（机械电子工程专业论文）基于dsp的混合动力轿车动力总成控制器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 j 随着社会经济水平的提高，汽车的持有量将越来越大。面对日趋严重的资源短缺 和环境恶化问题，人们在不断的寻求制造低油耗和低排放的车辆。混合动力电动汽车 根据一定的控制策略匹配使用内燃机动力和电力进行驱动。从而既具有低排放的优点， 又能发挥传统内燃机汽车高比能量的长处，因此在电池技术瓶颈未被突破的情况下， 成为本世纪初世界各国汽车界的重要研究课题。寸笨文就混合动力汽车动力控制问题的 以下几个方面进行研究： 在介绍串联、并联和混联混合动力电动汽车各自特点的基础上，分析了混合动力 汽车内燃机单元、电机单元、电池组等能源单元的外部特性。在上述分析的基础上， 根据不同的动力总成方式，通过数学分析建立动力总成的特性模型，研究了混合动力 汽车动力总成控制策略及控制算法。 根据建立的多能源动力总成特性和多能源动力总成动态模型，以预先选定的燃油 经济性、排放、最小推力损耗和可接受的性能为控制目标，利用现在应用最为广泛的 混合电动汽车仿真软件a d v i s o r ，对并联式混合动力电动汽车进行整车仿真，对混合 动力电动汽车不同部件的匹配情况及多种模拟循环工况下的汽车性能进行分析比较。 针对混合动力电动汽车动力总成系统的特点及其运行规律，采用c a n 总线和d s p 处理器相结合的设计方法，完成了混合动力电动汽车动力总成控制器的硬件设计。同 时，根据整车控制系统的网络规范要求，制订了详细的网络通讯协议。( 在此基础上， 充分考虑混合动力汽车工作的环境特性要求，开发模块化、开放性的动、力总成系统控 制与管理软件，完成发动机单元、电机单元、电池单元以及换档单元的实时控制。 所开发的控制系统在奇瑞并联型混合动力电动汽车的运行结果表明该系统能够较 好的满足实际的需求。一j 关键字：混合动力电动汽车；动力总成系统，、数字信号处理器? c a n 总线，、能量管理 系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gc o n s u m p t i o no fv e h i c l e si nm o d e ms o c i e t ym a k e si ti n e v i t a b l et of a c e u pt o t h ee v e r - g r o w i n ge n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n ，w h i c hf u r t h e rh a v e d r i v e nr e c e n te f f o r t st or e s e a r c ho nv e h i c l e sw i t hm i n i m i z e dr u e lc o n s u m p t i o na n dp o l l u t i o n e m i s s i o n h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，w h i c h ，i nc o m p l i a n c ew i t hc e r t a i nc o n t r o ls t r a t e g y ， i sd r i v e n b yb o t h c o m b u s t i o ne n g i n ea n de l e c t r i cm o t o r , m a i n t a i n sa tt h es a m et i m e h i g h o c t a n e r a t eo ft h ef o r r n e ra n d1 0 wp o l l u t i o ne m i s s i o n so ft h e1 a t t e r w i t ht h e f a r - i n a d e q u a t ed e v e l o p m e n to f b a t t e r yt e c h n o l o g y , t h ee x p l o r i n g o f h e v s p a n s t h eg l o b ea sa k e yi s s u ei nt h ef i e l do f v e h i c l e s t h ep r e s e n tt h e s i sp u t sf o r w a r d sar a t h e rs y s t e m a t i cs t u d y o nh e v s p o w e r t r a i ns y s t e m c o n t r o l l e r t h et h e s i sb e g i n sw i t ha ni n t r o d u c t i o no ff e a t u r e so ft h r e ek i n d sh e v s ，s e r i a lh e v ， p a r a l l e lh e v a n dc o m p o s i t eh e v ，f o l l o w e db y a na n a l y s i so ft h ee x t e r n a lf e a t u r e so fh e v