ISG型混合动力长安汽车关键技术研究

1、重庆大学硕士学位论文ISG型混合动力长安汽车关键技术研究姓名:杨雪梅申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:秦大同;汪正胜20040510迫于环境污染和石油资源短缺的压力,致力于可持续发展战略,混合动力汽车成为21世纪汽车工业的一大发展方向。国内外专家基本上达成共识:混合动力电动汽车的使用不只是电动汽车的一个过渡阶段,雨是汽车工业即将面临的一场新的革命。为了开发ISG型混合动力轿车,在国家“863”项目的资助下,本论文针对长安ISG型混合动力轿车的研制进行了试验和理论研究及其计算机仿真,具体内容如下:1.对JL474Q1发动机进行性能试验,在实验数据的基础上构造发动机转矩模型和发动机燃油消耗

2、模型。设计了电子节气门的控制器,开发了控制器硬件电路,并对电子节气门进行了试验,验证电子控制单元对节气门的控制性能。2.分析羚羊轿车和CVT变速器的结构参数,进行CVT变速器的选型。通过液力变矩器性能试验,建立了液力变矩器数学模型。3.在蓄电池试验的基础上,分析和研究了Ni。MH蓄电池充放电特性及其影响因素,建立了用安时一开路电压算法(Ah0CU法预测蓄电池的剩余能量和荷电状态计算模型。4.进行ISG电机实验,选择电机的主要参数,分析了ISG电机的效率曲线和特性曲线,并根据实验数据建立了ISG电机仿真数学模型,进行了ISG电机转速电流双闭环控制仿真。5.通过使用ADvISoR软件,建立了整车模

3、型(包括发动机、ISG电机、cvT无级自动变速器、蓄电池等,进行了各种车辆行驶工况仿真。关键词:汽车,混合动力,ISG,仿真Under the pressure of environment pollution and the scarcity of oil source,to be dedicated to the strategy of sustainable development,Hybrid Electric Vehicle(HEV becomes an important consideration in the twenty-first century in order to g

4、et sustainable development of Automobile industry.All specialist in whole world have agreed on the point:the application of Hybrid Electric Vehicle will not be a transition phase,but be a new revolution ofAutomobile industry.In order to develop ISG Hybrid Electric Vehicle,theoretical and experiment

5、researches of Changan HEV have been carried out financed by National“863project(2001AA501300which includes follow cOntent:I.The torque and fuel consumption model of engine jL474Q1has been built up based on the engine test.Electric throttle control unit and its circuit board ate designed and develope

6、d.And the control performance of electric throttle system is verified by experiment.2.The type of Continuously variable transmission(CVTis decided by analyzing the structure parameter of LingYang car.Model for getting the ratiochanging rate is put forward.Dynamic Performance test ofCVT has been done

7、.The result is accordant with that of theoretical researches,Base on experiment of torque converter,a mathematics model oftorque convertar is established.3.Based on the experiment of NiMH battery,investigations on characteristics of discharging and charging ofNiMH baaary,and analysis of influencing

8、factor ofNiMHbattery,art approach of Ah-OCU has been built to estimate an acoBrate surplusenergyand State ofCharge ofNiMH batteries.4.The efficiency and performance map of Integrated Starter/Generator(ISOis drawn by the experiment.The simulation model ofISG is built up.5.Vehicle powertrain model inc

9、luding engine.isQ CVT and battery is build up by usingADVISOR.The simulation result of all kinds of car work cOndition indicates that Changan ISG HEV has both less exhaust emission and fuel cOnsumption.The research also provide theoretical analysis and design method for ISG HEV development Keywords:

10、Hybrid Electric Vehicle(HEV,Continuously variable transmission(CVT, the State ofCharge,Battery,Integrated Starter/Generator(ISG11绪论1绪论当前,混合动力电动汽车的研究与开发已在世界范围内由点向面地扩展,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,如丰田的Prius混合动力电动汽车已经形成小规模批量生产。许多发展中国家也已开始筹集资金,组织科研力量进行可行性论证和关键技术攻关【1。混合动力电动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

11、商业前景。据专家研究,混合动力电动汽车的生命周期至少有30年,若考虑使用清洁燃料,其前景更为广阔。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,开发混合动力电动汽车有利于解决环境、能源等可持续发展战略所要求解决的紧迫问题【2】。目前国内外专家基本上达成共识:混合动力电动汽车的使用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,燃料电池虽然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,在制动和减速时无法实现能量回收,另外燃料电池汽车启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

