硕士学位论文--红旗混合动力轿车动力总成匹配及控制系统研究.pdf

吉林大学硕士学位论文 提要 提 要 混合动力汽车采用不同能量转换装置作为混合动力源，已经成为解决环境污染和能源短缺最具市场潜力的车型之一许多国家的政府部门、汽车公司和零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车的研制开发以及关键技术研究，目前已有多种产品问世十五”期间，科技部也把混合动力汽车项目列为 863 计划电动汽车重大专项的主要攻关技术之一作者单位在863 计划中与整车生产厂共同承担“混合动力城市公交客车的研制开发”项目，同时独立承担“混合动力城市公交客车的多能源动力总成控制系统研制开发”项目本文研究内容作为上述项目的配套基础研究之一，围绕红旗混合动力轿车的关键技术——控制算法、参数匹配以及整车多能源控制系统开展研究工作 红旗混合动力轿车技术开发的核心是混合动力总成的参数匹配、控制算法以及多能源系统控制技术，是自主知识产权的重要体现因此系统地研究混合动力总成的参数匹配、控制算法以及多能源系统控制，完成试验验证，为混合动力总成的控制系统开发和整车方案设计提供理论依据，成为本文的主要研究内容，也是本文的主要创新点 本文在系统研究红旗混合动力轿车动力总成的控制策略基础上，首次提出了完整的控制系统设计方案和控制算法框图，编制控制程序，建立了混合动力总成控制系统的离线仿真模型，为红旗混合动力轿车动力总成控制系统的自主开发奠定基础。

本文以 ADVISOR 为平台，建立红旗混合动力轿车动力传动系部件和整车模型，并通过输入数据文件将整车模型嵌入到 ADVISOR 中，进行计算机仿真通过仿真，系统研究混合动力总成的元件参数和控制参数对整车性能的影响，提出了元件参数和控制参数的匹配方法和评价准则，为整车方案设计和控制软件设计提供了理论依据 在系统研究控制系统设计方案基础上，首次提出了红旗混合动力轿车动力总成试验台架的技术方案和试验方法，参与完成实验台架和控制系统的研制开发，并以试验台架为硬件平台，完成红旗混合动力轿车控制策略台架试验 吉林大学硕士学位论文 提要 本文的研究内容是承担的 863 项目的配套基础研究工作之一，研究成果为并联双轴混合动力汽车的控制系统以及整车开发奠定了基础，是形成自主开发能力所必须掌握的关键技术之一，也是本文研究内容的重要意义所在 目 录 I 目 录 提要 第一章 绪 论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.1 混合动力汽车概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.1.1 混合动力汽车的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.1.2 混合动力汽车基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.1.3 混合动力汽车的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1.1.4 混合动力汽车的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 1.2 国内外混合动力轿车研发概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 1.2.1 国外混合动力轿车研发概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 1.2.2 国内混合动力轿车研发概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 1.3 混合动力轿车技术现状和发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 9 1.3.1 能量转换装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 9 1.3.2 电化学能量存储系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 10 1.3.3 动力电子电气系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 10 1.3.4 车用材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 10 1.4 论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 11 第二章 混合动力汽车总成特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 13 2.1 发动机工作特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 13 2.1.1 发动机万有特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 14 2.1.2 发动机排放特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 15 2.2 电机工作特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17 2.2.1 三相交流异步电机特⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17 2.2.2 交流永磁同步电机特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 19 吉林大学硕士学位论文 II 2.3 电池工作特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 20 2.4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 24 第三章 红旗混合动力轿车控制策略与动力传动系匹配⋯⋯⋯⋯ 25 3.1 红旗混合动力轿车控制目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 25 3.1.1 红旗 CA7220E 轿车简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 26 3.1.2 红旗混合动力轿车控制目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 27 3.2 红旗混合动力轿车驱动系统结构与元件选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 28 3.2.1 红旗混合动力轿车驱动系统结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 28 3.2.2 红旗混合动力轿车元件选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 29 3.3 红旗并联双轴混合动力轿车控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 31 3.3.1 红旗混合动力轿车混合比的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 31 3.3.2 红旗混合动力轿车电助力型控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 31 3.4 红旗混合动力轿车计算机仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 38 3.4.1 ADVISOR 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 38 3.4.2 红旗混合动力轿车部件建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 39 3.4.3 红旗混合动力轿车仿真输出界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 46 3.5 红旗混合动力轿车动力总成元件参数匹配与控制参数优化⋯⋯⋯⋯ 47 3.5.1 动力总元件参数匹配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 47 3.5.2 动力总成控制参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 58 3.6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 64 第四章 红旗混合动力轿车总成控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 66 4.1 动力总成控制硬件系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 66 4.1.1 硬件系统结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 66 4.1.2 动力总成控制器 HCU 的原理与功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 68 4.1.3 机械制动 ECU 的功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 69 目 录 III 4.1.4 CAN 总线通信简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 70 4.2 动力总成控制软件系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 72 4.2.1 软件系统结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 72 4.2.2 控制子程序 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 73 4.3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 79 第五章 红旗混合动力轿车控制策略台架试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 80 5.1 台架试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 80 5.1.1 试验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 80 5.1.2 试验台架方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 80 5.2 控制策略台架试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 82 5.2.1 试验控制算法的编制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 82 5.2.2 试验数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 87 5.2.3 试验工况设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 87 5.2.4 试验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 89 5.2.5 试验数据分析与处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 91 5.2.6 试验结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 98 5.3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 99 第六章 全文总结与研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 100 6.1 论文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 100 6.2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 100 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 101 致 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 104 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ I ABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ IV 第一章 绪 论 1第一章第一章 绪绪 论论 节能和排放是当今全球汽车工业发展的两大主题， 围绕这两大主题各国争 相开展绿色环保汽车——电动汽车的研制与开发。

