（车辆工程专业论文）基于can总线的isad混合动力汽车整车控制模块的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 针对全球气候逐步恶化、城市大气污染加剧和石油资源过度消耗，许多国家都 在积极开发节能型和环保型汽车。而混合动力汽车成为当前解决节能、环保问题 切实可行的过渡方案。本文主要对i s a d 混合动力汽车整车控制模块进行了研究。 i s a d ( i n t e g r a w as t a r t e r a l t e r n a t o rd a m p e r ) 即一体化的起动发电机减振系统，它 取代了原来的飞轮协同发动机工作，以使发动机工作在高效的区域。该项目属于 轻度混合动力系统，其目的是在保证动力性要求的前提下能有效地降低油耗和改 善排放。 首先分析了该混合动力项目的整体控制要求以及整车控制模块、蓄电池管理 模块和电机模块之间的任务分配，其次在研究c a n 总线通信技术的基础上，依据 勖墟j 1 9 3 9 协议详细制定了这三个模块问的通信协议。然后分析和探讨了目前所选 用的整车控制策略，并在此基础上对控制策略进行了改进。随后重点介绍了整车 控制器的硬件设计和软件编制。为了验证硬件电路和软件编程是否正确，进行了 两种试验：1 ) 在室内用信号发生器等给控制器输入信号，考察模块间通信的正 确性2 ) 2 0 0 6 年9 月，在西安交通大学与兰州环电公司负责设计的电机控制模块 进行了通信试验。两种试验均获成功，初步验证了设计方案的正确性。 关键词：混合动力汽车，i s a d ，c a n 总线，整车控制模块 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ed e t e r i o r a t i o no ft h eg l o b a lc l i m a t ea n dt h ee x c e s s i v ec o n s u m eo ft h eo i l r e s o u r c e s d e v e l o p i n ge n e r g y - e f f i c i e n ta u t o m o b i l e sb e c o m e sa ni m p o r t a n td i r e c t i o ni n t h ea u t o m o b i l ei n d m t r y a n dt h eh e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ) b e c o m e sap r a c t i c a l m e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ep o l l u t i o na n dt h es c a r c i t yo fo i lr e s o u r c e s t h ef u l l v e h i c l ec o n t r o lm o d u l eo ft h ei s a dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei ss t u d i e dm a i n l yi nt h i s p a p e r t h ei s a di sad e v i c et h a ti n t e g r a t e st h es t a r t e ra n da l t e r n a t o ri nt h ei n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n e i tr e p l a c e st h ef l y w h e e la n dw o r i 瞄w i mt h ee n g i n et om a k et h e e n g i n en l ni nt h ee f f i c i e n tf i e l d t h i sp r o j e c tb e l o n g st ot h em i l dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s t h ei s a dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ec a nd e c r e a s et h ef u e lc o n s u m ea n dt h ea m o u n to ft h e c o n t a m i n a t i o n f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h et a s ko ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ea s s i g n m e n t a m o n gt h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，t h ef u l lv e h i c l ec o n t r o lm o d u l ea n dt h em o t o r m o d u l e