混合动力汽车辅助动力单元控制系统研究

【摘要】：我国汽车工业可持续发展所面临的两大难题，一是环境污染，二是石油资源匮乏。混合动力汽车采用内燃机和电动机作为动力源，已经成为国际公认的解决两大难题的有效方法。日本、美国和欧洲等发达国家的政府部门、各大汽车公司和相关零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车和零部件研制开发以及关键技术攻关。进行的研究表明，混合动力汽车是解决两大难题最具竞争的途径，目前已取得了可喜的成绩。国家科技部也把混合动力汽车的整车和零部件开发列为“十五”“863”计划重大专项。本单位与中国汽车技术中心共同承担天津“十五”重点攻关项目－“混合动力汽车用发动机匹配及动力系统”的研制开发。本单位主要负责辅助动力单元（发动机－发电机组，又称APU）控制系统及CAN通讯系统的开发。本文即围绕这项技术开展研究工作。 辅助动力单元作为混合动力汽车的主动力源，其控制策略和控制算法的优劣将直接影响到整车的动力性、经济性和排放性。本文详细分析确定了辅助动力单元的控制策略和控制算法，并编制和开发了相应的控制和通讯系统的软硬件。通过整车台架实验，验证了控制和通讯系统的可行性及控制算法的正确性，为混合动力辅助动力单元控制系统开发和方案设计提供理论依据。本文开展了以下几个方面的研究工作： 首先，本文对串联混合动力中巴结构型式及其动力总成（发动机－发电机组，电动机，电池）进行选型分析，并对其特性参数选择提供了选择原则，根据中巴车的性能指标确定了动力总成的主要参数。各元件参数确定之后，本文分析研究了串联混合动力汽车的控制策略及工作模式，串联混合动力的控制策略分为恒温器式和功率跟随式，它们之间具有各自的控制侧重点及优缺点；接着通过仿真结果分析和研究了两种控制模式的控制效果，最后将功率跟随加恒 WP=76 温器作为本串联系统的控制策略，它融合了两种控制策略的优点，使整车的性能指标均能达到预期的目标。经过本文的介绍，使我们对串联混合动力汽车的控制策略有了更进一步的了解和掌握，并为辅助动力单元控制策略及控制目标的确定提供依据和原则。 其次，本文研究并分析了辅助动力单元系统的控制策略和工作模式，其控制策略分为最低燃油消耗点控制和最低燃油消耗线控制两种，它们之间具有各自的控制侧重点和优缺点；本文根据SOFIM8140.43C发动机工作区域内的等油耗线，确定了发动机的最佳工作区，接着通过仿真结果分析，确定了最低燃油消耗点线接合控制方案，它保证发动机始终工作在燃油消耗和排放性较好的区域，且避免了发动机的频繁启动，电池组也始终处于浅循环充放电，对两者都有利。辅助动力单元控制策略和控制算法的确定为控制系统软件设计提供了理论依据。 再次，本文根据辅助动力单元控制策略确定了其控制方案和控制方法，并编制和设计了相应的控制系统和通讯系统的软、硬件。本文详细设计了APU系统起动、怠速暖机、稳态工作和停机的程序框图，并在发动机恒转速控制和发电机励磁电流控制中加入了智能PID控制算法，进行了在线PID控制参数调整并获得了满意的效果。本控制系统包括APU电控系统和CAN通讯系统。APU电控系统负责数据采集并将其处理成CPU能够处理的数字量，将CPU计算输出的控制数字量转换为执行器的驱动量来调整发动机油门位置。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，已被广泛应用于工业控制领域，故本文采用CAN总线通讯系统，主要负责APU控制系统与各子系统和主控制系统之间的信息传递并实时监测APU系统工作参数实现故障诊断功能。在单片机系统设计中，本文采用了80C196KB作为主控芯片，82527作为独立CAN总线控制器，TJA1050作为CAN收发器，同时设计了电控单元软件和硬件方面的抗干扰措施，以提高控制单元工作的可靠性和抗干扰性能，保证它能够正常工作。 最后，本文在完成APU系统性能曲线实验后，设计了混合动力系统联合调试试验台架，完成了各子系统输入输出量的测试，各子系统的性能实验及控制系统和通讯系统的开发调试。从实验数据可以看出，混合动力中巴不仅在动力性方面有很大提高，而且发动机工作在油耗和排放相对较低的区域，燃油经济性百公里油耗由原车的23.59L下降到13.4L，下降了43.2％，HC、NOX、 WP=77 CO排放较原车分别下降了65.2％、33.9％、19.5％。这表明所设计的辅助动力单元控制系统控制策略的可行性，同时该试验圆满完成了第一轮的性能测试任务，提供了详细的稳态实验结果，有效验证了控制算法的正确性，为控制系统进一步开发和优化提供了依据。 综合上述研究内容，本文所开发的辅助动力单元控制器达到了项目要求的性能指标，为混合动力APU系统进一步优化设计提供了依据，并为混合动力汽车整车控制系统开发奠定了基础，所以本文的研究成果对推动我国混合动力汽车的研究具有一定的现实意义。 【关键词】：混合动力汽车（HEV） 辅助动力单元（APU） 控制策略（CS） 控制器局域网（CAN）