s e n e r g yu n i t s ，i n c l u d i n gg a su n i t ，m o t o ru n i t ，a n db a t t e r y u n i ta n de t c a l lt h e s ef u r t h e r p r o v i d eab a s ef o rt h ep r e s e n tw r i t e r s m a t h e m a t i c a lc o n s t r u c t i o no fp o w e r t r a i ns y s t e m m o d e l s w i t l lt a k i n ga c c o u n t so fd i f f e r e n tp o w e rd r i v i n gm e t h o d s e x p l o r a t i o n so nd i f f e r e n t c o n t r o ls t r a t e g i e so fh e v sp o w e r t r a i n ，t o g e t h e rw i t hs p e c i f i ca l g o r i t h m ，a r ea l s og i v e n i m p o r t a n c e a c c o r d i n gt o t h ee s t a b l i s h e dd y n a m i cm o d e lo fm u l t i p l ep o w e rs o u r c e s ，a n dw i t h p r e d o m i n a n ta i m sa tf u e le c o n o m y , l o wp o l l u t i o ne m i s s i o n ，s m a l l e s te n e r g ys p o i l a g e ，a n d r e c e i v a b l ep e r f o r m a n c e as i m u l a t i o ni s o p e r a t e df o rp a r a l l e lh e v t oe x a m i n ew h e t h e r d i f r e r e n tp a r t so f 髓vm a t c he a c ho t h e r ；a n dt oc o m p a r ev e h i c l ep e r f o r m a n c e si nd i f f e r e n t s i m u l a t i o nd r i v i n gc i r c l e s a c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e s ，t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r eo f t h ep o w e r t r a i ns y s t e mc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d ，g r o u n d e do nt h ej o i n ti m p l e m e n t a t i o no fb o t h c a nb u sa n dd sp a tt h es a n l et i m e ，ar a t h e rd e t a i l e dn e tp r o t o c o li s f l a m e dw h e n c o n c e r n i n gt h en e t w o r k sn o m i n a t i v er e q u i r e m e n t so ft h ew h o l ev e h i c l e s c o n t r o ls y s t e m t h e w r i t e r , t a k i n ga c c o u n t o ft h ew o r k i n gc o n d i t i o no fh e vs t i l lg i v e ss o m ei n f o r m a t i o no n h o wt od e v e l o po p e ns o f tw a r e sf o ri t sp o w e r s t r a i ns y s t e m sc o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，w h i c h f u r t h e rf a c i l i t a t et h ef u l f i l l m e n to f t h er e a lt i m ec o n t r o lo f m o t o ru n i t ，b a t t e r yu n i ta n d e t c f i n a l l y , t h es u c c e s s f u li m p l e m e n t i n ga n dp r o c e s s i n go f t h ep r e s e n tw r i t e r sd e s i g no n q i r e ip a r a l l e lh e v e n s