12、析,混合动力电动汽车的商业化和产业化发展是必然的趋势3。总体来说,混合动力电动汽车的研究和开发仍处于起步阶段,其关键技术(如电池管理系统、传动系统总成还有待改进和创新,成本价格有待降低,性能也有待提高,这样才能满足代替传统燃油汽车的技术与市场要求【4-”。1.1传统燃油汽车与纯电动汽车的缺陷1.1.1传统燃油汽车的缺陷汽油机一直是上个世纪最主要的汽车动力设备,今天,这世界上生产的汽车几乎都在使用内燃式发动机【l”,但是,这种引擎同时具有很多缺点,如:需使用不可再生的自然资源(石油、空气污染(排放废气和投资巨大等。而总体上讲我国的石油资源却很缺乏,据统计,我国2000年原油产量1.6亿吨,进口原

13、油O.73亿吨,还不包括一些走私燃油,预计到2010年,原油需求3.6亿吨,国内产量2亿吨,进口1.6亿吨,邸意味着45%原油需求的要靠进口121。汽车对社会环境造成的污染相当严重,除直接污染源(如一氧化碳、碳氢化台物、氮氧化物、硫化物等外,还有二氧化碳造成的温室效应。据联合国的“政府间气候变化专业委员会(IPCC”评估,1996年世界上共排放二氧化碳大约200亿吨,美国居第一位,占25%,其中汽车大约占排放量的20%。中国居第二位,重庆大学硕士学位论文占13.5%,IPCC在关于二氧化碳排放情况特别说明中指出,20世纪地球表面湿度上升了0.40(2.0.80C,到2100年将比1999年上升

14、1.50C一60C,到时地球海平面可能上升15厘米.95厘米。1997年联合国的京都协议书签定了排放温室效应气体的第一个国际性法律文件,中国是缔约国之一,当然也要遵守该协议的规定。目前世界上很多国家,都已对单车二氧化碳的排放作出明确的逐年降低排放的标准。同时也有大量的汽车动力设备的替代方案,如电力、燃料电池和动力组合等相继问世,新的发动机技术在过去的十多年里也有了很大的发展。1.1.2纯电动汽车的缺陷目前世界上最好的纯电动汽车,一次充电行程也只为150.200公里,其主要的原因是目前仍没有一种能源,能够提供足够高的比能量和比功率,使纯电动车的性能完全与燃料汽车相匹配131。因此,要进行长距离的

15、旅行.人们不得不选用普通燃油汽车。就成本而言,纯电动汽车比普通燃油汽车高出卜2倍,如日本的RAV4-EV的零售价为495万日元/辆,而性能相近的汽车零售价为200万日元/辆,因为这种车电池容量为25.30kWh,电池成本大约占电动车成本的40%,再加上相应的充电站等配套设施还难以跟上,充电时间过长等原因,现阶段纯电动汽车在国际上还难以被人们普遍接受。因此,为了克服上述问题,混合动力汽车可以采用多能源系统就被人们所关注。混合动力汽车的诸多好处是显易而见的:气体排放的污染程度不到常规汽车的30%,油耗却降低了25%.30%t14】,可以利用现有的加油站加油,其行驶距离也和常规汽车一样,尤其重要的是

16、,其成本比纯电动车低得多,在大规模生产条件下,这种汽车在成本上基本接近纯内燃机汽车,混合动力汽车在夜晚可接220V交流电充电,在白天行驶里程较短时,仅电池保存的能量即可满足需要,对于长距离的旅行,发电机可以对电池充电,以保持电池处于充电状态。1.2国内外混合动力汽车的发展历史和现状美国能源都和美国的三大汽车公司合作,正在推行一项庞大的PNGV计划混合动力汽车计划,政府与三大汽车公司分别签定混合动力汽车开发合同,要在低污染的条件下制造出每百公里油耗不超过3升的汽车,经过三年论证的结果表明采用混合动力技术是切实可行的。通用汽车公司宣布在2004年将生产7000辆采用混合动力系统的SUV多功能运动汽

17、车,预计先在通用较小的SUV车型上推广,混合动力系统将使每辆汽车的平均成本增加1500美元;福特公司也已经开发出两款混合动力车型【I“。日本汽车界也己将电动汽车开发重点从纯电动汽车转向混合动力汽车,其中丰田公司在1997年研制出PRIUStl6】,而本田公司研制了基于ISG的轻度混合动力轿车Insightt071,于1998年12月推向市场,并获得了好评;丰田的COASTER客1绪论车、日野的混合动力客车和货车也已经进入商业化阶段:克莱斯勒推出LE“道奇。无畏ESX”混合动力车【l8l;日产也继本田推出的Insight混合动力轿车后推出了TIN0混合动力轿车119】;日本微车巨头铃木公司也在1