a c c o r d i n gt o t h es a ej 1 9 3 9p r o t o c o l ，t h ec a nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li s d e s i g n e dt om a k et h et h r e em o d u l e sw o r kp e r f e c t l y t h ef u l lv e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g yi s d i s c u s s e da n dg o ta ni m p r o v e m e n t s ot h ec o n t r o ls t r a t e g yi se a s i e rt oc a r r yo u t t h e n t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei se x p l a i n e d t ot e s tt h ef u n c t i o no ft h ef u l l v e h i c l ec o n t r o l l e r , t w ok i n d so fe x p e r i m e n t sh a v e b e e nm a d e f i r s t ，s i g n a l sw e r eg i v e n t ot h ef u l lv e h i c l ec o n t r o l l e rw i t he q u i p m e n t ss u c ha ss i g n a lg e n e r a t o r s , s e n s o i s s w i t c h e s a n dt h er e s u l t so ft h ec o m m u n i c a t i o nw e r e a n a l y z e d s e c o n d ， c o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t sb e t w e e nt h ef u l lv e h i c l ec o n t r o lm o d u l ea n dt h em o t o r m o d u l eh a v e b e e nm a d ei ns e p t e m b e r , 2 0 0 6 t h er e s u l t so ft h et w ok i n d so f e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g ni sc o r r e c t k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ，i s a d ，c a nb u s ，t h ev e h i c l ec o n t r o lm o d u l e 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密邑 学位论文作者签名：刘责涛指导教师签名：智学长 沙1 年6 月_ 7 l i 伊7 年占月扩1 1 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘。彘涛 日期：z d d 7 年6 月7l i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 世界工业的发展和汽车保有量的增加使石油资源只益减少，据美国能源部门 估计，今后2 0 年内，世界石油还能供求平衡，但2 0 年后就要面临缺油的局面。 汽车污染物排放所引起的环境恶化、大气污染已成为人类面i t $ 的一个严峻课题。 能源和环境的压力使电动汽车迎来了发展的高潮。随着电子技术的成熟，已有多 种电动汽车产品投放市场，包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。续 驶里程短和充电时间长等问题使纯电动汽车的普及应用非常困难。燃料电池车目 前存在着成本、技术和氢能源基础设施等问题，其离产业化至少需要十至十五年 的时间。而混合动力车辆成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。 1 1 混合动力汽车的概述 混合动力汽车英文缩写为i - 砸v , 即h y b f i de l e c t r i cv e h i c l e s 。根据国际机电委员 会下属的电力机动车技术委员会的建议”1 ，混合动力电动汽车是指由两种或两种以 上的储能器、能源或转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。 根据这个通用定义，混合动力电动汽车有很多可能形式，例如汽油机和蓄电池混 合、柴油机和蓄电池混合、蓄电池和燃料电池混合、蓄电池和飞轮混合、蓄电池 和超大容量电容器混合等。但该定义容易混淆，不易为人们接受。目前，一般把 采用燃料电池和蓄电池作为动力的汽车称为燃料电池电动车，把采用蓄电池和电 容器作为动力的汽车称为超大容量电容器辅助动力电动车，而混合动力电动汽车 ( h e y ) 专指既有内燃机又有电动机驱动的车辆。 