u r e si t sc o n s i d e r a b l ep r o m i s ei na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，p o w e r t r a i ns y s t e m ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , c a n b u s ，e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m i i 华中科技大学硕士学位论文 = 一：= ：= = = ；= = = ；= ；= = = = = = = ；= = = = 1 1 本课题的来源 1 绪论 本课题基于d s p 的h e v 动力总成控制器的研究，来源于“上汽奇瑞混合动力 轿车动力总成控制器研究项目”。 1 2 本文研究的背景、意义和目的 目前，汽车消耗的能量约占世界能源总消耗的四分之一，其排放的尾气也是城市 空气的主要污染源。随着发展中国家经济水平的提高，汽车的总量将急剧增加，由此 引起的能源短缺与环境污染等问题就显得更加严重。面对日趋严重的资源短缺与环境 恶化问题，寻求社会、经济、环境与资源相互促进与协调的可持续发展模式正在成为 世界性议题。因此，全球许多国家都在替代燃料汽车、电动汽车和混合动力电动汽车 ( h y b r i a e l e c t r i cv e h i c l e s ，简称h e v ) 领域进行了大量的研究与开发工作，将清洁型交通 工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一个重要组成部分。电动汽车作为汽车工 业的重要组成部分正日益受到社会的广泛关注。 各国政府与汽车巨头之所以投入巨资开发电动汽车，其首要社会原因是能源问题。 目前发达国家交通运输的用油量超过总用油量的6 0 。石油资源是有限的，据估计，到 2 0 5 0 年，汽车的数量将由现在的7 千万辆增加到2 亿5 千万辆，如果这些汽车都采用 内燃机，石油资源的短缺将成为首要问题。而电动汽车有着广泛的能量来源，电能可 以从包括矿物、水力、核能、风力、太阳能、地热能、潮能及海浪能等这些丰富的原 始能源中产生，并且电动汽车( e v ) 的能效分别比天然气汽车( n g v ) 及汽油内燃汽车( i c e ) 高出1 5 和3 0 【2 1 。 第二个社会原因是环保问题。当前，空气的污染问题及温室效应正日益受到关注， 而空气中很大一部分污染来源于汽车行驶时排放的尾气，世界上很多城市已严格控制 汽车尾气的排放量，并鼓励大力推广电动汽车。据丰田公司测试的数据表明，混合动 力汽车与普通汽车相比，c o 。排放量大约降到后者的1 z ，c o 、- c 和n o 的排放量大约 降到后者的1 1 0 t “。 第三个社会原因是人们对汽车智能化的要求。近几十年来，科学技术的发展，特 别是电子技术和通信技术的长足进步，人们不断的将最新的信息和控制技术应用于汽 车工业之中，以实现汽车的智能化、信息化，利用防止撞击的智能驾驶系统和雷达系 华中科技大学硕士学位论文 统等来提高驾驶的安全性和方便性等，这些都使汽车驾驶变得更加舒适。电动汽车比 普通汽车更容易实现智能化，能更好的满足人们对智能化汽车的要求。 与传统汽车相比，电动汽车具有高性能、低能耗和低污染的特点以及技术、经济 和环境等方面的综合优势，代表了未来汽车发展的趋势，从而成为整个汽车领域关注 的焦点。与世界先进国家相比，我国发展混合动力电动汽车的必要性和紧迫性更加突 出。 从能源来看，目前由于世界石油资源逐渐枯竭，石油争夺战异常激烈，油价经常 大幅度波动，己影响国民经济的稳定发展。我国石油资源并不丰富，从1 9 9 4 年起已成 为石油纯进口国。节省石油消耗，改变能源消费结构已是关系到国家发展的重大战略 方针问题。面对经济发展、国民收入水平提高后，汽车大规模走入家庭后的燃料消费， 必需加紧开发混合动力电动汽车以大幅度提高燃料经济性。 从环保治理方面来看，我国机动车污染问题十分严重，尽管近年来国家制定了一 系列政策法规并开展清洁空气行动计划，但与世界先进国家的差距仍然较大。目前世 界十个严重污染的大城市排名中，我国即占7 个，这些都迫使我们不得不严肃考虑汽 车的污染问题。我国不能走先进国家汽车污染治理的老路，而应该通过跨越式发展， 直接进入电动汽车发展期，迅速改变我国的环保面貌【4 】。 从汽车产业的发展来看，我国在传统汽车技术上落后世界发达国家3 0 年，而电动 汽车技术的差距要小得多。推广混合动力电动汽车，一方面可充分利用传统汽车工业 现有的庞大生产规模和社会基础设施，另一方面又在一定程度上保障了传统内燃汽车 厂商的利益，促进他们加速开发电动汽车和改进电池、电机、控制系统的积极性。我 国将混合动力电动汽车作为汽车产业结构调整和跨越式发展的“切入点”，有利于我国 在激烈的国际竞争中确立自己的地位，在电动汽车特别是混合动力电动汽车的若干领 域形成适合中国市场特点的自主技术优势，与世界汽车工业同步发展。 另外，从发展时机来说，我国汽车工业已面临进入w t o 的关键时刻，所面临的国 际竞争态势十分严峻，急需通过体制创新、技术创新和产业结构调整提高生存和竞争 能力，为了防止决策失误造成的投资损失，现在不失时机地抓紧开发混合动力电动汽 车并实现产业化，其必要性不言自明。 