18、999年的东京汽车展上展出了WAGON混合动力车120。欧洲在混合动力汽车的开发、研制和推广方面作了大量投入。目前,德国已有20辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。欧洲六大汽车公司联合就混合动力汽车技术、性能等进行了综合评价,认为其技术成果可望使混合动力汽车成本接近于一辆传统汽车,使客户买得起、卖家可盈利。其对市场的调查也表明,大多数顾客在燃油汽车、混合动力汽车和纯电动汽车三者之间更愿意选择混合动力汽车。最近,德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求,将在部分地区限制百公里油耗超过5升的轿车行驶,也将促使人们把希望寄托在混合动力汽车的开发上。在国际上应用ISG较成功的车型都是在1.5升

19、以下轻度混合动力轿车,这与本项目拟开发的长安羚羊轿车的车型相似。我国在“八五”和“九五”期间,有计划地开展了电动汽车的研制工作。清华大学研制的电动中巴车已投入试运行;中国远望(集团公司和北京理工大学、国防科技大学及河北长安胜利等单位也联合开发出了电动大客车样车;其他如广东等地区也在进行电动汽车的研制。在此基础上我国混合动力汽车的研制也取得了一定的进展。1998年,清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车样车:同年,江苏理工大学承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目混合动力公交轻型客车的研制;其他许多院校及科研机构也都开始了混合动力汽车的研究和研制工作。1.3混合动力汽车的型式混合动力电

20、动汽车将原动机、电动机、能量储存装置(蓄电池按某种方式组合在一起,有串联式、并联式和混合式3种布置形式。1.3.1串联式驱动系统串联式驱动系统的示意图见图1.1。发动机带动发电机发电,其电能通过电动枫控制器直接输送到电动机,由电动机产生电磁力矩驱动汽车。发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的,当汽车运行工况变化,电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时,由控制器控制发电机向电池充电(吸收发电机富余的电能或使电池向电动机放电(协助发电机供电,电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特

21、点的优越性主要表现重庆大学硕士学位论文在低速、加速等运行工况,而在汽车中、高速行驶时,由于其电传动效率低,抵消了发动机油耗低的优点,因此,串联式混合动力电动汽车更适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区,汽车在起步和低速时还可以关闭发动机,只利用电池进行功率输出,使汽车达到零排放的要求。图1.1串联式HEV动力系统结构简图Fig1.1Structure diagram ofseries HEV powertrain system1.3.2并联式驱动系统并联式驱动系统结构示意图见图1.2。发动机通过机械传动装置与驱动桥连接,电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连,汽车可由发动机和电动机共同驱动或各

22、自单独驱动。并联式混合动力电动汽车其发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工况所需的功率选定的,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;而在汽车高速行驶,发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时,由控制器控制电动机协助驱动。并联式混合动力电动汽车也可实现零排放控制,在繁华的市区低速行驶时,卜加速踏板2一制动踏板一机械连接电气连接图1.2并联式HEV动力传动系统结构图Fig1.2Structure diagram ofparaUel HEVpowertrain system41绪论可通过关闭发动机和使离合器分离,也可以使汽车以纯电动方式运行。但这样就需要功率足够

23、大的电动机,所需的电池容量也相应要大。1.3.3混联式驱动系统混联式驱动系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图见图1_3。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。混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配,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,因此更容回一(I困i机械联结电器联结图1.3混联式HEV动力传动系统结构图Fig13Structure diagram ofh

24、ybrid HEV powertrain system驱动桥圈l4丰田Prius驱动系统结构示意图Fig1.4Structure diagram of TOYOTA Prius powertraln system5重庆大学硕士学位论文易实现排放和油耗的控制目标。但混联式的动力复合形式更复杂,因此对动力复合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。图1.4为丰田公司Prius车的驱动系统结构示意图,它的驱动系统被公认为是目前最成功的结构。1.4“IsG型混合动力长安轿车”项目策划1.4.1开发“IsG型混合动力长安轿车”迫切性多年来,面对国外竞争对手的强大冲击,我

25、国弱小的汽车工业举步维艰,“引进落后再引进再落后”,始终未能在激烈的国际竞争中确立自己应有的地位。随着WTO的加入,我国的汽车行业将面临前所未有的严峻挑战,能否继续生存,将取决于今后5年宝贵保护期内我们能否在技术和自主知识产权上取得重大突破。我国在传统的汽车技术领域比发达国家落后30多年,而在电动汽车这一新的领域,由于大家都起步较晚,我们与汽车发达国家的差距还不是特别明显,只落后8年左右的时间,部分核心技术居世界领先水平。从可持续发展战略来看,我国发展电动车的紧迫性更加突出,我国石油储备量仅占世晃的2%,自1993年开始,我国已变为净进口国,去年进口五油7000万吨,随着我国进入汽车消费普及期

