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摘要 2 0 世纪末以来全世界的汽车持有量迅速增长，随着环境保护呼声的高涨和石 油储量的日益短缺，传统的内燃机汽车对人类生存环境带来的危害越来越受到关 注，开创高效、节能的汽车动力系统被提上了日程，经过对各种新能源的探索， 理想的零排放或低排放的电动汽车成为最主要的选择之一。 电动汽车包括纯电动汽车( e l e c t r i c a lv e h i c l e ，简称e v ) 、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 ) 和燃料电池电动汽车( f u e lc e l lv e h i c l e ，简称 f c v ) - 三种形式。混合动力电动汽车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 里程长和燃料补充快速的特点。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。 论文选题源于，湖南大学承担的“9 8 5 ”课题“混合动力电动汽车研究开发”。 由湖南大学、湖南江麓容大车辆传动有限公司合作开发一款基于无级变速器 ( c o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) 的由控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e a n e t ，简称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的实际科研 项目。 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c v t 的特点和优势；在此基础上设计了配 备h e v - c 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h e v - c 的控制器网络通信 协议，通过合理地分配邮箱标识( i d e n t i f i c a t i o n ，简称i d ) ，较好地防止了总线发 生冲突。 其次，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 理论基础，建立了基于c v t 传动的混联式动力总成的数学模型，应用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真语言自主设计搭建了h e v - c 动力总成仿真平台；在 h e v - c 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分配的控制 策略，并结合工程实际编写了主控制器能源分配控制算法的控制流程图；同时对 基于模糊逻辑的控制策略进行了探讨性的研究。 最后，在仿真平台上调试运行了控制策略，得出了一系列仿真数据和曲线， 为实车试验奠定了坚实的理论基础。 关键词：c a n 总线，无级变速的混合动力电动汽车，能源分配策略，仿真 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n ti nh o l d i n ga u t o m o b i l e si nt h ew o r l ds i n c et h ee n do f 2 0 t hc e n t u r y ，a l o n gw i t h i n c r e a s i n g l yc a l l i n g f o re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n d i n c r e a s i n gs h o r t a g eo fo i lr e s e r v e s ，t h eh a z a r dw h i c hi sc a u s e db yc o n v e n t i o n a li n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l et oh u m a ne n v i r o n m e n tw o u l db en o t i c e d c r e a t i n gh i g h e f f i c i e n ta n ds a v i n ge n e r g yp o w e rs y s t e mi sb r o u g h tt ot h ea g e n d a t h ep e r f e c tz e r o e m i s s i o no rl o we m i s s i o ne l e c t r i ca u t o m o b i l eb e c o m e so n eo ft h em a i nc h o i c e sa f t e r g r o p i n gf o rd i f f e r e n tn e we n e r g y t h e r ea r et h r e et y p e so fe l e c t r i c a lv e h i c l eh a st h e r et y p e s ：p u r ee l e c t r i c a l v e h i c l e ，h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，f u e lc e l lv e h i c l e t h eh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l ei s t 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 la u t o m o b i l e t e c h n i q u e i tn o to n l yh a s t 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 he f f i c i e n c yo fp u r ee l e c t r i c a lv e h i c l e ，b u ta l s o h a st h ep e r f o r m a n c e so fl o n gr u n n i n gm i l e a g ea n df a s tf u e ls u p p l e m e n ti nt r a d i t i o n i n t e r n a l c o m b u s t i o n e 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 d e l e c t r i c a lv e h i c l e b e c o m e st h ef e a s i b l es c h e m ef o rs a v i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ti n t h i s c e n t u r y t h ep a p e ri s r e l y i n go n “9 8 5 ”p r o j e c t t h er e s e a r c ho nh y b r i de l e c t r i c a l v e h i c l ew h i c hi sp r e s e n t e db ym i n i s t r yo fs c i e n c eo fp r c h i n aa n da s s u m e db y h u n a nu n i v e r s i t y t h es 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 eb a s e do nc v t w h o s e c o n t r o l l e r sa r ec o m m u n i c a t e db yc a nb u s ，i sd e v e l o p e db yh u n a nu n i v e r s i t y ， j i a n g l ur o d a rv e h i c l et r a n s m i s s i o nc o ，l t d i nt 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 to fh e vi sa n a l y z e d t h ei m p o r t a n c e o fd e v e l o p i n gh e vi nc h i n aa l o n gw i t ht h ec h a r a 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 g h e