由此可见，在目前这种迫切的形势下，开发电动汽车是解决当今汽车所造成的能 源与环境污染问题的最佳和最现实的办法，其对社会、经济可持续发展的意义十分巨 大。为此，本论文进行了以下方面的研究：通过对混合动力电动汽车多能源动力总成 的特性分析，建立其合理的动态模型，通过仿真研究，选择最优的能量管理和控制策 略，完成混合动力汽车动力总成控制器的硬件与软件设计工作。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = ；= = = ；= = 2 2 = = = = ；= = = ；= = = 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国外在电动汽车领域的发展状况1 5 1 6 】【7 】 上世纪9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合，并以混合动 力电动汽车为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组织各大汽车 公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿 与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国“新代汽车合作伙 伴计划”( 简称p n g v ) ，旨在开发新一代高效节能汽车。混合动力电动汽车计划也是 1 9 9 7 年底美国重新确定的p n g v 计划的4 个重点领域之一。美国先进项目局( a r p a ) 于1 9 9 3 年订立电动汽车( e v ) 和混合动力电动汽车( h e v ) 项目，出资2 5 0 0 万美元，与各 州、地方和私人投资合作研究e v 和h e v 技术。1 9 9 4 年a r p a 项目投资已增加到4 6 0 0 万美元。1 9 9 3 年和1 9 9 6 年，美国能源部分别与通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯 勒汽车公司签订了总额达3 6 1 亿美元的混合动力电动汽车系统开发子合同，随着 p n g v 计划的实施，美国三大汽车公司进行了一系列的整车技术开发和研制工作。 通用汽车公司同时致力于串联式混合动力汽车和并联式混合动力汽车的研制。在 1 9 9 8 年1 月的底特律北美国际汽车展上，通用汽车公司推出了e v l 型4 座混合动力电 动汽车。福特汽车公司开发出了福特p 2 0 0 0 型5 座并联式混合动力电动汽车，福特新 开发出的“优异2 0 1 0 ”概念车实验平台的性能已达到了p n g v 计划的部分目标，每加 仑汽油可行驶8 0 英里。克莱斯勒汽车公司于1 9 9 8 年1 月推出“道奇无畏e s x 2 ”串联 式混合动力电动汽车，预计2 0 0 3 年可投放市场。1 9 9 7 年由美国宇航局( n a s e ) l e w i s 中心、俄亥俄州政府和工业界、大学等9 个单位合作开发出了串联式电动喷气涡轮 混合动力大客车。 在第3 2 届东京汽车展上，日本各大汽车公司共推出6 款混合动力汽车，这说明日 本汽车界将重点从纯电动汽车转向混合动力汽车。1 9 9 5 年5 月日产公司开发出了可以 使续驶行程增加一倍的串联式混合动力型微型轿车。本田公司开发的j v x 型混合动力 电动汽车，其动力系统为1 公升3 缸直喷式发动机和电动机，还有一组超级电容以替 代通常使用的蓄电池系统。日野汽车制造公司也于1 9 9 7 年1 2 月1 8 日开发出了并联式 混合型系统的客车。日本富士重工则将研制微型( 6 6 0 c c ) 混合动力型汽车作为自己的主 攻目标，目前，该公司已经制造出了试验用车体，采用了两种电池双层电容器和 锰钾离子电池，其特色是依据不同的行驶状态，切换使用这两种电池；另外，该设计 又在车的顶棚装有太阳能吸收板，利用停车时间进行充电。三菱电机公司也开发出轻 型串联式混合动力电动卡车，采用两个a c 感应电机和1 8 升的发动机。丰母公司于 华中科技大学硕士学位论文 一：= = = j = = = ；= ；= = = = = = = = ；= ；= = = = = = ；= = = = = = = ；= = = 1 9 9 7 年1 2 月推向市场的p r i u s 型5 座混联式混合动力电动汽车，一面市就受到市场的 好评，致使丰田公司不得不改变原有生产计划，将原目标月产1 0 0 0 辆的计划改为月产 2 0 0 0 辆，据估计1 9 9 8 年在日本国内销售可达1 2 0 0 0 辆。p r i u s 混联式混合动力电动汽 车开拓了混合动力电动汽车技术与应用领域的新天地，创造性地首次采用了两套动力 系统混联的方式，采用高度精密的机械装置实现了动力系统的连接和能源的传递。另 外，p r i u s 混合动力电动汽车在成本控制方面也取得了令人振奋的进展。丰田的c o a s t 串联式混合动力电动客车也已进入商业化阶段。 欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制及推广方面的工作。法国雷 诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款混合动力电动汽车已在法国接受了1 0 0 0 0 k m 的 运行试验。