转矩的并联混合动力系统，需要解决由 8 第2 章混合动力汽车台架试验特点 状态切换引起的动态切换控制问题：由于发动机和电机具有不同的动态特性， 在状态切换过程中，当发动机和电机的转矩发生较大幅度的变化时，如果不对 发动机和电机的输出转矩进行控制，将使得发动机和电机的输出转矩发生较大 的波动，影响整车的平顺性。 通过对目前的现状的 调查研究，发现只有丰田 混合动力系统西1 利用其特 有的动力分配机构很好的 解决了这一问题。图2 1 为是丰田混合动力系统的 图2 1 丰田混合动力系统结构示意图 结构示意图，其动力系统主要由电动机、发动机、发电机、动力分配装置组成。 动力分配装置是一个行星齿轮结构，太阳轮、齿圈和行星齿轮分别与发电机、 电动机和发动机直接连接。太阳轮和齿圈的齿数分别为3 0 齿和7 8 齿，发动机 转矩t 蹦分配到电动机上的转矩t 眦和发电机轴上的转矩t 倒分别为： t g 烈- t e ( 7 8 3 0 + 1 ) ( 2 1 ) k 。蔷k ( 2 卫 发动机电动机转速s 。和发电机转速s 倒关系如下： 凳+ s m 一一0 + 意3 0 ( 2 3 ) s m 啪t 3 6 7 5 v k ( 2 4 ) 丰田混合动力系统控制的输入量为加速踏板位置、车速、发电机转速以及 可用的蓄电池功率，输出量为发动机目标功率，发电机和电动机转矩。控制系 统根据加速踏板和车速得到驾驶员需要输出的转矩，并由该转矩和电机转速求 得输出的驱动功率，再考虑给电池充电的功率得到最终的需求功率。其控制过 程如下： 1 ) 根据最终的需求功率和发动机最小功率限值，将发动机效率最高时的转 速作为发动机的目标转速。 2 ) 根据发动机目标转速和电动机转速及式( 2 3 ) 得到发电机的目标转速， 发电机控制单元通过p i 控制算法调节发电机转矩实现控制。 9 第2 章混合动力汽车台架试验特点 3 ) 根据测得的发电机的转矩由式( 2 1 ) 计算发动机转矩，由式( 2 2 ) 计算出 发动机作用到电动机上的转矩。 将总的需求转矩减去发动机作用在电机轴上的转矩即可以得到电动机需要 输出的转矩，由电动机控制器控制该转矩。 丰田控制算法关键在于其结构的特殊性，可根据测得发电机的转矩以及发 电机和发动机之间的速比计算出发动机的转矩，再根据确定电机的输出转矩并 进行控制。其实质就是电动机转矩对发动机转矩的补偿控制。 丰田混合动力系统很好的解决了动态切换问题，关键在于利用了独特的动 力分配装置，能够得到发动机的转矩，从而通过转矩补偿的算法实现了动态切 换控制。而其他不具备该结构的混合动力控制系统无法得到发动机的转矩，因 此必须探索新的方法。 ( 2 ) 电机辅助换挡 以动力合成装置与变速器的连接结构如图2 2 所示的双轴并联混合动力汽 车为例来说明在控制中的特点。该结 构中由于电机、合成装置与变速器的 输入轴直接连接，与传统汽车的变速 器相比，在很大程度上增加了变速器 输入轴的转动惯量。以a m t 为例来 说，如果仍然按照传统车a m t 训的同 步调节方式，由于一轴的转动惯量的 增加而导致的同步时间延长将会使 动 l 电机f -力 口 i 发动机 卜1 卜 成 装 变速箱 置 图2 2 动力装置与合成装置连接示意图 换档过程增加2 秒甚至更长。由于a m t 是动力中断换档，因此将影响到整车的 动力性。所以要寻找解决方案。 分析这一结构：换档过程中离合器分离，发动机动力传递中断；但电机仍 通过动力合成装置与变速器的输入轴连接。如果电机此时被动的处于自由状态， 即零转矩状态或关断跟随转动，则为上述换档时间过长的情况。但如果此时利 用电机的快速动态响应特性，主动调节一轴的转速，让电机辅助a m t 换档n ， 则可以缩短同步时间。