混合动力汽车动力传动控制系统的研究与开发

【摘要】： 动力传动控制系统是混合动力汽车的关键技术。本文从能量控制和过渡品质控制两个方面研究动力传动控制系统。虽有大量文献研究了混合动力能量控制，但是对于四轮驱动的混合动力传动系统能量控制研究却很少。另外，现有文献对过渡品质控制也只涉及到动力协调控制。本文针对动力传动系统控制问题，完成了从“概念分析”到“算法开发”，从“仿真研究”到“样车试验”的全过程。 本文将四轮驱动的混合动力传动系统控制分为动力传动系统的能量控制和过渡品质控制，能量控制就是确定动力传动系统中各个部件的运行状态及其工作参数，品质控制就是协调动力源与动力源，动力源和自动变速器以及变速器本身控制。 首先用部件稳态效率MAP图和混合建模方法，建立了混合动力系统的仿真模型。在建立仿真模型的研究中，通过部件接口参数的规格化使复杂机电系统的动力学建模程式化和柔性化。 然后对多能源动力传动控制系统的能量控制进行了深入研究。以整车高效率为目标，进行了整车能量控制的设计和仿真，得到了车载能量控制策略。 其次研究了动力传动过渡品质控制，指出过渡品质控制包括工作模式循环控制、动力协调控制、换档循环控制、工作极限控制和换档过程控制，并对各种控制提出了相应算法。除此之外，对混合动力传动系统用自动变速器的液压控制单元也进行了详细研究。 本文还研究了动力传动系统的组成，分析了各个控制器之间的逻辑功能关系，设计了各个控制器之间的信息交换协议。在研究CAN总线协议原理基础上，设计了动力传动控制系统的总线应用协议；在分析了混和动力车辆运行过程的基础之上，把动力传动控制系统分成四个层次，并且使用状态图对其中两层进行了详细描述。 最后本文以对动力传动系统研究结论为基础，分析了整车控制器和自动变速器控制器与外界关系，开发出整车控制器和自动变速器控制器。在控制器设计中，使用了相对测量原理和模块设计方法，提高了电路的抗干扰能力，并使用基于数据库的软件体系结构设计了系统软件，设计出的系统软件既有运行效率高又有可移植性好的特点。 完成了所有设计之后，本文对装有所设计的控制器的样车进行了调试和道路试验。道路试验过程中车速变化平稳，无明显冲击感，说明设计的动力传动控制系统达到了预期功能。 【关键词】：混合动力传动系统 控制系统 仿真模型 能量控制 过渡品质控制 用户协议 相对测量 软件体系结构
【学位授予单位】：同济大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：U469.7;U463.2
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 第1章 绪论16-31
• 1.1 课题研究的背景、意义及其来源16-18
• 1.2 HEV的动力传动系统分类18-21
• 1.2.1 串联混合动力传动系统19
• 1.2.2 并联混合动力传动系统19-20
• 1.2.3 混联式混合动力传动系统20
• 1.2.4 复合式混合动力传动系统20-21
• 1.3 混合动力传动系统的控制问题21
• 1.4 混合动力传动系统能量控制策略研究21-24
• 1.4.1 基于规则的能量控制策略22-23
• 1.4.2 基于优化算法的能量控制策略23
• 1.4.3 基于智能控制的能量控制策略23-24
• 1.5 混合动力传动系统过渡品质控制策略研究24-26
• 1.6 混合动力传动控制系统开发方法研究26-29
• 1.6.1 混合动力传动系统控制算法开发方法26-27
• 1.6.2 控制软件开发方法27
• 1.6.3 混合动力传动控制系统的调试方法27-28
• 1.6.4 混合动力传动控制系统的一体化开发方法28-29
• 1.7 本文主要研究内容29-31
• 第2章 动力传动系统结构及其建模31-60
• 2.1 登峰一号混合动力传动系统结构31-33
• 2.2 系统和部件建模方法33-38
• 2.2.1 动力传动系统建模方法34-36
• 2.2.2 部件的正仿真模型36-37
• 2.2.3 部件的逆仿真模型37-38
• 2.3 动力传动系统关键部件建模38-56
• 2.3.1 发动机模型38-44
• 2.3.2 轮毂电机和发电机模型44-46
• 2.3.2.1 轮毂电机模型44-45
• 2.3.2.2 发电机模型45-46
• 2.3.3 电池模型46-48
• 2.3.4 自动变速器模型48-54
• 2.3.4.1 液力变矩器模型49-52
• 2.3.4.2 行星齿轮变速器模型52-53
• 2.3.4.3 主减速器模型53-54
• 2.3.5 液压制动分配器模型54
• 2.3.6 车轮模型54-56
• 2.4 车辆行驶模型56-59
• 2.4.1 驾驶模型56-57
• 2.4.2 车辆模型57-59
• 2.5 小结59-60
• 第3章 动力传动系统能量控制策略60-91
• 3.1 动力传动系统工作模式60-67
• 3.2 动力传动系统输出特性67-73
• 3.2.1 纯发动机工作模式输出特性68-71
• 3.2.1.1 纯发动机模式下动力传动系统闭锁输出特性68-69
• 3.2.1.2 纯发动机模式下动力传动系统非闭锁输出特性69-71
• 3.2.2 纯电动机工作模式输出特性71-72
• 3.2.3 发动机与发电机共同工作模式输出特性72
• 3.2.4 发动机与电动机共同工作模式输出特性72-73
• 3.3 车辆负载特性73-76
• 3.4 动力传动系统输出特性场燃油经济性76-78
• 3.4.1 发动机及其与液力变矩器联合输出燃油效率图76-77
• 3.4.2 纯发动机模式动力传动系统闭锁输出特性燃油经济77-78