并于1 9 9 8 年研制出电动( 汽油) 两用车，取名为n e x t ，样车已经向公众 展出。这种电动汽油两用车前部装有一台汽油发动机，两台7 k w 电动机装在两个后轮 上，当时速在4 0 k m h 以下时，由电动机驱动：达到4 0 k m h 以上时由汽油发动机驱动， 同时可为电瓶充电；若再加速，此时电瓶会提供辅助动力，最高时速可达1 6 9 k m h 。 瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃f l 6 型卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速 可达9 0 k m h 。德国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。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。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。 1 3 2 我国在电动汽车领域的发展动怼8 】 我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整 车研制，在此基础上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。清华大学在 混合动力电动汽车关键技术和系统及理论方面作了许多工作，1 9 9 5 年就开始这方面的 研究。到目前为止国内已有几个单位试制出了混合动力电动汽车的样车，如广州市电 车公司开发了混合动力公共汽车；华南理工大学与广东云山汽车厂也合作开发了一种 中巴混合动力汽车；我校也开发出串联型中巴混合动力汽车。但是从技术水平上看， 国内目前还处于探索的初级阶段，以上所开发的混合动力电动汽车都是串联式的，只 是在原有的电动汽车上简单地加载发动机和发电机机组，技术的集成度较低，缺乏高 度自动化的控制系统和能源管理系统，两种动力源只是简单结合，缺乏统协调，这 与真正意义上的混合动力电动汽车，与国外的先进技术水平相比还有很大距离。 4 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = ；= = = = = = = ；= = = = ；= = = = = = = 2 1 = = = = = = ；= ； 1 3 3 动力总成控制技术的发展现状与趋势 由于电动汽车是一种新型的节能、环保型交通工具，国内外都非常看好它的发展 前景，所以几乎所有发达国家都投入大量人力、物力进行整车或相关技术的研究开发， 并且申请了大量的专利。动力总成是整个电动汽车的重要部件，是电动汽车区别于普 通汽车的主要特征，也是电动汽车发挥节能、环保优势的技术关键所在，当然也就成 为研究的重点。就动力总成控制器的结构而言，其发展主要经历了两代归j 。 第一代为集中式控制系统，如图1 1 所示。用一台计算机采集电动汽车所有的输 入信号，通过处理、计算，然后输出控制信号。这种控制方式有明显的局限性：由于 汽车控制中要采集及控制的信号种类繁多，导致整个系统线路复杂程度高，可靠性差， 而且一旦系统软硬件设计完成，难以进步扩展，目前这种控制方法已逐渐遭到淘汰。 图1 1 集中式计算机控制系统 第二代为分布式控制系统，如图1 2 所示。这种方式是根据汽车的布局，在相对 输入输出比较集中的某一部位，用高性能单片机组成个相对独立的模块，完成这一 部位的信号采集和控制，各个模块之间通过现场总线进行数据交换，再用一台性价比 较高的计算机通过总线与各个模块连接。这种方式的优点非常明显：其一就是系统的 连线大大减少，因为输入输出点与各个模块的距离较近，模块之间用现场总线相连； 其二就是结构简化、可靠性大大提高，抗干扰性能强：其三，系统具有通用、开放和 图l _ 2 分布式计算机控制系统 5 华中科技大学硕士学位论文 ii - w = ：= = = = = = = = = = = = = ；= = = = ；= = = = = 可扩展性。所以，这种分布式结构在当前电动汽车控制系统中得到了广泛的应用。 h i t a c hc o r p o r a t i o n 的t a i z om i y a z a k i 和r y o s om a s a k i 研制出一整套基于 c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 的h e v 动力总成控制系统，由三大控制模块组成：( 1 ) 基 于h i t a c hs h 7 0 5 1 微处理芯片的发动机控制器；( 2 ) 基于h i t a c hs h 7 0 4 2 微处理芯片的 电机控制器；( 3 ) 合成控制器。通过数据采集卡，合成控制器收集整个动力系统的各 种数据，计算得出最优化的动力驱动方案并产生控制信号，利用c a n 把这些控制信号 实时发送到发动机控制器和电机控制器，发动机控制器和电机控制器驱动汽车运动， 从而提高能源利用率i i 。 日本的k i y o m o t ok a w a k a m i ，y u k ok a k i z a k l 等人研制出新型的电动汽车电机能耗 测量装置，传统的检测装置只实用于5 0 6 0 h z 的a c 电路，而且测量周期在o 5 s 左右， 而电动汽车中由于电机使用p w m ( 脉宽调制) 技术，电路中电流的频率在0 0 l 6 0 0 h z 中变化，为了测量电路中能量的动态消耗，通过放大和积分电路对检测出的数据进行 放大和积分处理，然后通过r s 2 3 2 c 接口把这些数据传输到计算机中，计算机对这些 数据进行计算处理，这样可以测量出1 0 m s 内电路中电量的消耗，并且准确率可达1 】。 