以升档为例，整个控制过程如下： 1 ) a m t 或整车控制器根据换档规律检测到升档信号后，利用与发动机的协 同控制，通过减小油门的方法瞬间降低发动机的转矩；同时，电机进入零转矩 状态。 。 1 0 第2 章混合动力汽车台架试验特点 2 ) 分离离合器，摘空档，选档。 3 ) a m t 进入同步过程，根据输出轴转速和目标档位计算出的一轴的目标转 速传给电机，电机通过转速控制模式将一轴的转速调至该目标转速，当转速与 目标转速的误差小于给定的值时，电机进入零转矩状态。a m t 同步过程结束。 4 ) 挂档，结合离合器，根据当前的加速踏板和控制策略恢复发动机油门和 电机目标转矩。当然，要对发动机的油门和电机的目标转矩进行处理，保证换 档前后输出的转矩不发生突变。 另一种方案与此相似，不同之处只是在于电机主动同步时的控制方式。上 述方案采用的是速度控制模式，利用转矩控制模式的速度闭环控制同样可以实 现主动同步的过程。 2 2 2c a n 数据通信技术 c a n 总线通信技术是混合动力汽车研发的关键技术之一，混合动力汽车在传 统汽车的基础上新增了电机、电池等部件，从而需要对电机控制器、电池管理 系统、能源总成控制系统对发动机、电机进行协调控制。这种情况在传统车上 是不存在的，在传统车的动力总成上没有这么多的控制器需要协同工作，因此 不需要如此大数量的信息交流，而混合动力汽车不同，由于在控制上需要彼此 的合作才能达到更好的效果，因此需要有大量的信息传输，而且必须保证传输 的实时性，因此无论是在整车还是试验台架上采用c a n 技术都是非常必要的 1 c a n 技术简介 c a n 是一种先进的串行通信协议，它最初是为了解决汽车中众多的控制与测 试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯总线，属于现场总线范畴。 它有效支持分布式控制及实时控制，并采用了带优先级的c s m a c d 协议对总线 进行仲裁，因此，c a n 总线允许多站点同时发送。另外，c a n 采用短帧结构，且 每帧信息都有校验及其它检错措施，保证了数据的实时性、低传输出错率。其 传输介质可以使用双绞线、同轴电缆或光纤n 幻。 c a n 总线是一种多主总线，与传统的传输协议相比c a n 总线有以下特点： 1 ) c a n 协议n 3 3 的最大的特点之一就是废除了传统的站地址编码方式，扩展 了对通讯数据进行编码的方式，这样就使网络内的节点数在理论上不受限制。 这种按数据块进行编码的方式还可以不同的节点同时接收到相同的数据。通讯 第2 章混合动力汽车台架试验特点 方式灵活，可实现点对点和广播方式传输数据。 2 ) c a n 总线以报文为单位进行数据传输，数据传输用短帧结构，数据段长 度最多为8 个字节。8 个字节不会占用总线时间过长从而保证了通信的实时性。 传输时间短，受干扰的概率低。c a n 的通讯速率可高达1 m b p s 。c a n 协议采用了 循环冗余c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 3 ) 采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障 节点的判别及故障节点的自动脱离功能，不关闭总线即可任意挂接或拆除节点， 使系统其它节点的通信不受影响，增强了系统的灵活性和可扩展性。 4 ) 采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性， 系统的通用性好( 1 9 9 年p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范 ( v e r s f o n 2 0 ) ，包括a 和b 两部分。