va n dc v ta r ep r e s e n t e d h e v - cp o w e ra s s e m b l yc o n t r o ls y s t e ma n di t st o p o l o g y n e t w o r kr e s u l ta r e a n a l y z e d t h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ec 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 lb a s e do nc a nb u so fh e vi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f j 19 3 9p r o t o c o la n dt h ep r o j e c t a n db yu s i n go fd i f f e r e n ti d ，t h eb u sc o n f l i c tc a nb e a v o i d e d t h e n ，t h et y p i c a lh e vp o w e ra s s e m b l ys y s t e mi sd e e p l ya n a l y z e do nt h eb a s i s o ft h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft h ec u r r e n t l yp o w e ra s s e m b l ys y s t e m t h e m 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 yb a s e do nc v tt r a n s m i s s i o n i sb 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 l i 硕士学位论文 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 fh e v - ci sd e s i g n e da n d b 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 eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e e n e r g yd i s t r i b u t i o nc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do i ll o g i ct h r e s h o l dc o n t r o li s s t u d i e do n t h eh e v cs i m u l a t i o nb e n c h t h ec o n t r o lf l o wc h a r t so ft h em a i nc o n t r o l l e re n e r g y d i s t r i b u t ec o n t r o la l g o r i t h ma r ew r i t t e no nt 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 lh a s b e e ns t u d i e do n f i n a l l y ，t h er e s u l t sa n dg r a p h so fs i m u l a t i o nb a s e do nh e v - ce n e r g yd i s t r i b u t e s t r a t e g yw h i c h c a l lb e u 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 nt h ep a p e r k e y w o r d s ：c a nb u s ；h e v - c ：e n e r g yd i s t r i b u t i o ns t r a t e g y ；s i m u l a t i o n ； i i i 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。 作者签名： 易主，搬日期：卿年；月伊日 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 l 、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“4 ”) 作者签名： 夥i 颍 导师签名阁弓如6 矽j 勺叼 日期：硼年弓月f 厂日 日期：研多月斫 f 卜 硕士学位论文 第1 章绪论 众所周知，汽车诞生于1 9 世纪末的德国，1 8 8 6 年3 4 岁的b i l l b e n z 发明了世界上 第一辆汽车，至今已经历了百余年的历史。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人们对生活质量的更高层次的 要求，对于现代汽车工业的发展也提出了更高的要求，新型的低能耗、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。 1 1 本课题研究背景 全球性的石油危机以及环境污染使汽车的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，汽车频繁启起停带来的 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 要原因之一。 与传统的采用改进内燃机技术，从而降低大气污染的研究方向不同，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i lj 。 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。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，使得全球电动 汽车技术得到飞速发展 2 , 3 , 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。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【5 ，6 ，7 1 。 以发动机、电动机、燃料电池作为混合动力的电动汽车在2 1 世纪初应运而生， 专家普遍评价：混合动力电动汽车是2 l 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【8 】。 基于c a n 的h e v c 能源分配控制系统研究与仿真 1 1 1 国内外混合动力电动汽车的发展简介 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，并己取得了一些重大 的成果和进展，通过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。其中日本丰田公司最值得举世瞩目是装配有丰田混合动力系统 ( t o y o t ah y b d 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 予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 项重大科技成果之一1 9 】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 r u 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 r u 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0 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 除丰田公司之外，本田i n s i g h 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 i 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 9 0 m p g ( 3 3 7 8 k i n l ) 的目标，美国三大汽车公司都 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) l l 州等。虽然三 2 顾士学位论文 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 y v 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。