26、,汽车保有量将迅速增加,能源紧张状况日趋严峻;从环境角度讲,我国的环境污染十分严重,世界环境污染最严重的十大城市中,我国就占了7个。ISG型长安混合动力轿车用电池作辅助动力,既克服了纯电动汽车的续驶里程短、价格昂贵等缺点,又有利于大幅度减少汽油消耗,合理利用电能,调整能源结构,为解决城市污染问题开辟了一条新途径。1.4.2开发“IsG型混合动力长安轿车”必要性随着我国强制环保、安全法规的出台,长安公司作为国内5大轿车生产基地之一,从自身发展的战略出发,要使长安汽车有新的经济增长点,取得跨越式发展,大大增强自身竞争实力,同时也刺激零部件企业节能产品(如节能空调、轻质车身等技术进步,带动相关产业同

27、步发展,就必须生产无污染或低污染的汽车。长安公司在九五期间还承担了国家科技部清洁汽车专项课题“CNG单燃料多点电喷羚羊出租车开发”,劳已经通过了验收。与国内外联合开发的多气门电喷发动机及新型乘用车已经实现大批量生产。另外通过开发性能先进的混合动力汽车,也可以展示其先进的技术水平、雄厚的开发实力和先进的研究手段,同时树立长安汽车公司及产品的新形象。在经过前期大量的市场调研、技术预研的基础上,长安公司决定将混合动力系统作为减少燃油消耗和减低排放的重要方案,采用并联结构和起动机,发电机一体化(1SG技术,开发ISG型混合动力长安轿车,其动力系统由永磁直流电机与1绪论JL474Q1发动机组成,形成高性

28、能、高效率的驱动系统。通过采用JL474Q1发动机的动力、制动时进行发电对动力电池进行充电。以驱动电机,可解决纯电动车续驶里程不足的缺点,提高电动车的竞争力,另外,通过优化发动机的运行状态,可以实现系统的高效率,与纯内燃机相比,在提高燃烧效率的同时,还可以减少废气排放和降低噪音,由于是并联结构,它体积较小,重量较轻,成本也较低廉。1.4.3开发“lsG型混合动力长安轿车”可行。性1.长安混合动力轿车经济效益分析1经济分析原则(1混合动力轿车在出租车领域有较大的市场前景,本分析是针对混合动力轿车作为出租车使用的情况;(2普通电喷车每天的平均燃油费用是通过调查出租车司机采集的数据;(3在混合动力技

29、本比较成熟虽整车达到批量生产时,预计混合动力轿车新增成本为20000元/台;H收益分析采用增量分析法;(5企业产品定价策略方案:方案一是指混台动力轿车与原电喷车利润相同的情况;方案二是指混合动力轿车比原电喷车利润适当增加的情况。2成本及收益分析表1.1长安轿车年消耗燃油费用比较(单位:元、车型项目、普通电喷车混合动力车平均每天燃油费用10070一年运行时间(天365365全年燃油费用3650025550混合动力轿车每年节省燃油费用H950注:混合动力轿车比原电喷车节油30%表1.2长安混合动力轿车整车成本及售价估算(单位:元Tab 1.2Evaluation of cost and selli

30、ng price for Changan HEV(Yuan芋型混合动力轿车数据朱原电喷车数据方案一方案二整车售价(含税100000.OO 121148_36125000.00(不含税85470.09J03545.60106837.61重庆大学硕士学位论文佣金2500.002500.002500.OO 现金折扣2%】950.002372.972450.00出厂价(含税95550.00116275.39120050.00 (不含税81666.6799380.67102606.84消费税2858.333478.323591.24整车成本(含税86355.75106355.75106355.75 (不

31、含税738083390902.3590902.35利润5000.005000.008113.25注:1、方案一:混合动力轿车与电喷车利润相同;方案二:混合动力轿车比电喷车利润适当增加:2、混合动力轿车新增成本(含税按20000元计算,新增成本、投资、回报及收益见表1.3表1.5;3、混合动力轿车排放可达到欧3标准,但消费税只按达到欧2标准减征30%计算。即消费税率由5%降为3.5%。表1.3混合动力轿车新增成本明细Tab l,3Detail ilew increascd cost of HEV新增部件价格(元1、ISG电机及控制系统80002、整车多能源管理系统25003、电池及管理系统950

32、0其中:电池5000管理系统4500合计20000表1.4用户新增投资及投资回报分析(单位:元(方案一Tab1+4Analysis of consumer new added investment and repayment(Yuan(Project1新增投资用户累计新1年度年节省燃油费用增收益l车价提高更换电池81绪论第1年21148.36010950一lOl98.36第2年0500010950.-4248.36第3年05000109501701.64第4年O500010950765l,64第5年050001095013601.64用户投资回收期(年2.7l(方案二(Project2新增投资

