（控制理论与控制工程专业论文）混合电动汽车能量总成控制系统的研究.pdf

gss 0 i c o n t r o ls y s t e m f o rh y b r i de l e c t r o n i cv e h i c l e x i a y a n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 1 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gy a o n a n m a r c h ，2 0 0 5 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： 咯 如日 日期：z 卵广年午月二日 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 、保密团，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名 导师签名 ， h _ ；：- 气 j j i 、 ：， j_1；i，_1，_-i 目录 摘要i a b s t r a c t 】 i 第1 章绪论1 1 1 论文研究背景1 1 2 混合电动汽车的发展现状2 1 2 1 国外研究情况2 1 2 2 国内研究情况2 1 3 与其他新型汽车的比较3 1 3 1 几种新型汽车3 1 3 2 新型汽车比较3 1 4 本文的主要研究工作和创新4 1 5 本论文的结构5 第2 章混合电动汽车的动力系统选型分析7 2 1 动力系统选型在混合电动汽车开发中的重要性7 2 2 混合电动汽车动力系统的分类7 2 2 1 串联型混合电动汽车动力系统8 2 2 2 并联型混合电动汽车动力系统9 2 2 3 混联型混合电动汽车动力系统1 l 2 3 选型策略1 3 2 3 1 影响选型的因素1 3 2 3 2 选型分析1 3 2 4 小结1 5 第3 章混合电动汽车能量总成控制系统的软硬件设计16 3 1 系统总体设计1 6 3 1 1 系统需求分析1 6 3 1 2 能量总成控制器功能分析1 7 3 i 3 功能模块划分1 7 3 1 4c p u 选型1 7 3 1 5 系统开发配置2 0 3 2 系统硬件设计2 l 3 2 1 硬件总体框图2 1 3 2 4i o 模块2 3 3 2 5 a d 转换器2 4 3 3 系统软件设计2 5 3 3 1 系统资源分配2 5 3 3 2 主程序流程2 6 3 3 3 初始化程序2 7 3 3 4i o 模块2 7 3 3 5 a d 采样模块2 8 3 3 6c a p 捕获2 8 3 3 7d a 输出2 9 3 3 8c a n 通信模块2 9 3 3 9 定时器模块3 l 3 3 1 0 车辆行进控制3 1 3 3 1 1 系统配套软件设计3 l 3 4 并联混合电动汽车中c a n 网络设计3 3 3 4 1c a n 总线技术3 4 3 4 2 混合电动汽车的c a n 网络设计3 5 3 4 3c a n 分析技术4 0 3 4 4 汽车c a n 总线技术的展望：4 1 3 5 小结4 l 第4 章基于模糊控制策略的h e v 动态性能研究4 2 4 1 控制目标4 2 4 2 效率图4 2 4 3 能量管理控制思想4 3 4 4 能量管理器的控制状态4 3 4 5 模糊逻辑控制器( f u z z yc o n t r o l l e r ) 4 5 4 5 1 模糊控制基础4 5 4 5 2 模糊逻辑应用于并联混合动力车中的优点4 5 4 5 3 并联混合动力车中的模糊逻辑策略4 5 4 6 前进控制4 8 4 6 1 车辆前进起步4 8 4 6 2 车辆中低速行驶4 8 4 6 3 车辆急加速工况4 8 4 9 5 0 5 2 4 1 0 空档控制5 2 4 1 l 动力的切换5 2 4 1 2 离合器和节气门的控制5 2 4 1 3 仿真试验5 3 4 1 3 1 整车模型的建立5 4 4 1 3 2 主要部件模型的计算原理及数据输入5 4 4 1 3 3 接口程序5 8 4 1 3 4 仿真结果5 8 4 1 4 实际路试结果一6 3 4 1 4 1 动力性能比较6 3 4 1 4 2 最高车速比较6 4 4 1 4 3 油耗比较6 4 4 1 4 4 试验结果分析6 5 4 1 5 小结6 5 第5 章能量总成智能控制系统软件平台的设计6 6 5 1 软件平台介绍6 6 5 1 1 软件平台概念简介6 6 5 1 2 软件平台的优势6 6 5 2 能量总成智能控制系统软件平台构架6 7 5 2 1 需求分析6 7 5 2 2 软件结构总体设计6 7 5 2 3 模块功能分析6 7 5 3 用户设计软件6 9 5 3 1 用户界面6 9 5 3 2 输入输出的配置7 0 5 3 3 通信模块的配置7 1 5 3 4 控制算法模块的配置7 2 5 4 底层软件设计。