新加坡的g u i j u ny a o ，p h i l i ps mc h i n 研制出基于i n t e l8 0 c 1 9 6 微处理芯片的数字 监控装置，电池从饱和容量下降为零时电压会有o 3 v 的变化，所以电量每下降1 ，电 压会下降0 0 0 3 v ，装置利用可编程电路实时测量出电池组中每个电池单元的电压和电 流值，以此来判断电池的s o c ，决定充电与否。为了指示剩余电量可行驶的路程，把最 新的每公里电池消耗量k w k m 保存到装置的存储器中，再根据电池的s o c 来决定汽 车的剩余行驶路程。此装置同时可监控充电电路中的最大电压和电流，防止电池过充 或是过放，并通过显示屏显示测量出的各种数据【l 列。 k i a 汽车公司的c h u n k ok i m 等人提出以燃油经济性为目标的优化控制策略【i “。该 方法将电池输出功率转化为等效的燃油量，建立了基于有效燃油消耗率的优化模型， 以发动机燃油消耗量最小为目标函数，得到随车速、电池组s o c 和所需功率而变化的 控制量( c v t 速比、电动机转矩、发动机节气门) 。这种控制策略的实质就是将发动机和 电机控制在最佳效率区工作，从而达到最佳的燃油经济性。这种方法可以用于汽车的 实时控制，但没有考虑汽车驾驶循环工况的影响及发动机排放问题。 美国k l b u l t e r 等人提出了另一种基于速度的控制策略。汽车在低速行驶时，也 是由电机单独驱动车轮：但当车速高于所设定的车速时，则采用了混合驱动。此时， 发动机保持在一个恒定的节气门开度运行，而由电机提供车轮所需的动态功率。通过 提高发动机启动的设定车速并保持蓄电池组的s o c 在驾驶循环前后不变，可以减少发 动机工作的时间。这种控制策略有利于减少汽车的排放，但电机及蓄电池组的功率较 大，增加了整车自重和成本 1 4 1 。 国内对混合动力汽车动力总成控制的研究还处于起步阶段，国防科技大学开发出 6 华中科技大学硕士学位论文 的“导弹发射车动力总成计算机检测”实时多通道数据采集和处理、监测系统，其主 要任务是利用计算机对导弹发射战车动力总成系统进行各项技术指标的测试考核，完 成对2 6 路参数( 电量、非电量) 的实时采集、处理、监视、记录、打印试验报告、绘制、 打印、显示各种技术性能曲线1 1 5 1 。 我校开发的串联型混合式电动汽车的控制系统，采用分布式结构，主计算机由工 业型的嵌入式p c 组成，各控制测量模块则由高性能的单片机集成相关的功能器件组成 数据采集或控制系统，主机和各模块通过c a n 总线组成通信网络，完成混合动力汽车 的多能源动力总成控制【l ”。 从上面的介绍分析可以看出，与动力总成相关的专利都是针对具体形式或结构的电 动汽车，或其中的某个部分而进行的，没有从通用性、开放性的角度进行总体考虑。 混合动力汽车的动力系统的结构复杂多样，部件类型繁多，加之我们目前的开发对象 涵盖串联、并联和混联等多种结构和车型，因此对象具有很强的不确定性。对于每一 种类型的电动汽车都建设与之对应的动力总成系统必定会加大重复研究和投资，所以 混合动力汽车的动力系统必须具有很强的通用性。即考虑不同种类混合动力总成的特 点和共同点，提出通用化的解决方法。 1 4 本文研究内容 本论文将研究开发具有自主知识版权的、基于高性能数值信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 和c a n 总线的开放式、分布式多能源动力总成控制系统， 通过模块的组合和软件的配置，可以适用于不同种类的电动汽车的能量管理和控制。 其主要研究工作如下： 混合动力汽车多能源动力总成特性分析：通过数学分析和实验，在研究分析内 燃机一发电机组、电力驱动系统、电池组、燃料电池等能源单元的外部特性的基础上， 根据不同的动力总成方式，探讨混合式电动汽车动力总成控制的方案，研究动力总成 控制策略及计算方法。 混合动力汽车多能源动力系统软件仿真：根据建立的多能源动力总成特性和多 能源动力总成动态模型，以预先选定的燃油经济性、排放、最小推力损耗和可接受的 性能( 足够的速度、加速度、小的噪音等) 为控制目标，利用现在应用最为广泛的混 合电动汽车的仿真软件a d v i s o r ，对并联式混合动力电动汽车进行整车仿真，对混合动 力电动汽车不同部件的匹配情况及多种模拟循环工况下的汽车性能进行分析比较。 基于d s p 与c a n 总线的动力总成控制器的设计和实现：分析各种电动汽车的 动力系统的输入、输出信号的电气特性，采用基于d s p 的高集成度硬件结构，充分 考虑汽车工作的环境特性要求，完成动力总成控制器的硬件设计。同时，根据整车控 7 华中科技大学硕士学位论文 制系统的网络规范要求，提供c a n 等网络接口，制订相应的通讯协议规则。在此基础 上，根据前馘研究黔暴绞模型和控制茨略，开发模块化、开放性款系统控铡与警理软 件，w 以通过不同的两己置，邋应不同电动汽率的需求。 嚣 2 混合动力电动汽车及关键部件工作原理 2 1 混合电动汽车工作原理 混合动力电动汽车是指汽车中除装配有传统内燃机动力源外，还装配有电动机驱动 单元的双动力系统汽车。