33、年度年节省燃油费用用户累计新增收益车价提高更换电池第1年25000.00010950.14050.00第2年0500010950.8100.00第3年O500010950.2150.00第4年05000109503800.00第5年05000109509750.00用户投瓷回收3.36期(年注:蓄电池的使用寿命按10万公里计算。表1.5:企业新增收益分析(单位:元Tab1.5Analysis of corporation new added income(Yuan车型及方案混合动力轿车原电喷车利润及收益方案一方案二单车利润5000.005000.008113.25单车薪增收益O.000.003

34、¨3,259重庆大学硕士学位论文3经济分析结论在混合动力技术比较成熟且整车达到批量生产的条件下,长安混合动力轿车在经济上是可行的,且无论企业采用方案一或方案二的定价策略,对于企业和用户都是双赢的结果,只不过,方案一的定价策略会使用户受益更多,而方案二的定价策略会使企业受益更多。3.产业化前景分析在项目进行中,我们提出以整车开发为主导,关键零部件和相关材料紧密结合、基础设施协调发展,政策法规、技术标准与评估技术同步展开的基本方针:坚持官、产、学、研四位一体想结合的方式,突破地域、行业、和所有制观念,联合攻关;从项目的开始阶段起,就充分利用社会资源和国家“九五“期间电动汽车的科研成果;关

35、键零部件可采用全球采购,这样以保证该项目的各零部件的产品化和产业化目标的实现。同时,ISG技术在羚羊轿车上开发成功后,待技术成熟后,就可以顺利的向其它车型如轿车、微型客车、中巴、大巴等上移植,使科研成果可以得到广泛的应用、推广。另外,汽车工业由传统汽车向电动汽车的过渡必将极大的推动汽车工业的技术改造,促进传统汽车产业的信息化和现代化,专家估计,电动汽车对经济的带动作用比传统汽车还大2.3倍,大力发展电动汽车,必将有利地推动相关业信息化,电动车的产业化过程必将刺激和推动包括信息产业在内的诸多高新技术产业的发展。4.市场预测我国人均GDP值已达到家用轿车普及水平和根据“国家十五汽车产业发展纲要”的

36、要求,将重点发展小排量低价位的经济型轿车等因素的支持,为混合动力汽车的发展、市场的需求提供了强有力的保障。在纯燃油车限制的同时,政府对环保车辆(含混合动力汽车的扶持,在开发和生产销售等环节,将会给予更多的支助和优惠政策,如为保护环境、促进低污染排放汽车的生产和消费,达到欧II标准低污染排放的小汽车,将减征30%的消费税,甚至购车补贴。同时城市居民素质的提高,渴望清洁的生活环境和对新鲜事物的接受,混合动力汽车在市场竞争中逐渐取得主动权。长安混合动力轿车的动力系统由电力(永磁直流电机与燃油发动机(JL474Q1,采用并联方案和起动机/发电机一体化(ISG技术进行混合,组成高性能、高效率的驱动系统。

37、整车市场定位为经济型,主要适用于城市内出租、风景旅游渡假区及大型游乐区内等场所和行政公务用车等领域。与同档次的传统纯内燃机汽车相比,其主要优势在于:降低了油耗30%以上(GBl8352.1工况法,整车排放达到欧,降低车外噪音ldBA以上,同时它续驶里程不小于500KM,加O1绪论速性能和同类内燃机汽车相当。这些优良的性能加上良好的环保概念和省油性必能吸引很多消费者的目光,进而产生巨大的需求。在整车的造价上,也只比同档次的传统汽车最多增加30%的成本,按长安羚羊CDC状态8万多元的售价计算也就是10多万元,这样的价位随着人们收入水平的不断提高,相信到时候很多消费者都可以接受的。长安混合动力轿车项

38、目在2005年完成后进行形式认证和小批量试制,同时将组建示范车队。其直接经济效益主要体现在减少燃油消耗,降低使用成本和新增工业产值上,根据估算,l辆基于ISG技术的混合动力出租车每年将节约燃料费约1万元左右(按每年行驶365天,刚氐浊耗30%计,整车改装所造成的售价增加部分,可以通过节省使用费在两年左右的使用期内进行回收。因此,用户使用混合动力轿车经济实惠,效益显著。重庆甚至全国拥有能够提供大量的混合动力汽车需求的特殊的市场(如城市出租车,有竞争的生产成本,并且具有愈来愈迫切的保护环境和不可再生自然资源的需求,这些因素综合起来,为长安混合动力汽车提供了非常独特的机会。另外,从丰田公司1997年

39、刚推出混合动力电动轿车到1998年底销售看,市场最初的销售达到了近3000台,截止今年上半年累计超过lO万辆。2008年的北京奥运会将全部采用国内企业生产的电动汽车,初步估算这将是一个20亿的巨大市场,通过奥运会这个舞台对电动汽车消费生产的辐射效应更是不可估量的,这可能带动电动汽车消费的跨越式增长。1.5本文的主要研究内容为了开发ISG型混合动力轿车,在国家“863”项目的资助下,本论文针对长安ISG型混合动力轿车进行了试验和理论研究及其计算机仿真,具体内容如下:1.对JL474Q1发动机进行性能试验,在实验数据的基础上构造发动机转矩模型和发动机燃油消耗模型。设计电子节气门的控制器,开发控制器