7 3 5 4 1 嵌入式系统的定义7 3 5 4 2 嵌入式系统的技术特点7 4 5 4 3 嵌入式系统开发要素的选择分析7 5 5 4 4 实时操作系统7 7 -_-_-_-_1lllllll 5 5 5 5 5 5 6 5 5 5 5 5 小 结论8 6 参考文献8 8 致谢9 2 附录a ( 攻读硕士学位期间发表论文目录) 9 3 附录b ( c f a 6 4 7 0 h e v 检验报告) 9 4 附录c ( 能量总成控制器) 9 8 附录d ( c f a 6 4 7 0 混合电动汽车) 9 9 4 4 4 5 5 5 8 8 8 8 8 8 4旨 一 一 一警 一 一 畏 i i f r_， 一 一 一障断 一 _ 一 一故诊 一 统 一 一及障 一 系 一 一线故 一 库 一 一曲及 一 据集 一势施 一 数采 一趋措 一 时据析立急 一 实数分建应卜 候蛾玢罐啦鼽 和关键技术，特别是 控制策略的优化问题和软件平台的设计。本文主要研究基于c a n 网络的分路式 并联型混合动力电动汽车的动态运行和能量总成控制器的开发。采用模糊控制等 智能控制方法，对混合动力电动汽车这个复杂的控制对象进行控制，以实现最优 的控制策略达到预期的控制目标。 论文首先简要地介绍了研究背景及混合动力电动汽车的发展现状，对几种新 型汽车进行比较，综合各自的优缺点得出结论。对其动力系统选型进行了分析， 作出了适合当前情况且有发展潜力的车型设计。其次，论文对能量总成控制系统 的设计做了详细论述，进行了能量总成控制系统的功能需求分析，根据功能进行 了模块划分。详细设计了能量总成控制系统的硬件原理图和软件流程，并进行了 整车的c a n 网络详细设计。论文重点对基于模糊控制策略h e v ( h y b r i de l e c t r i c a l v e h i c l e ) 动态性能进行研究，论述了能源管理控制器的能量管理策略，该控制策 略将实现能量在发动机、电机之间的合理而有效分配、使整车系统效率达到最高， 获得整车最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能。最后，论文针对 现有的能源总成控制系统只适用某一特定车型的问题，进行了能量总成智能控制 系统软件平台的设计。根据已有的控制设计思想来设计和实现系统平台软件。增 强软件的可移植性、可扩张性和可复用性，使能源总成控制系统不只针对某一特 定车型，可方便的扩展到其它车型和其它控制场合。 本论文的创新主要体现在两个方面，一是控制策略上的创新，将发动机也纳 入了控制，使能量总成控制器能完全控制车辆上的动力部件，实现真正的能量最 优分配；二是对能量总成控制器在实现方式上做了较大的突破，过去能量总成控 制器只针对某一特定车型，本论文设计了能量总成智能控制系统软件平台，使其 可方便的扩展到其它车型和其它控制场合。 关键词：混合电动汽车；四轮驱动；能量总成控制器；c a n 网络；模糊控制策 略；动态性能；能量总成智能控制系统软件平台 r u n n i n gb a s e do nt h ec a nn e t w o r ki sd e v e l o p e df o rp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e s a f u z z y l o g i c b a s e de n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yi su s e dt oo p t i m i z et h eo p e r a t i o n a l e f f i c i e n c yo ft h eh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e sf o rt h ea n t i c i p a t o r yc o n t r o lt a r g e t f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sb r i e f l yb a c k g r o u n do fr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n t s i t u a t i o no fh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e