己知的一些车型有：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 l6 1 i 增压柴油机) ；福特公司的e s c a p eh y b r i d s 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放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j 。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。 4 ) 中国 2 0 0 1 年，我国“8 6 3 ”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。一汽已经与丰田达成协议，2 0 0 5 年在中国 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。 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l 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，目前世界 上空气污染最严重的十个城市有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 业将会给我国的能源安全和环境保护造成巨大的压力。面临如此严峻的形势，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。特 别是北京申办2 0 0 8 年奥运会成功，更为洁净型城市汽车提供了极佳的市场机遇。 综上，世界各国竞相发展混合动力电动汽车的研制，其技术背景已经相当成 基于c a n 的h e v - c 能源分配控制系统研究与仿真 熟，而且我国也在这个领域已经取得了相应的成果，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， 至u 2 0 0 8 年至2 0 1 0 年，我国将拥有自主品牌的混合动力电动汽车，并且小批量的投 入运营，这将为我国乃至全世界的能源节约做出巨大的贡献。 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 ， 简称p e v ) 、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 ，简 称f c e v ) 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 y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) d 2 。根据发动机和电机的不同组合方式，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 s h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ，简称s h e v ) 、 并联式混合动力电动汽车( 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 ，简称p h e v ) 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 y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称s p h e v ) i ”i 。如图 1 1 所示： 图1 1 混合动力驱动系统 这3 种混合动力驱动的比较与分析： 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 ) ，一般由发 4 硕士学位论文 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。 并联式布置保留了发动机和后续传动系统的机械连接，由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，并联式混合动力系统的控制策略是， 当汽车在低速等小功率工况行驶时，通过控制发动机转速来调节发动机功率，而 在汽车加速或高速行驶，发动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。 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。发动机 发出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 通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式混合动力系统的控制模式是，控制器根 据油门踏板的开度，一方面控制电子油门的开启程度，另一方面确定发动机的动 力用于直接驱动汽车部分和用于发电部分之间的分配比例，准确控制并协调发动 机和发电机驱动力，如果蓄电池电量下降，控制器控制发电机发电为蓄电池充电。 1 1 3 混合动力电动汽车优点 混合动力的电动汽车继承了纯电动汽车节能和低排放的优点【i “，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和燃油经济 性，弥补了纯电动汽车一次充电续时里程短的不足，显著改善了整车燃油经济性 能和排放性能，达到两种车辆的优点的统一。而且在节能性、动力性、成本等方 面提供了更广泛的发展和协调空间，在其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 1 5 , 1 6 】，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【1 7 j 。 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根据汽车的不同 行驶工况，控制发电机或电动机的工作象限，可以保证蓄能装置中的能量始终维 持在一定的水平，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 基于c a n 的h e v - c 能源分配控制系统研究与仿真 精确控制，混合动力电动汽车可吸收汽车的相当一部分制动及滑行时的能量，以 电能的形式更新储存在储能装置中，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p s i ，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1 1 9 】，燃 料油耗降低3 0 一4 0 以上，尾气排放量降低5 0 “o 以上【2 们。 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各国专家的普遍评价：混合动力 电动汽车是2 l 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 2 1 , 2 2 l 。 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。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。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 成为目前的一种发展趋势。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 ) 可克服传统c v t 技术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【”l 。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 6 硕士学位论文 略所要求解决的问题。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。众所周知，燃 科电池是电动汽车商业化和产业化的一个希望，但是由于燃料电池不可逆，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。混合动 力汽车的进一步发展，实现产业化，需要解决以下一些关键技术： 1 ) 电池技术 混合动力汽车电池的使用状况不同于电动汽车，在工作中电池处于非周期的 充放电循环中，要求电池的充放电速率和效率都比较高。因此，混合动力电动汽 车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 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。 