40、硬件电路,并对电子节气门进行了试验,验证电子控制单元对节气门的控制性能。2.分析羚羊轿车和c变速器的结构参数,完成CVT变速器的选型。进行液力变矩器性能试验,建立液力变矩器数学模型。3.在蓄电池试验的基础上,分析和研究Ni.MH蓄电池充放电特性及其影响因素,提出了安时一开路电压算法(怂oCu法预测蓄电池的剩余能量和荷电状态计算方法。4.进行ISG电机实验,选择电机的主要参数,得到ISG电机的效率曲线和特性曲线,并根据实验数据建立ISG电机仿真数学模型,进行ISG电机转速电流双闭环控制仿真,得到了良好的控制效果。重庆大学硕士学位论文5.通过使用ADVISOR软件,建立整车模型(包括发动机、ISG

41、电机、CVT无级自动变速器、蓄电池等,进行各种车辆行驶工况仿真,得到了良好的车辆排放性和燃油经济性。2发动机模型及电子节气门改造2发动机模型及电子节气门改造长安ISG混合动力轿车采用JL474Q1发动机。发动机作为混合动力汽车的能源之一,必须与另一个能量单元ISG进行匹配,做到合理分工、协调工作,因此必须进行发动机的动力性、经济性性能实验,并按需要做相应的改造。2.1发动机性能试验】.发动机的试验方法及内容分别测试了发动机油门开度百分比固定在1%、2%10%(间隔2%,13% 40%(间隔3%,45%100%(间隔5%时,以及发动机转速在800、900、1000 6000rpm(间隔300rp

42、m时,发动机的稳态输出转矩及油耗,油耗测试采用重量测定法【2”。试验前对发动机进行了磨合,试验时发动机处于热机状态。进行了发动机的怠速试验、负荷特性试验并绘制了相关性能曲线图。2.发动机的速度特性发动机的速度特性表示的是发动机的动力性能与经济性能随转速的变化关系(以动力性能为主。它包括全负荷时的速度特性(外特性和部分负荷时的速度特性(部分特性两大类m】。前者为发动机在节气门全开时的最太作功能力以及对应的经济性能,后者为节气门处于部分开启状况时发动机所表现的各项性能指标。将发动机节气门全开时,扭矩兀、功率Pe以及燃油消耗率b与发动机转速n。之间的函数关系以曲线表示,此特性曲线称为发动机外特性曲线

43、。图2.1为JL474Q1发动机的外特性曲线。由图可见。发动机的最小稳定工作转速为n黜in=1000rpm。随着发动机转速增加,发动机发出的扭矩和功率都在增加,最大扭矩疋。时的发动机转速n(rpm芒C图2.1JL474Q1发动机的外特性Fig2.1External characteristic of engineJL474QI重庆大学硕士学位论文为nc=2500rpm。再增加发动机转速时,疋先有所下降,然后有所增加。到ne_-4500rpm 时,达到另一扭矩峰值;而功率继续增加,一直到最大功率。,此时发动机转速为nm“=6000rpm。若扭矩的单位以Nm表示,功率的单位以kW表示,转速的单位以

44、rpm表示,则功率与扭矩有如下关系【221:P-焉他-,发动机节气门部分开启时,兀、段以及b。与n。之间的函数关系曲线称为发动机部分负荷特性鳆线。图2.2为JL474Q发动机外特性及部分特性的扭矩与功率曲线。各条曲线代表不同的节气门开度。10080霉60 Z吝4020605040拿善3。2010O100020003000400050006000100020003000400050006000月,(rpm4.(rpm图2.2JL474QI发动机的外特性和部分特性Fig2.2External characteristic and partial characteristic ofengine JL

45、474Q12.2发动机的数值模型汽车动力性、燃油经济性模拟计算是以发动机数学模型为重要依据的。发动机数学模型的描述,包括汽车发动机外特性(使用外特性和万有特性。描述发动机性能特性的方法有表格法、插值法和模型法三种,前两种方法精确度较高,但占用内存较多、运算速度较慢。对己知试验数据的发动机,其使用外特性可以看作为发动机转速的一元函数,用最小二乘法拟合得出;而万有特性可以看作为发动机转速和发动机扭矩的二元函数,用曲面拟合法田l可得。发动机的负载决定了发动机的运行工况。严格地说,大部分发动机的负载是属于动态的。汽车发动机80%以上的工况是处于不稳定的过渡状态。但限于目前的发动机测试技术,菲稳态工况还