根据电动机驱动单元与内燃机动力单元的布置形式，混合动 力电动汽车可分为3 类：串联式、并联式以及串一并联混合式混合动力汽车。简单介绍 如下： 2 1 1 串联式混合动力汽车典型结构【1 7 】 在串联式混合动力汽车中，内燃机的全部功率都用来驱动发电机发电。当汽车驱 动功率较小时( 如低速、滑行、零速) ，发电机的一部分电能用来驱动电动机，电动机 通过减速器及差动齿轮驱动前后轮轴，多余的电能则储存在蓄电池组中。当汽车驱动 功率较大时( 如加速、高速、爬坡) ，发电机和蓄电池同时供电给电动机，保证汽车的 高速性能。其结构如图2 1 所示： 图2 1 串联式混合动力汽车典型结构 由于发动机只用来发电，它可以在恒定的转速下运行，因而可以获得较佳的经济 性和排放性能。但发动机和电动机串联，发动机的机械能由发电机转换成电能，再由 电动机转换成机械能，每一转换都有能量损失，故整体效率较低。另外，串联式混合 动力汽车蓄电池组功率较大，导致其重量、体积大，整车自重高。 2 1 2 并联式混合动力汽车典型结构【l g 】 在并联式混合动力汽车中，电机通过减速机和差动齿轮驱动前后轮轴，燃油发动 9 甲i垆翟 习 华中科技大学硕士学位论文 = = 目。；= = = = = = ；= = ； 机通过自动离合器与电机同轴安装。其结构如图2 2 所示。 图2 2 并联式混合动力汽车结构示意图 当汽车启动或是在市区内行驶时，只有电池组向电机供电，驱动汽车行驶；当汽 车正常行驶时，由内燃机驱动汽车行驶，此时电机作为发电机运行，向电池组充电： 当汽车驱动功率较大时( 如加速、高速、爬坡) ，电机和内燃机同时工作，以提高总驱 动效率。可见并联式混合动力电动汽车其发动机功率是以汽车某一速度下的稳定行驶 工况所需的功率决定的，当汽车在低速或变速工况行驶时，需通过加速踏板和变速器 来调节发动机的功率输出；当汽车驱动功率较大时，发动机的输出功率低于汽车行驶 所需功率，由控制器控制电动机协助驱动。 2 1 3 混联式混合动力汽车典型结构【1 9 】 混联式兼具并联式和串联式系统的特点，但目前其技术含量较高。在该系统中， 发动机、电动机既可独立驱动汽车，也可以同时驱动汽车。其动力分配装置将发动机 图2 3p r i u s 混联式混合动力汽车结构示意图 华中科技大学硕士学位论文 的动力传递给传动轴与发电机，发电机产生的电能一部分用于驱动电动机，剩余部分 转变为直流电给电池充电。丰田p r i u s 混联式混合动力汽车结构如图2 3 所示。 随着丰田p r i u s 混合动力电动车的推出，采用行星差速机构的混合动力系统逐渐流 行。这种型式通过行星机构可以实现多个部件转速的复合，而各个部件间的转矩保持 一定的比例关系，这种功率复合形式被称为速度复合。这种行星机构有两个自由度， 但通过不同离合器和制动器的作用，可以实现单自由度、固定传动比的传动。目前对 于这种混合动力系统的研究很多，也出现了许多种结构。在此结构中发动机与行星架 相联，通过行星齿轮将动力传给外面的齿圈和里面的太阳轮，齿圈轴与电动机和传动 轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置将发动机一部分转矩( 大约为7 0 ) 直接 传递到驱动轴上，将另一部分转矩传送到发电机上，发电机发出的电将根据指令或用 于给电池组充电，或用于驱动电动机以增加驱动力。 2 1 4 混合动力汽车三种传动方式比较【2 0 串联式结构和并联式结构在性能上各有优缺点。串联式结构断开了发动机和驱动 系统的机械连接，为发动机的选择提供了广阔的空间，但由于发动机和电动机串联， 发动机的机械能由发电机转换成电能，再由电动机转换成机械能，每一转换都有能量 损失，故整体效率低一些。且串联式h e v 蓄电池组功率较大，导致其重量、体积大： 而且必须配备大功率发电机和电动机及其控制器，通用性差。串联式结构尤其适用于 市内常见的频繁起步加速工况和低速运行工况。并联式结构保留了由内燃机直接驱动 的传统驱动系统，整车的动力性能得到了保证，但其对内燃机的工作点的优化相对困 难，燃油经济性和排放性能的提高对能量管理系统提出了更高的要求。鉴于并联式结 构适用于市郊和城间运行工况，在开发市郊和城间交通工具时并联式结构应受到重视。 混联式是串联式与并联式的综合，混联式结构能够使发动机、发电机、电动机等 部件进行更多的组合，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态， 因此更容易实现低排放和低油耗目标。目前，混联式结构研究的重点是开发高性能动 力复合装置、优化控制策略和降低整车成本。虽然混联式在理论上最容易实现性能最 优，但它也存在明显的不足，即：系统过于复杂，以及由此导致的可靠性难以保证； 部件性能要求高，以及由此带来的设计加工困难重重；造价高，以及由此引发的市场 化举步维艰，由于以上不足，混联式在研究、开发和应用中都受到很大的限制。 对于本论文讨论的混合动力轿车，如果采用串联式结构，蓄电池组电池要求较多， 重量体积大；而且必须兼有大功率发电机和电动机及其控制器，通用性差。如果采用 混联式结构，传动部分的设计将过于复杂，以及由此导致的可靠性难以得到保证，在 目前我国汽车工艺制造水平下，将较难实现。所以并联结构是比较切实可行的一种结 华中科技大学硕士学位论文 构，一方面对蓄电池组要求没有串联式要求严格：另一方面电机功率较小，可兼作发 电机和电动机，通用性强；燃油的经济性较好且尾气排放较少。 