然而， 作为纯电动汽车关键 技术的动力电池技术一直未能取得重大突破， 目前成为制约纯电动汽车市场化 推广的技术瓶颈 在上述背景下， 纯电动汽车与传统内燃机汽车的混血儿—— 混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）应运而生，成为目前清洁汽车中 最具有产业化和市场化前景的车型之一 本章主要就混合动力汽车的概念、 发 展现状和未来发展趋势作一些简要介绍，并提出本文研究的主要内容 1.1 混合动力汽车概述 1.1 混合动力汽车概述 本节主要就混合动力汽车的定义、 基本工作原理和混合动力汽车的突出特 点以及混合动力汽车的分类作简要阐述 1.1.1 混合动力汽车的定义[1][2] 1.1.1 混合动力汽车的定义[1][2] 混合动力汽车是电动汽车的一种国际电工委员会（IEC）电动汽车技术 委员会对混合动力汽车的定义为： 有多于一种能量转换器能提供驱动动力的混 合型电动汽车此外，也有学者对混合动力汽车作如下定义，即车辆驱动系统 由两个或多个能同时运转的驱动系统联合组成的、 车辆的行驶功率需求由单个 驱动系统单独或多个驱动系统共同提供的汽车 1.1.2 混合动力汽车基本原理 1.1.2 混合动力汽车基本原理 混合动力汽车的基本原理是采用适当的燃料转换装置（如内燃机）、储能 装置和电动机作为混合动力源， 在一整套严密的控制策略的控制下， 使燃料转 换装置、储能装置和电机在驱动工况下尽可能工作在高效率、低排放区域，在 汽车制动工况下， 通过发电机或电机工作象限的调整回收部分制动能量， 从而 大大改善汽车变工况行驶时的燃油经济性能、尾气排放性能和其它使用性能。

1.1.3 混合动力汽车的特点 1.1.3 混合动力汽车的特点 相对于传统内燃机汽车和纯电动汽车，混合动力汽车有诸多显著的优点 它既继承了石油燃料高比能量和高比功率的长处， 弥补了纯电动汽车续驶里程吉林大学硕士学位论文 2短的不足，又发扬了纯电动汽车作为“绿色汽车”节能和低排放的优点，显著 改善了整车燃油经济性能和排放性能，达到两种车辆优点的折衷统一 混合动力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， 保证储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，通过对电机的精确控制，混合动力汽 车可吸收汽车的相当一部分制动能量，以电能的形式重新存储在储能装置中， 实现了能源的直接再生 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 1.1.3.1 混合动力汽车有极佳的燃油经济性能 1.1.3.1 混合动力汽车有极佳的燃油经济性能 制定混合动力汽车控制策略的主要原则之一就是必须保证在不同的行驶 工况下燃料转换装置、 储能装置和电动机尽可能多的工作在高效率区域 这一 原则使得混合动力汽车有极佳的燃油经济 性能。

图 1-1 是德国大众高尔夫（Golf）轿 车采用混合驱动系统和传统内燃机驱动系 统的燃油经济性能比较，运行结果表明， 前者的燃油消耗比后者降低了 56.7%理 论分析[41]和现有。