由上面定义可知，混合动力汽车是一种由内燃机和电动机混合驱动的汽车， 其主要特点是节能、环保。这种汽车在起步时用电动机驱动，消除了内燃机起步 时由于燃烧不充分而排黑烟的现象。在汽车减速或刹车时，电机作为发电机把动 能转化成电能储存到蓄电池中，实现能量回收，从而达到节能的目的。据有关数 据统计，混合动力汽车可节能4 0 。同时，由于内燃机工作在高效的区域，有害 气体的排放可减少9 0 左右，起到了环保的作用。混合动力电动汽车是介于内燃 机汽车和零排放纯电动汽车之问的一种形式，其成本比纯电动汽车低且技术上比 纯电动汽车容易实现。这也是它能够迅速实现产业化的重要因素。由于各国、各 1 江苏大学硕士学位论文 地区的排放法规同益严格，目前已有不少国家实际使用了混合动力电动汽车，一 些汽车公司己开始生产和销售这种车型。 1 2 混合动力汽车的分类 混合动力汽车有多种实现形式，早期的混合动力系统按照发动机与驱动轮是 否有直接的机械连接分为串联式、并联式和混联式三种。这种以机械连接方式对 混合动力系统进行分类的方法未能抓住混合动力系统的实质，有较大的局限性”1 。 更具逻辑性的分类方法是基于任务( m i s s i o n b a s e d ) 的分类方法，可将混合动力方式 分成三类，即轻度混合型( m i l dh y b r i dv e h i c l e s m h v ) ，功率混合型( p o w e rh y b r i d v e h i c l e s p h v ) 和能量混合型( e n e r g yh y b r i dv e h i c l e s e h v ) “1 。 1 2 1 轻度混合型( m h 轻度混合动力汽车以发动机为主要动力输出装置，电动机为辅助动力装置。 电动机给发动机提供助力，不能单独驱动车轮。轻度混合型选用较小功率的驱动 电机，该电机提供的助力范围有限，因此所需要电池的能量密度也较低。在所有 的混合动力方式中，轻度混合型是最廉价的，它对现有内燃机汽车改造的成本最 低，当然也只能适当地提高燃油经济性和改善排放。 本田i n s i g h t 混合动力汽车属于轻度混合型，图1 1 为本田i n s i g h t 的动力系统 示意图，它包括一台作为主动力源的1 0 l 稀薄燃烧汽油机( 空燃比为2 6 ：1 ) 和作为 辅助动力源的1 0 k w 一体化起动发电机( i s a ) “1 。i s a 采用了抗热性强的永磁体 和薄型线圈，超薄型电机的厚度仅为6 0 m m 。i s a 直接安装在内燃机曲轴输出端， 取代了内燃机的飞轮与内燃机合成，这成为i n s i g h t 最具特色的集成式电机助力系 统( i n t e g r a t e d m o t o r a s s i s t i m a ) 。i s a 能实现怠速自动停机和自动起动功能，加 速时提供辅助动力，减速或制动时作为发电机实现能量回收。i n s i g h t 为给i s a 提 供电能采用了1 4 4 v 镍氢电池组( 2 0 个封装，每个封装包括6 个镍氧电池，每个 电池的输出电压为1 2 v ) 。 2 0 0 0 年2 月，戴姆勒克莱斯勒公司在华盛顿的困家博物馆推出了其轻度混合 型概念车d o d g ee s x 3 ，其驱动电机为直流永磁无刷电机，连续功率为3 k w ，峰值 功率为1 5 k w ，由1 5 0 v 锂离子电池组供电“1 。福特低储能型混合动力概念车p r o d i g y 也同样属于轻度混合方式，与本田i n s i g h t 相同，p r o d i g y 也采用了i s a 取代内燃机 2 江苏大学硕士学位论文 飞轮的方法，该电机输出的连续功率为3 k w ，峰值功率为2 5 k w ，由2 8 8 v 镍氢电 池组供电。 图1 1 本田i n s i g h t 动力系统简图 在轻度混合动力汽车中，驱动电机的加入并没有改动后续传动系统，而只需 要对内燃机进行改造就可以了，因此比较容易在传统内燃机汽车上实现。而且轻 度混合方式混合程度小，电机功率低( 连续功率在1 0 k w 以内) ，尤其适合在轿车上 实现。如果采用较高的车载电池供电电压，电动机的助力范围可扩大，能够进一 步提高燃油经济性。 1 2 2 功率混合型( p w v 3 功率混合型所采用的驱动电机的功率比轻度混合型的大，虽然电池的能量仍 然较低，但电池组提供的电功率却高得多( 2 0 4 0 k w ) ，制造成本也比轻度混合方 式高。与轻度混合方式相比，功率混合方式在改善燃油经济性和排放方面的潜力 更大。 日本丰田公司的p r i u s 是世界上第一个进行批量生产的混合动力汽车品牌，它 采用的混合动力系统( t o y o t ah y b f i ds y s t e m - t h s ) 就属于功率混合型。图1 2 为 t h s 动力系统简图，它包括一台4 3 k w 的汽油机和一台3 3 k w 的永磁电机。驱动 电机由2 8 8 v 镍氢电池供电。汽油机和驱动电机通过动力分配机构( p o w e rs p l i t d e v i c e ) 和减速齿轮( r e d u c t i o ng e a r s ) 形成了两路能量通道，一路足内燃机通过动 力分配机构驱动车轮的机械动力通道，另一路是发电机和电动机通过动力分配机 构驱动车轮的电力通道。