46、不能用定的动态的或过渡性的特性来表示,主要还是利用稳态工况下发动机特性试验获得的模型近似地描述非稳态工况下发142发动机模型及电子节气门改造动机瞬态特性。考虑到发动机在加速工况时,其扭矩较稳定工况有所下降,燃油消耗率有所上升,一般认为其扭矩下降量与曲轴角加速度成线性关系,可以采用修正系数的方法来考虑这种影响,借以减少稳态工况代替瞬态工况带来的误差。在本文中,由于用来进行模拟计算的计算机性能较好,故采用了精度较高的数表插值法。1.发动机的稳态扭矩特性研究表明,发动机的外特性曲线和部分负荷特性曲线均是发动机节气门开度和发动机转速的函数,即正=f,n。在一定的节气门开度下发动机输出扭矩曲线可由试验数

47、据三次样条插值拟合达到满意的精度24】。因此可用有限的试验数据建立发动机的数值模型。根据发动机的试验数据及其应用范围,分别绘出节气门开度和发动机转速的坐标向量,即:节气门开度口=喁,口:,%】1和发动机转速n。=H。,he2,%7,其中矾和%分别表示发动机最小和最大节气门开度。he!和n。分别代表发动机最低和最高转速。坐标间隔为三次样条的插值步长,插值步长分别相等,为口=口M-GO,=(口。一q/m,An。=”一nd=(n。一rtel/n。坐标值的间隔大小决定了数表的网格数,坐标间隔越小则数表的网格越密,插值结果越精确,但数表的数据存储量越大。图2.3为用来构造数表的发动机节气门开度、发动机转

48、速与稳态输出扭矩关系图。给定发动机节气门开度和转速即可确定在稳态工况下的输出扭矩。0000图2.3JI74Q1发动机的稳态输出扭矩Fi92.3Steadyouputtorque ofengineJL474Q1重庆大学硕士学位论文2.非稳态工况下发动机性能的修正发动机大部分时间处于非稳态工况。研究表明,非稳态工况下发动机的特性与稳态工况下发动机特性是不同的。当汽车加速时,由于混合气浓度逐渐变稀,致使发动机扭矩比稳态工况下的扭矩低,发动机扭矩下降量与曲轴角加速度近似成线性关系,并且下降量不超过发动机最大扭矩的4%5%。同理,当汽车减速时,由于混合气浓度逐渐变浓,使发动机扭矩比稳态工况下的扭矩高,扭

49、矩上升量与曲轴减速度也近似成线性关系【吲。因此,可以采用修正系数的方法来对发动机稳态工况下的输出扭矩进行修正并作为非稳态工况下的输出扭矩。即发动机的动态输出扭矩为:P:ro一五华(2.2df 式中:z?发动机动态输出扭矩(N.m兀发动机稳态输出扭矩(N-mdoe/dt发动机曲轴角加速度(1/s2五非稳态工况下发动机输出扭矩下降系数,对不同的发动机而言,五是不同的。该发动机五值取0.03。3.发动机油耗模型发动机负荷特性曲线给出了在不同发动机转速下负荷与有效燃油消耗率的关系。根据每个发动机转速下的负荷特性曲线获得不同转速下发动机功率与比油耗的关系也=6e(n。,绘制发动机负荷特性图,如图2.4所

50、示。利用插值拟合出如图2.5所示的关于发动机有效燃油消耗率与发动机转速及扭矩的关系曲面,即发动机油耗的数值模型。由于发动机动态特性对发动机的燃油消耗率影响不大,因0102030405060708090100兀(N.rn图2.4JL474Q1发动机负荷特性图Fig 2,4Load feature ofengine JL474Q1此,可以用发动机稳态的油耗量近似代替其动态油耗量。由上述燃油消耗模型曲面图作n。-Tc平面内的等高线图,即可得到万有特性图,如图2.6所示。发动机的万有特性图也是发动机的效率图,图中各工作点反映了发动机的效率分布情况。啪瑚湖枷|栅(q 奎I ,嚣一I q2发动机模型及电子

51、节气门改造由于有ISG,因此发动机可以选择在燃油消耗最低、但扭矩较高的范围工作,或者为了保证车速,让发动机选择在相对固定的转速范围内运转,追求更大的经济性。图2.5JL474Q1发动机燃油消耗模型Fig2.5Fuel consumption model ofengine JI_A.74Q14,JIA74发动机的万有特性从万有特性上很容易看出heraax,。,咒。和发动机最经济的负荷和转速。等油耗线的最内层为最经济区,曲线越向外,经济性越差。油耗率曲线稀疏的区域,随工况变化油耗率变化较小,有利于变工况工作;油耗率曲线密集的区域,1101009080言70邑60r50403020lO1000200