1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了c a n 国际标准 i s 0 1 1 8 9 8 ) 。且现场十线和安装简单，易于维护，经济性好。 2 混合动力汽车c a n 总线的应用 混合动力汽车在传统的内燃机作为动力的汽车基础上，新增了电机、电池 等部件，从而需要电机控制器、电池管理系统、能源总成控制系统对发动机、 电机进行协调控制，使各设备工作在高效区，提高能源的利用率，使整车性能 最佳。 基于c a n 总线的上述的特点，混合动力汽车控制系统与各子控制系统的网 络通信采用c a n 总线通信技术。图2 3 所示是基于c a n 总线的混合动力汽车控 制系统的结构示意图。其中，电机、发动机、电池等各总成控制模块与整车控 制模块之间成功地实现了c a n 总线数据通信。 目前，混合动力汽车控制系统中，为了便于调试，采用的是点对点的通讯 方式，即混合动力汽车整车控制系统与各个电子控制单元之间的点对点。各个 控制器所用的c a n 控制器与收发器的类型不尽相同，包括诸如s j a l 0 0 0 、a s 8 2 5 2 7 和各控制器芯片集成的c a n 控制器等多种类型。 1 2 c a n 总线 揪 第2 章混合动力汽车台架试验特点 誓l 蠢l 荛l i 季i 霉i 考 图2 3 基于c a n 总线混合动力汽车控制系统的结构图 2 3 本章小结 本章在简单分析混合动力汽车零部件和整车试验技术的基础上，对台架试 验技术中的动力总成的控制技术及通讯技术进行了分析。其中重点分析了动力 总成中的动态切换控制技术和电机辅助换档技术，最后介绍了动力总成间的c a n 通信技术。这些技术的研究为混合动力试验台架的开发奠定了基础。 1 3 车统汽系力制动控合车混整 池制 她缴器 动系 串巾控 机器 动 发 开关i 加 s o c 电池电流电池电压 第3 章混合动力试验台设计方案分析 第3 章混合动力试验台设计方案分析 31 试验台架设计方案对象 本混合动力汽车台架是针对华普混合动力轿车( 如图31 ) 开发的。华普混 合动力轿车是由上海市科委、上海华普汽车有限公司和相关高校共同合作研发 的中国首款自主研发的混合动力汽车。电油的混合比例在2 0 一2 5 的水平， 在借鉴本田i n s i g h t 技术的基础上，华普混动车具有自己的独创性，即在动力 结构上采用了双离合器，具有制动能回收功能，在电能与动能相互转化的过程 中会最大限度减少能耗，从而提高能源的利用率。同时还配备了先进的储能器 件，与同类产品相比，在能量的保持和输出上有鲜明的优势。 豳3l 华普混合动力轿车 由于是中国首款自主研发的混合动力汽车，同时又具有自己一些独特的设 计，所以在研发过程中需要有个特殊的试验平台来验证其性能和控制方法的优 劣性，并且这个平台需要针对这款车型的独特性来设计。以下先根据华普混合 动力轿车的特点来分析对试验台架的设计要求。 第3 章混合动力试验台设计方案分析 3 2 华普混合动力汽车设计方案 3 2 1 华普混合动力汽车方案确定原则 以市场为导向，开发低成本高可靠性的混合动力系统。 华普弱混合动力车型号：s m a 7 1 5 0 h e v 节能指标：与原型机轿车比较，节能1 5 ( g b l 8 3 5 2 1 工况法) 整车排放：达到国标准以上 最大时速：1 6 0 k m h 最大爬坡度3 0 加速时间：1 2 - 1 4 s 整车目标成本：与原型汽油机轿车比较增加l 万元 3 2 2 华普混合动力汽车布置方案 华普的混合动力车具体布置如图3 2 所示，它的主要部件包括： 1 i s g 电机 2 双离合器结构 3 超级电容 4 手动变速器 5 发动机 i s g 电机、前后离合器机构内部结构图如图3 3 ，发动机输出轴通过前离合 器和电机的转子相连，取消了飞轮机构，通过电机的转子替代，前离合器放置 在i s g 电机的肚子里被电机定子包裹着，i s g 电机的定子通过后离合器和变速器 输入轴连接。 