p r i u s 的动力性达到了同类汽油机汽车的水平，而百公里 燃油油耗只是同类汽车的一半，尾气排放平均只有日本运输省严格规定值的1 1 0 左右旧。 3 江苏大学硕士学位论文 图1 2 丰田p r i u s 动力系统结构简图 美国通用p r e c e p t 混合动力汽车也属于功率混合型。p r e c e p t 达到了非常好的燃 油经济性，采用的是双轴能量再生式并联混合动力系统。前轮由一台2 5 k w 三相 电动机驱动，后轮则由一台4 4 k w 压燃直喷式柴油机驱动，同时一台l o k w 的i s a 与柴油机安装在一起。两台电机由3 5 0 v 镍氢电池供电，在柴油机起动和汽车最大 加速情况下提供动力。由于前后轮处都有电机，因此在汽车减速或制动期间， p r e c e p t 能最大限度地吸收四个车轮处的动能，大大提高了能量利用率，这相当于 在城市高速公路综合工况下额外提供了1 3 m i l e g a l l o n 的燃油经济性。 1 2 3 麓量混合型( e h y ) 能蕈混合型的混合程度是这三种方式中最高的，它要求车载电池具有较大的 功率和较高的能量，而轻度混合型和功率混合型中电池的能量部是比较低的。由 于驱动电机是能量混合型汽车的主要原动力，因此需要车载电池能提供足够的电 能( 最高至7 0 k w ) 独立驱动汽车行驶约7 0 m i l e s ( 据统计，美国私人轿车每天平均 的行驶垦程为3 5 m i l e s ，达到或者超过7 0 m i l e s 的概率为1 0 ) ，这点与电动汽车 非常相像。汽车在高速公路行驶时，主要由内燃机驱动( 内燃机处于商效率区) 以 增加续驶咀程。与轻度混合型和功率混合型相比，能量混合型可明显改善燃油消 耗和尾气排放，但能鼍混合型的制造成本要高得多，这主要是因为高能量电池组 的成本较i 自i 。由于大功率电机以及高能最电池组在轿车上的布置鄙十分困难，因 此这类方式更适合于大中型客车。 图1 3 为只本丰田c o a s t e r 混合动力汽车动力传动系统示意图。c o a s t e r 使用的 是中型客车底盘，选用7 0 k w 的交流感应电机作为驱动电机，采用了总藿达5 0 0 k g 的铅酸电池组，为能量混合型混合动力系统”1 。 4 江苏大学硕士学位论文 图1 3 丰田c o a s t e r 混合动力传动系统示意图 图1 4 传统汽车的起动机和发电机的布置形式 图1 5 带式i s a 布置形式 5 江苏大学硕士学位论文 图1 6 直接装在曲轴输出端的i s a d 系统 1 3i s a d 混合动力汽车概述 i s a d ( i n t e g r a t e ds t a r t e r a l t e r n a t o rd a m p e r ) 即一体化起动发电机减振系统， 也称为一体化电机。它取代了飞轮协同发动机工作。i s a d 混合动力汽车属于上述 的轻度混合动力汽车，当汽车起动或需要助力时，一体化电机作为电动机使用， 由车载电池提供电能输出动力；当汽车制动或滑行时，它作为发电机使用，给车 载电池充电进行能量回收。目前大部分车辆上的起动机和发电机是分开的，如图 1 4 所示。 一体化电机( i s a ) 目前有两种布置形式9 1 ，一种是皮带驱动式i s a ，其结构 形式如图1 5 所示，以丰田的t h s m 为代表。还有一种是i s a 直接安装在内燃 机曲轴输出端，取代了原有的飞轮，其结构形式如图1 6 所示。目前大部分i s a 属 于图1 6 示的这种结构形式，本文探讨的也是这种结构形式的i s a 。 1 4i s a d 轻度混合动力汽车研究的意义 i s a d 混合动力汽车与传统车辆相比，主要有以下优势”“”“： 1 、降低油耗。起动时，一体化电机作为电动机在短时间内( 通常为0 1 _ 0 2 秒) 将内燃机拖至怠速，然后内燃机开始做功，这样可改善柴油机的起动性能。当汽 车临时停车时，可以关闭发动机，由一体化电机束实现怠速功能；当汽车爬坡或 6 江苏大学硕士学位论文 加速时，一体化电机提供助力，使发动机工作在高效区域，油耗可降低1 0 1 5 。 2 、减少污染物排放。当起动、爬坡或加速时，一体化电机作为电动机提供助 力，使发动机工作在较理想的区域，降低油耗的同时可改善排放，污染物排放可 减少1 0 左右。 3 、能量利用率高。减速或制动时， 能转化成电能向车载动力电池系统充电， 高能量利用率。 一体化电机作为发电机运行，将部分动 同时产生制动力矩，实现能量回收，提 虽然i s a d 轻度混合动力汽车在降低油耗和改善排放方面的能力比功率混合型 或能量混合型汽车低，但由于此类型混合动力对传统车辆的改装容易实现，成本 较低且能有效的降低油耗、减少污染物排放，因而成为国内外很多公司、高校研 究和开发的热点。 1 5 l s a d 混合动力汽车研究的现状 上世纪9 0 年代以来，国外很多知名汽车公司都投入巨资开发电动汽车和混合 动力汽车。新世纪初，在国家“8 6 3 ”计划的推动下，中国汽车制造企业和科研机构 在混合动力汽车方面也取得了很大的发展。下面对各国在i s a 型轻度混合动力汽 车方面的研究和发展现状作一个概括介绍。 1 9 9 9 年1 1 月，本田开始在日本推出i s a 型轻度混合动力汽车i n s i g h t “。此后， 本田共推出了3 款混合动力产品。