混联式混合动力汽车动力总成控制系统研究与开发

【摘要】：混合动力汽车以其良好的动力性、经济性和排放性受到世界各大汽车制造商的广泛重视，将在今后很长的一段时间内发挥重要作用。本文在分析混联式混合动力汽车动力总成的组成及各主要部件的工作原理的基础上，确定了控制系统的总体方案，确定了动力总成的纯电驱动、发动机驱动和联合驱动等三种驱动模式，构建了CAN网络，与各组成部件的控制单元通过CAN总线通信来协调控制。对汽油发动机进行改装，添加了电子节气门，实现了对发动机输出功率的控制。通过对动力耦合器液压系统中各电磁阀的控制，实现了湿式离合器的分离和接合，从而实现了车辆驱动模式的切换。在深入分析了各工作模式的基础上，设计了整车控制策略，制定了通信协议，开发了整车控制器硬件、软件和控制算法，并进行了台架和样车实验。 在控制策略设计中，以发动机工作最佳区间和动力电池荷电状态（SOC）为主要参数。在分析车辆各种行驶工况及其工作模式的基础上，划分发动机的工作区间，设定电池SOC的工作范围，识别驾驶员操作意图，设计了基于规则的逻辑门限值方法的控制策略。 在构建CAN网络基本架构的基础上，制订了CAN网络的应用层通信协议，并作出性能测试和评估。实现基于统一诊断服务（UDS）的诊断网络。对电子节气门的控制，在分析传统PID控制的不足的基础上提出使用结合PID控制和模糊算法的模糊PID控制方法，获得了良好的静态和动态响应特性。在分析动力耦合器的机械、液压系统工作原理的基础上，提出了动力耦合系统在不同驱动模式之间切换的控制方法。 在硬件方面，在分析系统控制需求的基础上，开发了基于Freescale双核微控制器MC9S12XEP100CAG的整车控制器，包括其最小系统、电源管理、通信接口、输入调理以及复杂驱动等电路的设计。针对汽车环境，在硬件设计中采取了一些提高抗干扰性能及增强稳定性的措施。 在软件方面，详细划分了整车控制器的嵌入式软件架构。对操作系统进行优化从而保证控制系统的实时性，同时减少CPU负荷。此外还针对系统的功能、驱动、信号等构建对应的监控功能软件模块，以应对故障和失效。采取一定的抗干扰措施，增强系统在复杂环境下运行的稳定性。 在完成所有设计之后，将开发的控制系统集成到混合动力汽车的动力总成中进行台架测试和样车试验。试验过程中动力总成能够平顺的在各工作模式下进行切换，且工作稳定。这表明该控制系统能够对总成各部件进行有效地协调控制，达到了预期的设计目标。 【关键词】：混合动力汽车 动力总成 控制系统 CAN网络 整车控制器
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题的研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外的研究现状及发展趋势13-15
• 1.2.1 国外的混合动力汽车研究现状13
• 1.2.2 国内的混合动力汽车研究现状13-14
• 1.2.3 新能源汽车的发展趋势14-15
• 1.3 混合动力汽车分类及技术特点15-18
• 1.3.1 串联式混合动力汽车15-16
• 1.3.2 并联式混合动力汽车16
• 1.3.3 混联式混合动力汽车16-17
• 1.3.4 复合式混合动力汽车17-18
• 1.4 混合动力汽车的关键技术18-21
• 1.4.1 动力电池技术18-19
• 1.4.2 电机及电驱动技术19-20
• 1.4.3 动力传动系统20
• 1.4.4 多能源总成控制系统20-21
• 1.5 本文的主要研究内容21-22
• 1.5.1 课题来源21
• 1.5.2 课题的主要研究内容21-22
• 第二章 动力总成工作原理分析及控制策略设计22-40
• 2.1 动力总成的组成22
• 2.2 动力总成主要组成部件22-29
• 2.2.1 基础车型22-23
• 2.2.2 发动机及电子节气门23-24
• 2.2.3 集成起动机-发电机 ISG24-25
• 2.2.4 驱动电机25-26
• 2.2.5 动力电池26-27
• 2.2.6 动力耦合器27-28
• 2.2.7 变速器 AMT28
• 2.2.8 DC-DC 转换器28-29
• 2.3 动力总成工作原理29-30
• 2.4 动力总成控制策略30-38
• 2.4.1 总成控制策略设计30-31
• 2.4.2 驱动模式31-32
• 2.4.3 能量控制规则32-33
• 2.4.4 发动机工作区间划分33-34
• 2.4.5 动力电池 SOC 工作范围设定34
• 2.4.6 驾驶意图识别34-35