实现功能：快速启停，较大比例制动能量回收，电机小比例助力，发动机 瞬态优化。 1 5 第3 章混台动力试验台设计方案分析 图32 华普混台动力汽车布置图 幽33i s 6 电机、前后离台器机构幽 第3 章混合动力试验台设计方案分析 3 23 华普混合动力汽车工作模式 为了实现上述的基本功能，华普混合动力汽车包括五种工作模式，具体如图 3 4 ： 模式1 发动机通过i s g 拖动启动，可以是由钥匙触发，也可以是滑行过程 中踩油门踏板触发。模式2 中发动机单独驱动汽车这时i s g 电机只是跟着发 动机随转，仅仅起到飞轮的作用。模式3 中除了发动机驱动外，i s g 电机以一定 的力矩给发动机助力。模式4 中超级电容电压下降到一定限制，强制发动机提 高扭矩给电容充电，这样发动机的发出的功除了用于驱动汽车外，还有一部分 要转化为电容的电能。模式5 当踩下油门时，i s g 电机运行于发电状态，给车辆 提供制动扭矩，同时把机械能转化为电能。 工作模式i ：i s g 启动发动机工作模式2 ：发动机单独驱动 第3 章混合动力试验台设计方案分析 工作模式3 ：并联驱动 工作模式4 ：行车发电工作模式5 ：制动能量 图34 华忤混台动力汽车工作模式圈 3 24 混合动力汽车研究的目标及解决方案 ( 1 ) 目标：混合动力汽车提高燃油经济性，减少排放 方法： 1 合理的发动机启动策略( 可以取消发动机冷启动时的预喷阶段) 2 发动机的动态和瞬态优化，1 0 - - 2 0 的节油率： 一锶 占i i 一篇 心 第3 章混合动力试验台设计方案分析 3 怠速停机策略，5 左右的节油率； 4 制动能回收( 能源策略) ，5 1 0 的节油率； 5 使用节能措施，比如电动助力转向( e p s ) ，2 - - 3 的节油率：电动空 调压缩机，2 3 的节油率。 ( 2 ) 目标：提高车辆动力性能 方法： 1 在混合动力汽车上实现燃油经济性并不能以牺牲动力性为代价： 2 采用电动助力的方法以弥补因为燃油经济性优化带来的动力不足。 3 3 混合动力汽车试验优化和匹配方法研究 为了可以满足上述混合动力汽车在提高燃油经济性和动力性能方面的要 求，必须提出一系列合理的控制要求n 钔叫嘲，并在混合动力试验台架上经过反复 实验进行优化和验证。因此下面针对华普混合动力轿车的一些控制方法做些原 理性的分析，在理论成立的基础上，提出如何设计台架来满足验证这些控制要 求的方法。 3 3 1s t a r t s t o p 设计分析 为了分析通过发动机的启停功能n 刀来取消怠速所能带来的节能效果，假设 有如下某乘用车城市路段速度变化图，如图3 5 ，车辆运行参数和计算如下： 时间t = 1 1 9 5 s 行程s = 7 6 8 1 k m 平均速度v - - 2 3 1 3 8 k m h 最高速v 。= 7 4 1 m h 最大加速度a i i = 2 2 9 4 2 m s 2 最大减速度a - ；。= - 2 5 9 3 6 m s 2 平均正加速度衍0 4 3 9 2 m s 2 平均负加速度a 1 = 一0 4 1 8 8 m s 2 怠速比例t i = 2 5 1 8 8 t ( 百公里所需时间) = 1 0 0 公里v i = 4 3 2 2 h 1 9 第3 章混合动力试验台设计方案分析 t ( 怠速时间) = t x 怠速比例t i = 1 0 8 9 h 怠速油耗= o 8 - 0 9 1 h 百公里油耗= t ( 怠速时间) 怠速油耗= o 8 7 1 2 0 9 8 0 1 l 通过计算可以