2 0 0 1 年1 2 月， c i v i ch y b r i d 开始在日本市场 销售。2 0 0 4 年1 2 月，a c c o r dh y b 耐开始在北美销售。 2 0 0 0 年2 月，戴克公司在华盛顿的国家博物馆推出了其轻度混合型概念车 d o d g ee s x 3 “1 。e s x 3 采用先进的共轨式柴油高压供油系统、变截面涡轮增压系统 和多气门顶置双凸轮轴的直喷式柴油机，并采用铝合金结构降低重量，达到了很 好的燃油经济性。 2 0 0 1 年，法国c o n t i 公司和雷诺车辆工业部( r ) 共同研制出i s a d 汽车起 动机系统”1 。该系统首先在雷诺p r e m i u m 牌载货汽车上进行应用试验。 2 0 0 1 年，v a l c o 和r i c a r d o 公司开始联合开发i - m o g e n ( i n t e l l i g e n tm o t o r g e n e r a t o r ) 系统，该i s a d 系统将用于轻度柴油混合动力汽车。他们的预期目标是 燃油消耗降低3 0 ，排放达到欧标准。 7 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 2 年，美国德尔福( d e l p h i ) 汽车公司宣布其正在开发输出功率为5 千瓦 级的“e n e r g e n 5 ”和输出功率为1 0 千瓦级的 e n e r g e n l 0 ”两种电气系统，以便用于采 用4 2 v 电气系统的汽车。其中的e n e r g e n 5 采用的就是i s a d 系统。 2 0 0 4 年5 月，配备大陆( c o n t i n e n t ) 公司开发的i s a d 系统的c h e v r o l e t s i l v e r a d o 首次在北美投放市场，其燃油经济性可提高1 5 。 2 0 0 5 年，梅赛德斯一奔驰( m e r c e d e s - b e n z ) 在法兰克福国际汽车展( i a a ) 上 推出d i r e c tm m r i d 和b 1 i 舾虻h y b r i d 两款首创性概念车。这两款车也 是在传动系上集成i s a d 的轻度混合动力车，这两种驱动系统极具燃油经济性，并 能达到全球最严苛的废气排放标准。 2 0 0 6 年1 月，奇瑞汽车有限公司承担的“i s g 混合动力轿车用汽油发动机研 发”和“b - i s g 轿车关键技术与核心零部件研发”两个项目顺利通过验收“1 。奇瑞 i s g 动力系统由1 3 l 汽油机、5 速手动变速器、1 0 k w 电机和1 4 4 v 镍氢电池组成。 电机采用永磁同步电机并带有电机控制系统、逆变器以及d c d c 转换器。最高稳 定车速， 1 8 0 k m h ，0 1 0 0 k m 加速时间1 1 。3 s ，加速行驶时车外最大噪声 1 8 0 k m h ， o l o o k m 加速时间1 2 8 s ，在城郊综合工况下油耗为6 3i _ j l o o k m ，排放达到欧 标准。 长安汽车公司联合清华大学、北京理工大学、重庆大学等高校和科研单位共 同承担“i s g 混合动力长安轿车整车项目”。目前，该项目也已通过国家级验收。 其油耗己降低3 0 ，排放已达欧i i i 标准。样车最大时速呵达1 6 0 k m h ，整车成本的 增加有效地控制在3 0 以内，加速性能与同档次的汽车相当，续驶瞿程大于5 0 0 k i n ， 最大爬坡度可达2 5 。 吉利华普海尚m a ( 海尚3 0 5 ) 在第7 届上海工业博览会上登场。该乍采用发动 机曲轴i s g 方案，优点是结构紧凑、可靠性高、成本低，可节省燃料2 0 左右。 1 6 本文研究的主要内容 本课题足江苏省工业高技术研究资助项目，编号足g 2 0 0 4 0 1 6 ，由江苏大学汽 8 江苏大学硕士学位论文 车与交通工程学院，无锡柴油机厂和兰州环电共同完成。我院负责蓄电池管理模 块、整车控制模块的研发，其余机械部分、电机控制部分分别由无锡柴油机厂和 兰州环电完成。 本文在上届研究生研究成果的基础上主要做了以下工作： 1 、参照s a ej 1 9 3 9 协议制定了模块问的c a n 通信协议。 2 、改进了整车控制模块的硬件设计，重新设计了p c b 电路板，并对新设计的 电路板进行调试，使功能能到达要求。 3 、完善整车控制策略，用汇编语言重新编写了软件。 4 、对设计的整车控制器，分别在实验室和西安交通大学进行调试及c a n 通 信试验，并获得成功。 9 江苏大学硕士学位论丈 第二章i s a d 混合动力汽车模块的划分 该项目主要内容为：对c a 6 d f 2 d 1 9 柴油机进行i s a d 改装，设计控制系统 实现对电机的控制，然后把改装后的动力系统应用到大客车上。因此设计内容主 要包括一体化电机设计、蓄电池选型设计和控制系统软硬件设计。该混合动力项 目控制系统的总体设计思路：根据驾驶员的驾驶意图、行车环境和蓄电池荷电状 态，让电机作出相应的反应，以提高汽车的动力性能，降低油耗和改善排放。 驾驶员意图可以根据采集到的油门、油门微分、车速和开关量等信号来判断， 蓄电池荷电状态可以根据蓄电池的端电压、电流和温度等确定，电机根据制定的 控制策略进入起动、助力、发电或空转的状态。