s t h r o u g hc o m p a r i n gw i t haf e wk i n d so ff r e s h t y p ev e h i c l e s ，t h er e s u l ti st oc o m ei n t ob e i n ga f t e rs y n t h e s i z i n gt h ef e a t u r e i nt h e t h e s i s ，w ea s s a yt h ec h o i c eo fm o t i o ns y s t e ma n dd e s i g nt h ev e h i c l e s e c o n d ，t h i s p a p e rg i v e st od e s i g na n da s s a yt h e f u n c t i o nr e q u i r e m e n tf o re n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e mo nd e t a i l w ed e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h ee n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e ma n dd e s i g nt h ec a n n e t w o r kf o rv e h i c l e t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fh y b r i d e l e c t r i c a lv e h i c l eb a s e do nf u z z yl o g i ce n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yi st h ee m p h a s i si n t h i sp a p e r t h i ss t r a t e g yi su s e dt oo p t i m i z et h eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c yb e t w e e nt h e e n g i n ea n dm o t o ra n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fw h o l es y s t e ma n do p t i m i z et h ef u e l e c o n o m ya n dt h ee m i s s i o n s f i n a l l y ，b e c a u s en o wt h ee n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l l e r i ss u i t a b l ef o rs p e c i a lv e h i c l eo n l y ，w ed e s i g nt h es o f t w a r ep l a t f o r mo fe n e r g y m a n a g e m e n ta c c o r d i n gt oe x i s t i n gc o n t r o lm e t h o d o l o g y i nt h i sw a y ，t h es o f t w a r ec a n b et r a n s p l a n t e d ，e n l a r g e da n du s e dr e p e a t e d l yf o ro t h e r sv e h i c l ea n dc o n t r o lo c c a s i o n t h e r ea r et w oi n n o v a t i o np o i n t s o n ei st h ei n n o v a t i o nm e t h o d o l o g yo fc o n t r o l s t r a t e g y t h r o u g hc o n t r o lt h ee n g i n e ，t h ee n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l l e rc a nc o n t r o l t h ee n e r g yu n i ti