2 2 发动机工作原理 2 2 1 车用内燃机的分类 2 根据所用燃油不同，现代车用内燃机可分为两大类，即柴油机和汽油机。柴油发 动机机以柴油为燃料，在进气过程中进入气缸中的只是纯空气，压缩终了时喷入柴油， 柴油与空气在气缸中混合，由空气经压缩后所达到的高温能引起柴油自燃，这种内燃 机也称为压燃式内燃机。 汽油发动机以汽油作为燃料，空气与汽油在气缸外混合，形成可燃混合气后进入 气缸，经压缩后依靠火花塞产生电火花引起燃烧，这种内燃机也称为火花点火式内燃 机。随着汽油机全面节油及限制排放的要求的逐渐提高，迫切需要设计新型燃烧系统 及改善混合气体形成的质量，目前越来越多的出现了汽油喷射、分层燃烧等新型燃烧 系统。 2 2 2 不同车用发动机的比较 与柴油相比较，汽油的沸点低、容易气化，而柴油的自燃温度低。柴油机采用压 缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃温度，这时再喷入柴油、柴 油喷雾和空气混合的同时自己燃烧。与汽油机相比，柴油机的优点是柴油价格便宜， 经济性好，并且它没有点火系统，所以故障较少。但柴油机由于工作压力大，要求各 有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大：柴油机的喷 油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高：另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大； 柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。在本论文中，考虑到轿车主要行驶在市区及市 郊，要求汽车噪音小、尾气排放低，另外，由于轿车自身重量控制方面的因素，选用 汽油发动机作为实验发动机。 2 2 3 发动机最佳工作区域的选取 2 2 内燃机的有效扭矩a 疋、有效功率e 以及有效燃油消耗率昏随内燃机转速t 的变化 而变化的关系称之为内燃机的速度特性。当功率调节机构固定在标定功率位置时所测 华中科技大学硕士学位论文 得的速度特性称之为外速度特性，外速度特性简称为外特性，它表示该内燃机能工作 的最大功率界限。图2 4 为内燃机的外特性曲线示意图。 n 0 m ，n 门m i n ，2 m p门g ef n , r m a x n m a x 图2 4 内燃机的外特性曲线 1 扭矩；2 - 功率：3 - 耗油率 扭矩托曲线是一个凸曲线，在较低转速范围内，扭矩坛随转速的增加而增大，当 增至某一转速_ ，。时达到最大值。由甩。开始继续增大转速，此时扭矩 4 不仅不增加， 反而出现下降趋势。有效燃料消耗率最随转速仃的变化曲线是一个凹曲线，随转速力 的上升，有效燃料消耗率晶首先是下降，至降至某一转速盯。时，晶达到最低点，此后 随转速n 的上升，盛不仅不下降，反而会上升。 通过分析不难看出，在最低耗油率点 。附近，内燃机的功率趋近于最大值，耗油 率最低，其污染排放也就最小，同时输出扭矩也比较大。可以说这是一个比较理想的 内燃机工作状态，通常所说的内燃机最佳工作点就分布在这一区域内。普通汽车由于 要适应不同的工况，其发动机工作点的分布范围很宽，燃油效率难以提高、排放也难 以控制。而混合式电动汽车则是利用能量管理技术将发动机的工作点锁定在最佳工作 点附近很窄的区间内，从而大大提高了发动机燃油效率并降低汽车尾气排放。 串联混合动力系统中，发动机理论上以准态模式工作，也即发动机的工作点稳定 ( 恒功率、扭矩和转速) ，目的在于提高发动机的工作效率，使之达到最大值，但发动 机工作在该模式下最大的缺点是没有具体考虑外界负载的变化，当然，这可以由辅助 动力源中储存的能量经过相关的传动装置输出来达到均衡，结果这部分的能量传输效 率低于普通车辆传动系，但在行驶过程中，发动机以恒定的高效率模式工作，这在普 通汽车中是难以实现的。实际上，由于控制技术存在一定的难度，难以保证发动机以 稳定点模式长时间工作，通常只能实现恒扭矩控制，亦即发动机的输出扭矩变化很小 而转速变化范围较宽。发动机的这种控制可使发动机工作点位于燃油消耗最小区附近， 华中科技大学硕士学位论文 同时考虑到发动机的工作噪音，让发动机以中等转速工作。 并联混合动力传动机构中，发动机工作特性与其在普通汽车中传动系中的工作特 点相似，只不过是发动机输出功率在总负荷功率中所占的比例较小而已。和串联混合 动力传动系不同，对并联混合传动系而言，发动机输出功率调整控制的目的在于满足 车辆以最高车速行驶。 2 3 电动汽车用各种电动机的比较 目前，电动汽车使用的电机有直流电动机、交流感应电动机和永磁同步电机 2 2 1 。 总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走向交流。分别介绍如下 2 3 1 1 2 4 1 ： 真流电机具有控制简单、调速方便等优点。因而2 0 世纪9 0 年代前的电动汽车几 乎全部采用直流电机。但直流电机的效率较低，体积与质量较大，且由于存在电刷与 机械换向器，不仅限制了电机的过载能力与速度的进一步提高，而且长期运行时，碳 刷和换向器容易损坏。另外，直流电机工作时转子温度较高，限制了电机转矩重量比 的进步提高。 交流感应电机与直流电机相比，具有效率高、体积小、质量小、结构简单、免维 护、易于冷却和寿命长等优点。交流电动