7 基于c a n 的h e v - c 能源分配控制系统研究与仿真 1 3 论文主要研究内容 本论文以湖南大学承担的国家科技部“9 8 5 ”课题“混合动力车”为依托，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 2 4 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 ) 基于c a n 总线的各个控制器模块的信号沟通； 3 ) 动力总成建模仿真分析； 4 ) 整车能源分配控制策略； 5 ) 台架试验： 6 ) 路面试验。 图1 2 为该项目动力总成布置简图： 图1 2 动力总成布置简图 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 ) 混合动力电动汽车动力总成控制系统的集成，以及各个控制器之间通过 c a n 总线连接的拓扑网络，并根据实际情况制定了基于j 1 9 3 9 的通讯协议。 2 ) 基于试验数据和理论分析的动力总成的混合建模方法，及其路况仿真分析。 8 硕士学位论文 3 ) 混合动力电动汽车的动力总成能源分配控制策略的制定方法，以及工程化 控制软件流程。 4 ) 混合动力电动汽车动力总成能源分配策略仿真及分析。 9 基于c a n 的h e v - c 能源分配控制系统研究与仿真 第2 章基于c a n 的h e v - c 控制网络及通信 2 1 总线简介 2 1 1 现场总线简介 现场总线( f i e l d b u s ) 2 5 1 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自 动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工 厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管 理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布 控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合 技术拉“，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点。并将导致自动 化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同 程度上迸行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设 备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络伫7 1 ，要求具有协议简单、容错能力强、 安全性好、成本低的特点；具有一定的时间确定性和较高的实时性要求：还具有 网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总 线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。可以说， 开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。 控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，简称c a n ) ，是目前国际上应用最 广泛的现场总线之一。 c a n 由德国b o s c h 公司最先提出，在8 0 年代末就应用于汽车上。当时由于 消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的， 这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂。提出c a n 总线的最初动机就是为了解 决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线，有利于 车载电子各控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。于是，设计了 一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1 9 9 3 年，c a n 已 发展了国际标准i s 0 1 1 8 9 8 和i s 0 1 1 5 1 9 ，分别适用于高速和低速应用场合。由于 c a n 总线具有很高的实时性能，因此，c a n 已经在汽车工业、航空工业、工业控 制、安全防护等领域中得到了广泛应用，比如发动机管理系统、变速器控制器、 仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。 1 0 硕士学位论文 2 1 2c a n 信息帧格式规范 c a n 协议【28 j 也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过， 其模型结构只有3 层，只取i s o 底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其 信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1 m b p s ，直接传输距离最远可达1 0 k m ， 挂接设备最多可达l l o 个。c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功 能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较 强的抗干扰能力。c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动 向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收发送数据。 它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节 点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。 表2 1 、表2 2 是c a n 信息帧的2 种格式。 表2 1 标准c a n 信息帧 起始位仲裁位控制域数据域校验域应答停 s o f 1 1 标识符 r t ri d e1 0d 1 c 8 字节数据1 6 位r c r 表2 2 扩展c a n 信息帧 仲裁位控制域数据域校验域应答停 s o fi i 位标识符i d e 1 8 位标识符 f t ri d ed l c 8 字节数据1 6 位f o r 如表2 i 、2 2 所示，一个有效的c a n 的数据是由帧起始、仲裁域、控制域、 数据域、校验域、应答域和帧停止组成。所谓的标准c a n 信息帧和扩展c a n 信 息帧的区别在于它们的仲裁域格式不同，标准帧的仲裁域由1 1 位标识符和远程发 送请求位r t r 组成，扩展帧的仲裁域由2 9 位标识符和替代远程请求s r r 位、标 志位和远程发送请求位r t r 组成。 2 2s a ej 1 9 3 9 2 2 1s a ej 1 9 3 9 基本知识 随着c a n 在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。1 9 9 1 年9 月飞利浦半导体器件( p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s ) 制定并发布了c a n 2 0 技术规 范( c a nv e r s i o n2 0 ) 。该技术包括a 和b 两部分。c a n 2 0a 给出了c a n 报文标 准格式，而c a n 2 0b 给出了标准的和扩展的两种格式。1 9 9 3 年1 1 月i s o 颁布了 道路交通运输工具一数据信息交换一高速通信局域网( c a n ) 国际标准i s o1 1 8 9 8 ， 为控制器局域网的标准化和规范化铺平了道路【29 1 。 s a ej 1 9 3 9 是美国汽车工程学会s a e 制定的货车和客车中控制器局域网的适 基于c a n 的h e v - c 能源分配控制系统研究与仿真 用标准。目前，s a ej 1 9 3 9 标准己成为世界上各大车辆部件制造商均支持的重要标 准，尤其在大客车、载货汽车、特种汽车和工程机械中得到广泛的应用。它具有 l o 个子标准3 们，如表2 3 所示： 表2 3s a ej 1 9 3 0 标准的组成 子标准号子标准名称子标准内容 s ej 1 9 3 9 车辆网络串行通信的给出标准的通信结构，概括介绍各子标准， 控制总标准在附录中列出参数组号( p g n ) 、源地址( s a ) 和故障诊断代码( d t c ) 的编码定义 s a e j 1 9 3 9 o l 路面设备控制和通信 区别本网络与其他c a n 应用网络的特征 网络子标准 s a ej 1 9 3 9 1 1 物理层子标准规定了本网络硬件符合c a n 2 0 b 标