nt h ev e h i c l ee n t i r e l ya n da c h i e v et h ee n e r g yo p t i m i z ei n d e e d t h e o t h e ro n ei st h em e t h o do fa c h i e v e m e n tf o rt h ee n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l l e r f o r m e r l y ，t h ee n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l l e ri s s u i t a b l ef o rs p e c i a lv e h i c l eo n l y i n t h i sp a p e r ，a ne n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ms o f t w a r et h a tc a nb et r a n s p l a n t e d ，e n l a r g e d a n du s e dr e p e a t e d l yf o ro t h e r sv e h i c l ea n dc o n t r o lo c c a s i o ni sd e v e l o p e d k e y w o r d s ：h y b r i d e l e c t r i c a l v e h i c l e ， f o u r - w h e e l d r i v i n g ，e n e r g y m a n a g e m e n tc o n t r o l l e r , c a nn e t w o r k ，f u z z y - l o g i c - b a s e ds t r a t e g y ，d y n a m i c p e r f o r m a n c e ，s o f t w a r ep l a t f o r mo fe n e r g ym a n a g e m e n ti n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 i i - 硕士学位论文 第1 章绪论 本文整个研究工作是紧密围绕湖南省“十五科技计划重大专项混合动力 电动轻型越野车攻关项目( 项目计划编号：0 2 g k y l 0 0 3 ) 展开的。论文重点研究 了能量总成控制器的设计和关键技术，特别是控制策略的优化问题和软件平台的 设计。本章介绍了项目背景和关于此项研究的国内外情况，阐述了混合动力电动 汽车与其他新型汽车的比较，最后介绍了本论文的结构。 1 1 论文研究背景 1 8 8 5 年德国奔驰汽车公司将一台小型汽油机装在一辆三轮车上，从此燃油汽 车在1 0 0 多年时间内取得了飞速的发展，汽车工业已成为世界经济和各国经济发 展的支柱产业，汽车不仅在经济上造福于人类，而且也给人们带来了全新的汽车 文化【l 】。当人类跨入2 l 世纪时，随着人类环保意识的提高，燃油汽车也给人们带 来了难题： 1 、汽车排放污染物对环境的影响 人们早期并不重视汽车的排放物，从1 9 4 3 年美国洛杉基上空出现光化学烟雾， 经过科学工作者近2 0 年的研究得出的结论，这种光化学烟云主要是燃油汽车排放 物引起的。从此汽车尾气被世界各国公认为重大的公害之一，这才引起人们的忧 虑。汽车排放物主要包括c o 、n o x 、c 0 2 、h c 、s 0 2 等，据统计，美国国内大气 中由燃油汽车排放的c o 、h c 、n o x 、s 0 2 占大气中c o 、h c 、n o x 、s 0 2 总量的 6 6 、4 8 、4 3 和2 ，而美国加州地区更为严重，上述排放总量中由汽车排 放的比例分别达到9 0 、5 5 、7 8 、1 0 。随着汽车保有量的逐年增加，汽车 排放控制已成为社会焦点。如美国1 9 9 0 年在加州制定的汽车尾气排放法规，要求 从1 9 9 8 年开始，在销售的汽车总量中要有2 无尾气排放污染的汽车，即所谓零 排放汽车( i e v ) 。2 0 0 3 年零排放汽车要到达l o ，燃油汽车面临着严重的挑战【2 j 。 2 、有限的石油资源 以燃油机为动力的汽车，消耗掉的燃料1 0 0 是以石油为原料的制成品；据估 算，每辆汽车要消耗1 0 , - - - - 2 0 桶石油的制成品。1 9 8 8 年的统计，全世界的汽车保 有量为5 3 7 亿辆，每年仍以5 的速度增加，每年汽车的石油消耗量保持在5 0 - 5 5 亿桶的水平上。