依据模块化设计思想，把系统划 分成电池管理模块、整车控制模块和电机模块。而各个模块日j 的协调工作通过c a n 总线的通信实现。三个模块的连接示意图如图2 1 所示。 2 1 整车控制模块 图2 1 模块连接示意图 整车控制模块差要负责采集油门位置、发动机转速、车速、油门微分、温度 等整车和发动机信号，判断驾驶员的意图和行车状态，接收蓄电池管理模块发送 的剩余电量信息，确定电机要运行的状态并向电机模块发出相应的指令，使发动 机工作在一个较理想的区域。这个模块的设计是本文研究的主要内容，在以后章 节进行详细论述。 江苏大学硕士学位论文 2 2 蓄电池管理模块 当一体化电机作为电动机提供助力时，蓄电池给电动机提供电能；当一体化 电机作为发电机时，发电机给蓄电池充电，实现能量回收。因此蓄电池能否正常、 安全的工作对该混合动力的正常运行有重要影响。 该管理系统具体任务如下： 1 、实时采集电池的端电压、温度及放电电流，计算剩余电量，以此作为整车 控制策略的重要依据之一n 2 1 。 2 、维持s o c 在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池造成的损伤，提 高电池组寿命。 3 、蓄电池管理系统配备的自动均衡功能可有效补偿电池的不一致性，有效降低 由电池不一致性造成的电池寿命缩短。 2 2 1 蓄电池的类型及容量 混合动力系统中，蓄电池作为辅助动力源要有比能量高、比功率大、循环寿 命长、充放电效率高、安全、易保养等要求。目前，可用于混合动力汽车的蓄电 池主要有以下几种：镍镉电池( n i c k e l c a d m i u mb a t t e r y ，n i c d ) 、镍氢电池 ( n i c k e l m e t a lh y d r i d eb a t t e r y ，n i - m h ) 、锂离子电池( l i t h i u m - i o nb a t t e r y ) 和铅 酸电池( l e a d - a c i d b a t t e r y ) 。这几种电池的性能比较如表2 1 所示“蚰”。 综合比较这几种电池的比能量、比功率和成本等因素，本课题选用铅酸蓄电 池作为i s a d 混合动力车的辅助动力源。铅酸蓄电池是较为成熟的电池，它具有可 靠性高，价格低等优点“。新研制开发的胶体电池、阀控电池等铅酸电池在比能 量、比功率、快速充电性能等方面均比普通铅酸电池有较大的提高，在各国都有 较多的应用i “】。 该混合动力项目选用的一体化电机作为电动机使用时，功率为1 0 k w 。一体化 电机作为电动机时靠蓄电池提供电能，因此电池的功率应该满足电机的需要。 本课题选用三组镇江金快乐电池有限公司生产的6 - d m - 8 0 铅酸蓄电池，具体 参数为： 单组电压：1 2 v 额定容量：8 0 a - h 1 1 江苏大学硕士学位论文 质量： 2 7 k g 长宽高( m m ) ：2 6 0 x 1 7 0 x 2 2 2 比功率： 1 3 0 w k g 此时串联电压为1 2 x 3 = 3 6 v ，与电机的电压匹配。 表2 1 各种蓄电池性能的比较 电池种类 住磁 铅酸电池镍镉电池镍氧电池锂离子电池 单格( 颗) 电池 2 0l2 1 23 6 电压( v ) 比能鞋( w h k g )3 0 - 4 05 57 5 8 0 1 2 5 比功率( w k g ) 1 0 0 - 1 5 01 7 01 6 0 - 一2 3 0l o o - 1 5 0 止电极 p b 0 2 镍氧化合物镍氧化合物锂钻氧化物 负电极 最 镉储氢化合物碳索 成本低 成本低高电压 高电压 适用温度范围广循环使用寿命长高能最密度 优点瞬间放电率高 充电时间短 充电时问短循环使用寿命长 适用温度范围广 充电时间短 无记忆效能 含镉重金属成本高成本高 能量密度低 记忆效应明显 温度特性差自放电率商 缺点长时间放电会 自放电率每月记忆效应明显毒性有机电解 电极极化 约2 5 白放电率商质易挥发 2 2 2 蓄电池荷电状态( s o c ) 2 2 2 1s o c 的概念 蓄电池荷电状态是描述蓄电池状态的一个重要参数，也是本文整车控制策略 的一个重要参数，这哩对其概念进行简单讲解。 蓄电池荷电状态( s t a t eo f c h a r g e ) 即为所剩电量与电池总容量的比，通常把一 定温度下蓄电池充电到不能再吸收电量时的电量状态定义为$ 0 c = 1 0 0 ，而将蓄 电池再也不能放出电量时的电黾状态定义为s d c = 0 。对于蓄电池， s o c - q c q ， ( 2 1 ) 江苏大学硕士学位论文 跏= 卜j 取i d ti i ) “ 亿4 ， lj 式中：i 为蓄电池的放电电流，单位为a ；c 。为蓄电池的额定容量值，单位为a l l ： c 。一c r k + 届r 。+ y 圪+ 占月+ c o n s t ( 2 6 ) c 一( c ic z c 。ic ) 7 x = 隧雯刘 江苏大学硕士学位论文 则c = x a 当n 苍时，a - ( z 7 x ) - 1 x 7 c ( 2 7 ) 其中c 是1 1 个实测的s o c 值，从而可求出口，6 ，c o n s t 的值，将这螳常数 存储到计算机的存储器里，计算机不断采集蓄电池的端电压、放电电流或充电电 流，计算出内阻，然后就可以实时计算出s o c 的值。 