52、030004000500060004。(rpm图2.6JL474Q1发动机万有特性图Fig2.6Characteristic map ofengine JL474Q1工况稍有变动,油耗率变化很大,燃料系统的调节往往对这些区域很敏感。重庆大学硕士学位论文等油耗曲线的形状及分布情况对发动机的使用经济性也有很重要的影响。如果等燃油消耗率曲线图形沿横坐标方向较长,则表示发动机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下工作时,燃油消耗率变化较小:如果等燃油消耗率曲线图形沿纵坐标方向较长,则表示发动机在负荷变化较大,而转速变化不大的情况下工作时,燃油消耗率交化较d,1261。显然,JL474Q1发动机属于前一种

53、类型。2.3电子节气门控制系统设计及开发普通节气门控制系统是由驾驶员通过操纵节气门体的拉线机构来实现节气门的开度控制。在ISG混合动力汽车中,需要对发动机进行柔性控制,因此采用电子节气门控制系统。它由驾驶员提供节气门的开度参考信号,经过车载混合动力ECU的控制.由动力驱动装置来实现节气门开度值的电子控制【2”。2.3.1电子节气门控制系统的结构设计电子节气门的控制都将由电子元件和机械元件完成。下列元件产生输入信号供给电子节气门控制系统的控制单元使用:加速踏板位置传感器;电子节气门位置传感器;节气门控制系统的设计结构,根据驱动方式的不同可分为步进电机驱动型式和无刷直流伺服电机驱动型式两种,如图2

54、.7、2,8所示1.步进电机驱动型式i上位扭一 重庆大学硕士学位论文CAN总线CAN模块1._=:。L 信号节气调_I抗于扰辅理层啦计I l L.l、理滤控舅H竺尸、L ,注_一商百一_.f习>鳢电器L一.峰纠d ,r I兰皇竺l -蓄喇生L一蟠模块._计苴加图2.9电子节气门控制单元模块Fig 2.9Electric throttle control unit 援控置汗度遗电机控奠发动机ECU 控爿宣滴电机漶电蠢控制单元芯片采用的是Cygnal公司的C8051F040八位单片枫,该单片机集成了嵌入式系统的许多先进技术:采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配

55、置的I/O端口系统中,单片机外部为通用I/O端口,如PO端口、PI端口和P2端口。内有输入,输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。提供了一个完整而先进的时钟系统。在这个系统中,片内设置有一个可编程的时钟振荡器(无需外部器件,可提供2、4、8和16MHz时钟的编程设定。 图2.10硬件板路Fig 2.】0Hardwareboard 重庆大学硕士学位论文口输出/入脉冲信号。节气门控制单元的模块设计和硬件分别如图2.9,图2.10所示。2.3,3电子节气门控制单元试验图2.1l为步进电机型式下,电子节气门对不同输入信号的跟踪响应特性。左边为滤波后的数据,右边为原始数据

56、。由试验数据可见,电子控制单元能够较好的实现节气门实际开度值对期望值的跟踪控制。2.4本章小结1.对JL474QI发动机进行了性能试验,获取了发动机的转矩特性和燃油消耗特性。2.利用样条插值的方法构造了发动机转矩模型和发动机燃油消耗模型,并讨论了非稳态工况下发动机性能的修正。该模型是研究ISG混合动力车传动系统匹配的基础。3.讨论了电子节气门的结构形式,设计了电子节气门的控制器,开发了控制器硬件电路。4.对电子节气门进行了试验,结果表明电子控制单元能够较好的实现节气门的控制。3自动变速器综合特性研究3自动变速器综合特性研究3.1选型依据目前世界上广泛使用的汽车自动变速传动包括机械有级自动变速传

57、动、液力机械自动变速传动和机械无级自动变速传动【32331。与液力机械自动变速传动相比,无级自动变速传动具有传动效率较高、速比范围较宽等优点;与机械有级自动变速传动相比,无级自动变速传动消除了档位的概念,可实现发动机与传动系的最佳匹配,使汽车获得较佳的燃油经济性、动力性和低的废气排放,并使汽车变速更加平稳,提高了乘坐舒适性。可以说机械无级变速器是最具有发展前途的自动变速器之一【34。”。图3.1为无级自动变速传动系统结构图。其中,发动机l输出的动力经液力变矩器2、前进档7/倒档6离合器传至金属带无级变速传动装置的主动工作带轮3,通过金属带无级变速4将动力传递到从动工作带轮5,再经中间减速齿轮,主减速器9与差速器,通过汽车半轴传递到车轮。在工作中,当主、从动工作带轮的可动部分作轴向移动时,改变了金属带的工作半径,从而实现传动比的无级调节。其中,可动带轮的轴向移动量是根据汽车的具体使用工况要求,通过液压控制系统分别调整主、从动轮油缸中的液压力而实现的。在混合动