据预测，地球上已探明的石油储量在5 0 年内即将耗尽。因此， 寻找新的汽车动力源成为发展汽车的又一新课题。 所以，燃油汽车面临新的革命。另一方面，中国的传统汽车产业一直落后于 混合电动汽车能量总成控制系统的研究 外国。现阶段，中国的汽车产业基本上是基于外国技术的。而新型环保车辆的研 究给中国汽车行业立足于世界汽车行业提供了新的契机。中国必须关注于这项被 称为2 1 世纪科技研究之重的产业，争取在老产业的新领域里有自己的一席之地， 在行业重新洗牌之际争取主动。因此，对混合动力电动汽车的研究是完全必要和 紧急的。 、 1 2 混合电动汽车的发展现状 1 2 1 国外研究情况 a ) 丰田p r i u s 混合动力电动汽车b ) 通用p r e c e p t 混合动力电动汽车 图1 1 两款混合动力电动汽车 目前，世界各大厂商都对混合动力电动汽车的研究都相当投入，纷纷把混合 动力电动汽车作为首要研究对象。日本丰田公司开发的p r i u s ( 如图1 1 a 所示) 【4 】【5 】 和本田公司开发的i n s i g h t 两种混合动力车已开始小批量投放市场。为适应美国市 场的需求，丰田公司已推出第2 代p r i u s ，2 0 0 0 年1 1 月底前已售出5 万辆，整体 性能更加优良，成为各国所提倡的环保车辆的首选。丰田公司计划到2 0 0 5 年年产 混合动力电动汽车3 0 万辆。本田i n s i g h t 在美国市场上2 0 0 1 年也已售出3 5 0 0 辆， 供不应求。日产公司也于2 0 0 1 年推出t i n o 混合动力车，在日本国内市场上销售 了1 0 0 多辆。 除日本的汽车公司以外，美国能源部也对混合动力电动汽车技术投入了大量 的人力物力【1 】【3 】。美国能源部与美国的三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了混合动力电 动汽车的开发合同。其中，通用汽车公司投入1 4 8 亿美元，福特投入1 3 8 亿美 元，克莱斯勒投入8 4 8 0 万美元，启动了下一代汽车合作伙伴( p n g v ) 项目。各 大汽车公司都推出了自己的混合动力电动汽车概念车，例如通用的p r e c e p t ( 如图 1 1 b 所示) 、福特的e s c a p e 、克莱斯勒的道奇d u r a n g o 等。 在欧洲，各大汽车厂商也争先恐后地推出本公司研制的h e v ，法国p s a 集团 先后推出贝灵格型和x s a r a 型混合动力电动汽车。 1 2 2 国内研究情况 由于在传统汽车工业领域中国已经落后于其他发达国家，因此在汽车领域出 车研究中占有一席之地。 “八五”时期，国家科委就把“电动汽车技术研究”归为国家攻关项目。由清华 大学带队研制出了七辆：1 6 座电动轻型客车。“九五”期间，东风汽车公司承担并完 成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设计”的整车研制工作。科技部已经 将电动汽车产业化列为“十五”国家8 6 3 重大科技攻关项目。国家已经计划投入1 0 多亿来支持电动汽车的前瞻式研究。并要求实现混合动力电动汽车的批量生产 【6 】- 【8 】 o 在近些年的研究中，我国在电池、电机和电控系统等方面都取得了一定的成 果。 1 3 与其他新型汽车的比较 1 3 1 几种新型汽车 纯电动汽车e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) ：纯电动汽车就是纯粹采用电能来驱动的汽 车。用电动机取代发动机，用化学电池来提供能源给电机。纯电动汽车由于消耗 电能，实现了零尾气排放，是真正的绿色环保汽车。 燃料电池车f c v ( f u e lc e l lv e h i c l e ) ：所谓燃料电池汽车就是指将燃料的化学 能直接转化为电能，然后通过电机驱动的汽车【9 1 。燃料电池有多种类别，最有望 用于电动汽车的是质子交换膜燃料电池。其工作原理是：将氢送到负极，经催化剂 作用，氢原子中的电子被分离出来，在正极吸引下，在外电路形成电流，失去电 子的氢离子可穿过质子交换膜( 电解质) 在正极与氧及电子结合为水，氧可从空气 中获得。只要不断供给氢气和带走水，燃料电池就可不断供给电能。 混合动力电动汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ：混合动力电动汽车是一种 准环保型的车辆。它是一种将多种能源混合使用的车辆。而通常所说的混合动力 电动汽车是指将发动机和电机混合使用的汽车。通过控制发动机和电机的能量分 配和流动，实现减少油耗和排放的最终目的。