• 3.5 动力传动系统能量控制策略78-88
• 3.5.1 动力传动系统操作需求分析78-82
• 3.5.1.1 驾驶员需求计算78-81
• 3.5.1.2 动力电池需求计算81-82
• 3.5.2 动力传动系统工作区域划分82-85
• 3.5.3 动力传动系统工作模式确定85-87
• 3.5.4 动力传动系统工作点区域的确定87-88
• 3.6 能量控制策略的仿真研究88-89
• 3.7 结论89-91
• 第4章 动力传动系统过渡品质控制策略91-116
• 4.1 动力传动系统工作模式控制91-93
• 4.1.1 动力传动系统工作模式循环转换控制91-92
• 4.1.2 动力传动系统输出力矩协调控制92-93
• 4.2 动力传动系统换档控制93-96
• 4.2.1 自动变速器换档循环控制94
• 4.2.2 自动变速器工作极限控制94-95
• 4.2.3 自动变速器换档过程控制原则95-96
• 4.3 自动变速器控制规律96-104
• 4.3.1 液力变矩器控制规律97-98
• 4.3.2 自动变速器变速机构控制规律98-104
• 4.4 自动变速器液压控制单元控制104-115
• 4.4.1 液压控制单元组成104-106
• 4.4.2 液压控制单元功能106-107
• 4.4.3 液压控制单元107-115
• 4.5 小结115-116
• 第5章 动力传动控制系统设计116-136
• 5.1 控制系统结构框图及其组成单元描述116-119
• 5.1.1 控制系统结构框图116
• 5.1.2 控制单元描述116-119
• 5.2 控制系统网络通信协议定义119-127
• 5.2.1 现场总线网络通信协议模型及特点119-121
• 5.2.2 CAN总线模型及其特征121-122
• 5.2.3 用户协议定义122-127
• 5.3 动力传动控制系统运行过程描述127-135
• 5.3.1 动力传动系统工作状态及其相互转换128-131
• 5.3.2 动力传动控制系统工作状态控制过程131-135
• 5.4 小结135-136
• 第6章 动力传动控制系统计算机控制装置设计及样车试验136-182
• 6.1 控制装置输入/输出信号功能和电气特性描述136-147
• 6.1.1 整车电子控制装置输入/输出信号功能和电气特性136-141
• 6.1.1.1 转速信号137-138
• 6.1.1.2 进气压力信号138
• 6.1.1.3 节气温度信号138-139
• 6.1.1.4 节气门开度信号139
• 6.1.1.5 油门和制动踏板行程信号139
• 6.1.1.6 VMS对发动机控制原理139-140
• 6.1.1.7 继电器线圈控制输出开关信号140-141
• 6.1.1.8 模拟电流和模拟电压输出信号141
• 6.1.1.9 CAN总线信号141
• 6.1.2 自动变速器用电子控制装置输入/输出信号功能和电气特性141-147
• 6.1.2.1 多功能开关输入信号(S1、S2、S3、S4和 P/N)142-143
• 6.1.2.2 程序选择器输入信号(S、~*和1)143-144
• 6.1.2.3 制动开关输入信号(Break)144
• 6.1.2.4 变速器输入/输出转速输入信号144
• 6.1.2.5 油压传感器输入信号144-145
• 6.1.2.6 油温传感器输入信号145-146
• 6.1.2.7 顺序电磁阀控制输出信号146
• 6.1.2.8 调节电磁阀控制输出信号146-147
• 6.1.2.9 变速杆锁止驱动器147
• 6.1.2.10 流量调节电磁阀147
• 6.2 控制装置硬件设计147-168
• 6.2.1 控制装置电源设计148-152
• 6.2.1.1 +7V电源设计149-151
• 6.2.1.2 +5VP、+5VM、+5VB和+2.6电源设计151-152
• 6.2.2 控制装置主机设计152-157
• 6.2.2.1 微控制器选择153-154
• 6.2.2.2 CAN总线电路设计154-155
• 6.2.2.3 主机主要外围电路设计155-157
• 6.2.3 控制装置过程通道设计157-168
• 6.2.3.1 数字输出电路设计157-158
• 6.2.3.2 脉冲输出电路设计158-160
• 6.2.3.3 模拟输出电路设计160-163
• 6.2.3.4 数字输入电路设计163-164
• 6.2.3.5 脉冲输入电路设计164-165
• 6.2.3.6 模拟输入电路设计165-168
• 6.3 控制装置软件设计168-177
• 6.3.1 控制软件体系结构169-170
• 6.3.2 控制软件用数据库构成及其操作流程170-172
• 6.3.3 驱动程序模块设计172-176
• 6.3.3.1 D/A、A/D和数字驱动程序模块设计173-174
• 6.3.3.2 速度驱动程序模块设计174-175
• 6.3.3.3 CAN通信驱动程序模块设计175-176
• 6.3.4 应用程序主模块设计176-177
• 6.4 混合动力传动系统样车试验177-180
• 6.5 小结180-182
• 第7章 结论与展望182-185
• 7.1 结论182-183
• 7.2 论文的创新点183-184
• 7.3 研究展望184-185
• 参考文献185-192
• 致谢192-193
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果193

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