蓄电池管理系统的软硬件设计，这里就不再讲述，详情请参阅文献资料叫。 2 3 电机模块 电机模块包括一体化电机及其控制器，该模块由兰州环电公司负责设计，以 下对该模块的功能及所选用的电机特性作简单介绍。 2 3 1 一体化电机的设计要求 该电机转轴与发动机输出轴固结在一起，这两个动力输出装置协调工作来完 成整车的动力输出。一体化电机的设计有以下几个方面的要求。“”1 ； 1 、功率要求 起动发动机时，一体化电机必须输出最大扭矩以尽快拖动发动机至稳定转速， 特别是在低温时，起动将变得尤为困难。一方面因为这时出现的摩擦力矩最大， 另一方面因为蓄电池在低温条件下限制了有效功率。 2 、机械限制 一体化电机直接布置在曲轴上，因此对其在车内的安装空问上有限制，对一 体化电机运动部分的最大许用外径和最小许用内经都有严格的限制。甚至对电子 控制单元( e c u ) 也有安装体积上的限制。再生制动时，一体化电机作为发电机 运行，典璎的再生制动功率为1 5 2 0 k w 。 3 、特殊边界条件 在汽车整个寿命期内，一体化电机系统必须保持其功效性。为了获得相应的 认证，必须按照i c e 6 8 进行一系列的试验。这些试验对一体化电机的要求极高， 一体化电机必须能够无妨害地吸收发动机和传动装置的振动，甚至在高达 1 4 0 0 0 r m i n 的转速情况下出现的离心力也必须得到机械控制。一体化电机绕组必须 能够承受1 8 0 的持续高温和高达2 0 0 的最大商温，而且必须进行高温老化试验。 1 4 江苏大学硕士学位论文 一体化电机必须能耐大量的化学制品，这一要求涉及到全部电机部件，特别是绕 组的绝缘部分。此外，还必须证明其耐金属粉末性，这些金属粉末会导致机械磨 损和损害绕组。 表2 2 三种电机性能的比较 电机类碴优点 缺点 结构简单，坚吲耐_ j ，成本低廉，运行可靠，低 驱动电路复杂，成本高；相 感应电机转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极对永磁电机而言，异步电机 限高感应电机矢量控制调速技术比较成熟。效率和功率密度偏低。 较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，尤 对冷却系统要求相对较高， 无刷永磁其是内置式永磁同步电机，具有结构灵活，设计 对控制器的处理能力要求 同步电机自由度大，有望得到高性能，适合用于混合动力 较高。 汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。 开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构噪卢和振动比一般的电动 开关磁阻紧凑、牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简机大，且出线较多；使用位 电机单，成本低，性能可靠，在宽广的转速范围内效置传感器，增加了结构复杂 率都比较高。性，降低了可靠性。 针对以上设计要求，目前可用于i s a d 混合动力系统上的一体化电机有感应电 机、无刷永磁同步电机和开关磁阻电机。这三种电机的特点如表2 2 所示。 根据以上各种电机性能的比较，结合国内目前电机厂的生产技术条件，选择 永磁同步电机作为一体化电机。 n 一体化电机采用了外环式高效永磁正弦波同步电机，定子组体通过后油封端 盖固定在气缸体后端面处，由1 6 块永磁体组成的转子组体，安装在在发动机飞轮 端面处安装的转子铁芯上。 2 3 2 一体化电机的电气参数 1 、作为电动机运行时，其主要参数为： 工作性质：1 6 级永磁同步电机弱磁控制； 工作效率：8 5 ： 工作电压：3 6v d c ： 额定电流：3 0 0 a ； 额定转速：8 0 0r m i n ； 江苏大学硕士学位论文 额定功率：1 0 k w 。 2 、作为发电机运行时，其主要参数为： 发电时输出有4 2 v d c 和2 8 v d c 两种电压； 工作效率：7 5 ： 输出功率：5k w ； 工作性质：独立绕组； 最高转速：2 5 0 0r r a i n 。 2 4 本章小结 本章首先分析了该混合动力项目的整体任务要求，然后分析了蓄电池管理模 块、整车控制模块和电机模块的功能，并对蓄电池管理模块及电机模块做了简单 的讲述。 江苏大学硕士学位论文 第三章模块闻c a n 通信协议的制定 i s a d 控制系统划分为整车控制模块、蓄电池管理模块和电机控制模块。要想 使整个系统能够正常工作，各个模块间必须协调工作，而这就需要各个模块间进 行信息传输。三个模块间的通信就形成了一个简单的网络。网络的各个功能部件 间要实现数据传输就需要种总线通信协议。目前已有多种现场总线应用到汽车 上，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 活性，因此c a n 总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的， 世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时 捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等都采用了c a n 总线来实现 汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。