在这种情况下，汽车使用的最终能 源仍然是汽油。但由于采用了优化控制，使发动机一直工作在高效区内，从而实 现了环保的目的。 以上三种新型汽车在新兴的环保汽车中由于其可实施性逐步成为主流的研究 对象【3 1 们。他们都以节能和环保为主要设计思想和设计目标，但又各有各的优点， 在控制思想、技术难度和可实施性上都有所不同。 1 3 2 新型汽车比较 混合动力电动汽车与纯电动汽车相比：纯电动汽车由于全部采用电力驱动， 因此对动力电池的要求很高，而现在蓄电池的技术发展有限，电池多容量小，体 混合电动汽车能量总成控制系统的研究 积大，充电时间长，不足以满足远距离行驶和装车的需要。而且，大规模使用 必然需要重新建立充电站等配套措施，所以目前纯电动汽车的发展受到了一定的 局限。混合动力电动汽车在排放方面不及纯电动汽车，但综合分析，混合动力电 动汽车具有明显的优点。与纯电动汽车相比：混合动力电动汽车降低了对电池能 量密度和容量的需求，减轻了电池部分的质量，有利于提高汽车的质量利用系数； 辅助动力的应用使动力性、续驶里程以及成员的舒适性都得到保证；另外，其无 需建设充电设施，易于推广应用。 混合动力电动汽车与燃料电池车相比：由于燃料电池是将化学能直接转化为 电能，其效率可高达6 0 以上，并且余热回收，效率可达8 0 ，其转换效率为内 燃机的2 3 倍。它本身不排放有害物质，仅生成清洁的水。早年靠高压储氢瓶供 给压缩氢气或液化氢气，或用储氢合金储存氢气。因储氢量不多，所以行程有限。 近年开发了从甲醇或汽油经重整器不断供给氢气【l 。但是，燃料电池技术的安全 性和价格都有待进一步改善。 由上面的分析可知，对新型汽车的产业化实现而言，混合动力电动汽车是最 有前景和可能性的。混合动力电动汽车不需要另建配套设施，使用和普通燃油汽 车一样，并且其对电池容量的要求不高，所以是最容易实现产业化、最容易为大 家所接受的一种新型汽车。 1 4 本文的主要研究工作和创新 本论文主要是完成湖南省科技厅“十五”科技计划重大专项混合动力轻型 越野车攻关项目。 本文研究的是分路式并联型混合动力电动汽车，属于国内首创。它最大程度 的降低了硬件成本，为成功实现产业化奠定了基础。本文主要研究基于c a n 网 络的分路式并联型混合动力电动汽车的动态运行和能量总成控制器的开发。采用 模糊控制等智能控制方法，对混合动力电动汽车这个复杂的控制对象进行控制， 以实现最优的控制策略达到预期的控制目标。用先进的c r u i s e 仿真软件建立混合 动力电动汽车模型，并对控制策略进行仿真分析。 采用先进的d s p 技术，比一般的处理器要稳定快速。在能源总成控制器的软 件开发方面，采用嵌入式实时操作系统，开发出能量总成智能控制系统软件平台， 作为软件开发的通用平台，提高软件开发效率，缩短软件研发周期，并使能源总 成控制系统不只针对某一特定车型，可方便的扩展到其它车型和其它控制场合。 本文研究的智能控制系统是基于c a n 现场总线的，多主的总线结构从很大程 度上提高了控制系统的实时性和整车系统的抗干扰能力，实现了整车各单元的全 数字控制，稳定可靠，灵活性好。 硕士学位论文 研究紧密结合湖南省“十五”科技攻关实际课题，完成完整的混合动力电动汽 车的设计、调试和试制。 论文的创新点： 1 采用先进的并联式混合动力驱动方式，通过高难度算法控制来实现并联式 驱动，而避免采用算法简单却成本很高的串联驱动方式。 2 在混合动力模式下，系统根据司机的不同需求，智能调节电机和发动机的 工作状态，实现能量控制的最优化。 3 系统在刹车时进行制动能量回收，大幅节约能源，减少电耗和油耗。 4 本系统在中低速、怠速时采用纯电动驱动方式，去掉尾气最为严重的环节， 大大减少汽车尾气排放量。 5 采用了基于c a n 总线的控制方式，多主的总线结构从很大程度上提高控 制系统的实时性和整车系统的抗干扰能力，实现整车各单元的全数字控制。 6 系统基于d s p 和嵌入式实时操作系统，最大程度上实现控制的实时性和 准确性。 7 在能源总成控制系统软件的基础上开发能量总成智能控制系统软件平台， 增强了软件的移植性和扩张性。 1 5 本论文的结构 本文的结构安排如下： 第一章：绪论。在这一章中，简要地介绍了论文的研究背景及混合动力电动 汽车的发展现状，对几种新型汽车进行比较，综合各自的优缺点得出结论。 第二章：混合动力电动汽车的动力系统选型分析。这一章中详细讨论了混合 动力电动汽车的动力系统选型的重要性和结构分类。阐述了混合电动汽车动力系 统选型的影响因素和原则，根据实际项目的可行性，作出了适合当前情况且有发 展潜力的车型设计。 第三章：能量总成控制系统的设计。在这一章中，进行了能量总成控制系统 的功能需求分析，根据功能进行了模块划分。