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 第一章 绪论6-12
• 1.1 混合动力汽车概述6-8
• 1.2 混合动力汽车的现状及发展趋势8-10
• 1.2.1 混合动力汽车的发展现状8-10
• 1.2.2 混合动力汽车发展趋势10
• 1.3 论文主要研究内容10-12
• 第二章 混合动力驱动系统的总体设计12-23
• 2.1 混合动力驱动系统的基本结构和工作原理12-15
• 2.1.1 串联式HEV驱动系统12-13
• 2.1.2 并联式HEV驱动系统13-14
• 2.1.3 混联式HEV驱动系统14-15
• 2.2 混和动力驱动系统总体设计15-20
• 2.2.1 驱动系统结构的确定15-16
• 2.2.2 电能分配机构的选择16-17
• 2.2.3 部件选择17-18
• 2.2.4 控制策略18-20
• 2.3 整车性能仿真20-22
• 2.3.1 快速原型与整车仿真系统20-21
• 2.3.2 仿真结果与分析21-22
• 2.4 本章小节22-23
• 第三章 辅助动力单元系统控制器方案设计23-33
• 3.1 APU 系统控制器原理与方案设计23-26
• 3.1.1 最低燃油消耗线控制方案23
• 3.1.2 最低燃油消耗点控制方案23-24
• 3.1.3 APU系统控制方案确定24-26
• 3.2 APU系统控制策略的具体实现26-32
• 3.2.1 APU系统工作原理26-28
• 3.2.2 APU系统控制方法28-32
• 3.2.2.1 发动机转速的PID控制算法28-32
• 3.2.2.2 发电机励磁控制器32
• 3.3 本章小结32-33
• 第四章 辅助动力单元控制系统硬件设计33-44
• 4.1 控制系统和通讯系统硬件整体设计33
• 4.2 控制系统硬件电路设计33-38
• 4.2.1 电控单元传感器输入信号处理电路34-36
• 4.2.2 电控单元单片机系统电路设计36
• 4.2.3 电控单元执行器输出电路设计36-37
• 4.2.4 电源的处理电路37-38
• 4.3 CAN通讯系统接口设计38-41
• 4.3.1 CAN通讯系统通讯接口的硬件设计39-40
• 4.3.2 CAN通讯系统的通讯协议40-41
• 4.4 电控单元硬件抗干扰措施41-43
• 4.5 本章小结43-44
• 第五章 辅助动力单元控制系统软件设计44-53
• 5.1 控制单元系统的软件设计44-48
• 5.1.1 起动工况的控制44
• 5.1.2 怠速及暖机过程控制44
• 5.1.3 APU系统稳态工况过程控制44-45
• 5.1.4 控制系统主程序流程图45-48
• 5.2 通讯系统的软件设计48-50
• 5.2.1 CAN通讯系统的功能48-49
• 5.2.2 CAN通讯系统软件流程图49-50
• 5.3 系统软件抗干扰措施50-52
• 5.4 本章小结52-53
• 第六章 台架试验及结果分析53-68
• 6.1 辅助动力单元台架实验53-56
• 6.1.1 发动机性能实验53
• 6.1.2 发电机性能实验53-55
• 6.1.3 APU系统性能实验55-56
• 6.2 系统联合调试实验结果56-67
• 6.2.1 系统动力性能测试结果59-63
• 6.2.2 系统经济性和排放性测试结果63-67
• 6.3 本章小结67-68
• 第七章 全文总结68-70
• 参 考 文 献70-74
• 致 谢74-81

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