• 2.4.7 运行工况分析35-36
• 2.4.8 工作模式分析36-37
• 2.4.9 工作模式决策37-38
• 2.5 本章小结38-40
• 第三章 车载网络的设计和实现40-54
• 3.1 动力总成 CAN 控制网络架构41-42
• 3.2 控制网络通信协议的制定42-45
• 3.2.1 报文 ID 重定义42
• 3.2.2 通信报文定义42-43
• 3.2.3 报文中信号的定义43-45
• 3.3 通信网络性能测试与分析45-47
• 3.4 诊断网络47-53
• 3.4.1 UDS 诊断47-48
• 3.4.2 网络层48-50
• 3.4.3 诊断服务50-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第四章 电子节气门和动力耦合器控制54-69
• 4.1 电子节气门控制54-60
• 4.1.1 电子节气门结构及工作原理54-56
• 4.1.2 电子节气门控制系统组成及工作原理56
• 4.1.3 电子节气门传统 PID 控制56-57
• 4.1.4 电子节气门模糊 PID 控制57-59
• 4.1.5 测试结果分析59
• 4.1.6 抗干扰措施59-60
• 4.2 动力耦合器控制60-68
• 4.2.1 动力耦合器组成及工作原理61-62
• 4.2.2 动力耦合器控制系统组成及工作原理62-65
• 4.2.3 动力耦合器控制65-68
• 4.3 本章小结68-69
• 第五章 整车控制器的硬件设计69-82
• 5.1 动力总成控制系统需求69-70
• 5.2 整车控制器方案70-71
• 5.2.1 主控芯片选择70
• 5.2.2 控制器整体架构70-71
• 5.3 最小系统电路71-74
• 5.3.1 电源管理电路71-72
• 5.3.2 时钟电路72
• 5.3.3 复位电路72-74
• 5.4 通信接口设计74
• 5.5 输入信号调理74-77
• 5.5.1 开关信号调理74-75
• 5.5.2 模拟信号调理75-76
• 5.5.3 车速信号调理76-77
• 5.6 驱动电路77-80
• 5.6.1 H 桥驱动77-78
• 5.6.2 高边驱动78-79
• 5.6.3 低边驱动79-80
• 5.7 抗干扰措施80-81
• 5.7.1 供电防反接功能80
• 5.7.2 ESD 保护80-81
• 5.7.3 电磁兼容性 EMC81
• 5.7.4 过载保护81
• 5.8 本章小结81-82
• 第六章 整车控制器的软件开发82-100
• 6.1 整车控制器软件架构82-85
• 6.1.1 操作系统（OS）82-84
• 6.1.2 底层驱动（Low_Layer Drivers）84
• 6.1.3 中间层（Mid_Layer）84-85
• 6.1.4 应用层（App_Layer）85
• 6.2 实时性保障机制85-86
• 6.3 底层驱动86-91
• 6.3.1 时钟与复位发生器（CRG）87
• 6.3.2 模数转换模块（ATD）87-88
• 6.3.3 脉宽调制模块（PWM）88-89
• 6.3.4 控制器局域网模块（MSCAN）89-90
• 6.3.5 串行外设接口（SPI）90-91
• 6.4 复杂驱动91-93
• 6.4.1 低边开关驱动91
• 6.4.2 高边开关驱动91-92
• 6.4.3 H 桥驱动92-93
• 6.5 通信模块（COM）93-97
• 6.5.1 通信模型93-94
• 6.5.2 报文传输模式及传输机制94-96
• 6.5.3 报文传输软件实现96-97
• 6.6 监控功能97-98
• 6.7 抗干扰性和可靠性措施98-99
• 6.8 本章小结99-100
• 第七章 控制系统测试与分析100-107
• 7.1 整车控制器简介100-101
• 7.2 台架试验101-104
• 7.2.1 发动机启动101-102
• 7.2.2 电机控制102
• 7.2.3 ISG 发电控制102-103
• 7.2.4 AMT 换挡控制103-104
• 7.3 样车试验104-106
• 7.4 本章小结106-107
• 第八章 全文总结与工作展望107-109
• 8.1 全文总结107-108
• 8.2 工作展望108-109
• 参考文献109-111
• 中文详细摘要111-112
• 英文详细摘要112-113

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