详细设计了能量总成控制系统的硬 件原理图和软件流程，并进行了整车的c a n 网络详细设计。 第四章：基于模糊控制策略h e v 动态性能研究。这一章中，主要介绍能源管 理控制器的能量管理策略，该控制策略将实现能量在发动机、电机之间的合理而 有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性、最低的排放以 及平稳的驾驶性能。 第五章：能量总成智能控制系统软件平台的设计。这一章中，根据前面提出 的控制设计思想来设计和实现系统平台软件。增强软件的可移植性、可扩张性和 混合电动汽车能量总成控制系统的研究 可复用性，使能源总成控制系统不只针对某一特定车型，可方便的扩展到其它车 型和其它控制场合。 第2 章混合电动汽车的动力系统选型分析 2 1 动力系统选型在混合电动汽车开发中的重要性 动力系统选型在h e v 的开发中处于重要地位。h e v 与传统汽车及e v 最大的 差别是它们的动力系统，动力系统是h e v 开发工作的一个核心和难点。不同的 h e v 差别最大的地方也是动力系统，h e v 正是根据动力系统的结构进行类型划 分的。动力系统的结构决定着部件的数量、种类以及系统的控制策略；动力系统 结构上的差异导致不同h e v 的适用条件和使用要求各不相同；同样，开发工作 的难度也相差很大。可以说，动力系统结构型式的选择决定了h e v 研究开发的 重点和方向，关系着开发的进度和产品的水平，是h e v 开发中首要的和关键的 一步。因此，研究开发时必须在深入调研、仔细分析和权衡利弊的基础上，对动 力系统的结构类型作出慎重的选择。 2 2 混合电动汽车动力系统的分类 混合动力电动汽车的定义有很多种，其中国际电子技术委员会( i n t e r n a t i o n a l e 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 ) 对混合动力电动汽车的定义为：“在特定工作 条件下，可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动 能量的汽车。其中至少一种存储器或转化器要安装在汽车上。混合动力电动汽车 ( h e v ) 至少一种存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。 混合动力表示 有多种动力参与汽车驱动，一般指的是燃油发动机和电机这两种动力。本文所说 的混合动力电动汽车( h e v ) 均指这种混合燃油发动机和电机两种动力来驱动的 海幸1 1 2 1 2 0 1 i 、i 十0 混合电动汽车开发的实质是通过部件工况的改善和效率的提高来实现整个系 统性能的优化，是基于系统结构概念上的创新，所以混合电动汽车被认为是体现 系统最优化思想的杰作。根据部件的种类、数量和连接关系可以将混合电动汽车 的动力系统分为3 种基本结构类型：串联型、并联型和混联型。其中，动力输出 功率通过电力形式进行复合的称为串联型混合动力电动汽车( s e r i a lh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) ：动力输出功率通过机械方式进行复合的称为并联型混和 动力汽车( 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 ，p h e v ) ；而以上两种复合方式都有的 称为混联型混合动力电动汽车( c o m b i n e dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，c h e v ) 。这几 种不同类型的动力系统各有各的特点和能量流动方式。同样，各种不同类型的混 混合电动汽车能量总成控制系统的研究 合动力电动汽车的控制难度和成本也同样有所区别。要获得更好的控制结果， 常需要付出更多的成本。 2 2 1 串联型混合电动汽车动力系统 2 2 1 1 串联型动力系统结构 串联式动力系统的结构型式较为单一，典型结构如图2 1 所示。其中所用的原 动机一般为高效内燃机、燃气轮机或者斯特林发动机。辅助动力单元由原动机和 发电机组成，两者可做成一体，发电机发出的电通过控制器输送到电池或电动机， 由电动机通过变速机构进行动力输出。 为了在汽车启动、加速时能提供更大的功率，有些串联型结构中还使用了飞 轮电池、超级电容等功率密度较大的储能装置，他们在能量回收时也发挥重要作 用【l ”。发动机只用来发电，发电机负责提供电能给电动机，只有电动机用以直接 驱动汽车。同时，发电机发出的部分电能存储到蓄电池里，在有需求的时候，蓄 电池也同时给电动机供电来实现更大的功率输出。