因此，本文也采用c a n 总 线来实现各个模块间的通信。 3 1c a n 总线 3 1 1c a n 总线简介 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e r o ) 控制器局域网是德国b o s c h 公司为解决现代 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能有效的支持分布式 控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线范畴”。目前，c a n 在机械工业、 轨道车辆、航海船只和医疗器械等领域都有广泛的应用1 。在汽车领域c a n 是应 用最为广泛的总线。 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f 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 技术规范( v e r s i o n 2 o ) 。该技术 规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，而2 0 b 给出了标准的 和扩展的两种格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具一数 据信息交换一高速通信控制器局域网( 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、规范化铺平了道路。 相对于点对点的线束控制方法而占，c a n 控制系统强调集成模块化工作方式， 可以非常有效地构成各种分布式实时测控系统，并且具有很高的灵活性和可靠性 1 。同时，各模块能够比较独立的工作，避免了各模块自j 的相互干预。c a n 总线 1 7 江苏大学硕士学位论文 中的通信节点可以是控制器、智能传感器或者是智能执行单元。该技术已经广泛 应用在汽车通信系统中。比如上海大众推出的p o l o 轿车上，整车仅用六个通信 节点就代替了繁杂的线束，轻松实现了全车数据共享。 c a n 总线具有以下主要特点”“1 ： 1 、多主机工作方式，网络点不分主从。 2 、报文帧分为不同的优先级，可满足报文帧的不同实时性要求。 3 、采用非破坏性仲裁技术，总线仲裁既不破坏报文帧也不损失时间。 4 、可方便的实现一对一、一对多及全局广播等多种报文帧传送方式。 5 、通信距离最远1 0 k i n ( 5 k b p s 以下) ，通信速率最大1 m b p s ( 4 0 m 以下) 。 6 、总线节点数主要取决于驱动电路，目前可达1 1 0 个。标准报文帧标识符 1 1 位，扩展报文帧标识符2 9 位，报文帧数目几乎不受限制。 7 、报文帧采用短帧结构，传输时问短，受干扰概率低，出错率低。 8 、报文帧具有c r c 校验及其它检错措施，检错效果好。 9 、通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤等，选择灵活。 1 0 、发生严重错误的c a n 节点可自动关闭脱离总线，不影响其它节点的正常 通信。 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作 性好、灵活性高和价格低廉等特点。 3 1 2c a n 的工作原理 当c a n 总线上的一个节点( 站) 发送数据时，它以报文形式广播给网络中所 有节点。对每个节点来说，无论数据是否发送给自己的，都对其进彳亍验收。每组 报文开头的1 l 位标识符( 扩展帧格式为2 9 位) 定义了报文的优先级。在同一系 统中，标识符是唯一的不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站 同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。 当一个站要向其他站发送数据时，该站的c p u 将要发送的数据和自己的标识 符传送给本站的c a n 控制器，并处于准备状态。当它收到总线分配时，转为发送 报文状态。c a n 控制器根据通信协议组成一定的报文格式发出，这时网上的其它 站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这螳报 文是否是发给自己的，以确定是否接收它。 江苏大学硕士学位论文 帧起始 应答场 图3 1c a n 数据帧 除仲裁场和控制场外，标准格式和扩展格式的c a n 报文帧格式相同。帧起始 为一个单独的显性位，它标志着远程帧和数据帧的开始。 c a n 标准格式帧和扩展格式帧中仲裁场和控制场的结构有所不同，如图3 2 所示。标准帧格式中标识符为1 l 位，r t r ( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 位为显 性，i d e ( i d e n t i f i e re x t e n s i o nb i t ) 位和r o 位为显性。扩展帧格式中标识符为2 9 位， 扩展帧格式中r t r 位被s r r ( s u b s t i t u t e r e m o t e r e q u e s t b i t ) 位代替，且为隐性，i d e