从总体结构上来看，串联型混 合动力电动汽车易于控制，更接近电动汽车。 图2 1 串联型动力系统框图 2 2 1 2 串联型动力系统的特点 采用该种动力系统由于原动机与外界负载没有直接联系，可以在最佳工况点 附近工作，因此可以实现高效率和低排放。当汽车的功率需求较小时，发动机燃 烧燃料提供能量给发电机发电，发电机将电量提供给电动机用以驱动车辆，多余 的能量则通过给电池充电存储起来；当汽车的功率需求较大时，不仅发动机通过 发电机给电动机提供能量，而且电池也给电动机提供能量来驱动。这样可以实现 比仅有同样发动机的传统车辆更好的动力性能；制动时电动机充当发电机使用， 将回收能量储存在电池中。可以看出，串联式的结构和工作原理都比较简单。 串联型混合动力电动汽车特别适合于城市工况。因为城市工况中经常有频繁 的起步、停车、加速和低速工况，这些工况对发动机而言都属于效率很低、排放 很差的工况，而串联式混合动力电动汽车可以在整个过程中保证发动机工作于最 佳工况点，避免了发动机的频繁的启停。发动机保持稳定、高效、低污染的运行 硕士学位论文 状态，将有害气体的排放控制在最低的范围内【1 6 】，因此，串联型混合动力电动汽 车的排放很好，成功实现了低排放输出。其次，串联型混合动力电动汽车的结构 和工作原理都比较简单，控制系统的设计也相对要简单一些。有很好的动力性能， 是最接近电动汽车的混合动力电动汽车。 串联式在降低排放方面的效果显著，但其燃油经济性还有待提高。这是因为 虽然原动机的工况得到改善，但是经过发电机、控制器和电动机这几级功率递减， 整个动力系统效率很难提高。另外，串联型驱动系统由三大部件组成，各部件功 率较大、外形较大、质量也较大，因此安装布置有很大的难度。 综合上述特点，可得出结论：串联型动力系统比较适用于中大型汽车上，特 别是城市公交车。丰田的c o s t e r 、日产的s h e v 和雷诺的e s c a p e 都是串联型混合 动力电动汽车的成功范例【l2 1 ，其结构值得借鉴。 2 2 2 并联型混合电动汽车动力系统 2 2 2 1 并联型动力系统的结构 并联式结构的实质是在传统汽车中加装一套电力驱动装置，其驱动系统主要 由发动机、电机和变速箱等组成。发动机和电机都可以独立驱动汽车，是两套相 互独立又相互关联的驱动系统。因此，并联型混合动力电动汽车的驱动模式更加 灵活，可以适用于更广的范围，特别适用于一些比较复杂的工况。 由于电机的数量和种类的不同、变速装置类型的多样、离合器的使用数量以 及电机与离合器的位置不同的差别，并联式结构具有明显的多样性。从复合模式 来分，可分为转矩复合型、转速复合型和牵引力复合型【l6 】；按结构分，可分为单 轴式、双轴式和分路式。下面主要讨论按结构划分的单轴式、双轴式和分路式混 合动力电动汽车动力系统。 1 单轴式并联型动力系统 图2 。2 单轴式并联型混合动力电动汽车驱动系统框图 单轴结构的并联型混合动力电动汽车的驱动机构结构如图2 2 所示。发动机通 过主传动轴与变速箱相连，电动机转矩则通过齿轮与内燃机的转矩在变速器前进 行复合，传到驱动轴上的功率是两者的和。单轴式结构的速度、转矩关系如下： 混合电动汽车能量总成控制系统的研究 瓦= ( 乙“唧 ( 2 1 ) 【= 刀。= 拧肺k 、7 式中，乏、乙、互分别为发动机、电动机和变速箱输入转矩。? 1 e 、刀册、? l s 分 别为发动机转速、电动机转速和变速箱输入轴转速。 2 双轴式并联型动力系统 双轴结构的并联型混合动力电动汽车的驱动机构结构如图2 3 所示。 图2 3 双轴式并联型混合动力电动汽车驱动系统框图 双轴式并联型驱动系统有两套机械的变速箱，分别用来与发动机和电机相连。 他们通过各自的变速箱之后，经齿轮系进行复合。因此，他们之间的转速比例关 系是可调的。 3 分路式并联型动力系统 分路结构的并联型混合动力电动汽车的驱动机构结构如图2 4 所示。 图2 4 分路式并联型混合动力电动汽车驱动系统框图 分路式结构的并联型驱动系统的发动机和电机各成一套动力系统，与双轴式 不同的是，它们各自驱动前轮或后轮，通过转速来复合。有的分路式并联型驱动 系统的电机直接驱动前轮或者后轮，没有单独的变速箱和离合器。 2 2 2 2 并联型动力系统的特点 并联型混合动力电动汽车动力系统结构的多样性就决定了其控制的灵活性。 在并联型动力系统中，发动机和电机是相互独立的，可自由控制他们的出力：在 低速小功率运行时何以关闭发动机，利用电动机进行驱动：在中高速平稳运行工 况时，可以只利用发动机进行驱动，此时发动机富余的功率还可以通过动力复合 装置和电机转换为电能，对电池进行充电；在高速运行或加速时，可以利用动力 复合装置对原动机和电动机的输出动力叠加。在市郊和城间运行时，