混合動力汽車輔助動力單元控制系統(tǒng)研究

【摘要】：我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的兩大難題，一是環(huán)境污染，二是石油資源匱乏?；旌蟿恿ζ嚥捎脙?nèi)燃機和電動機作為動力源，已經(jīng)成為國際公認的解決兩大難題的有效方法。日本、美國和歐洲等發(fā)達國家的政府部門、各大汽車公司和相關(guān)零部件廠商都投入巨資進行混合動力汽車和零部件研制開發(fā)以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。進行的研究表明，混合動力汽車是解決兩大難題最具競爭的途徑，目前已取得了可喜的成績。國家科技部也把混合動力汽車的整車和零部件開發(fā)列為“十五”“863”計劃重大專項。本單位與中國汽車技術(shù)中心共同承擔天津“十五”重點攻關(guān)項目－“混合動力汽車用發(fā)動機匹配及動力系統(tǒng)”的研制開發(fā)。本單位主要負責輔助動力單元（發(fā)動機－發(fā)電機組，又稱APU）控制系統(tǒng)及CAN通訊系統(tǒng)的開發(fā)。本文即圍繞這項技術(shù)開展研究工作。 輔助動力單元作為混合動力汽車的主動力源，其控制策略和控制算法的優(yōu)劣將直接影響到整車的動力性、經(jīng)濟性和排放性。本文詳細分析確定了輔助動力單元的控制策略和控制算法，并編制和開發(fā)了相應(yīng)的控制和通訊系統(tǒng)的軟硬件。通過整車臺架實驗，驗證了控制和通訊系統(tǒng)的可行性及控制算法的正確性，為混合動力輔助動力單元控制系統(tǒng)開發(fā)和方案設(shè)計提供理論依據(jù)。本文開展了以下幾個方面的研究工作： 首先，本文對串聯(lián)混合動力中巴結(jié)構(gòu)型式及其動力總成（發(fā)動機－發(fā)電機組，電動機，電池）進行選型分析，并對其特性參數(shù)選擇提供了選擇原則，根據(jù)中巴車的性能指標確定了動力總成的主要參數(shù)。各元件參數(shù)確定之后，本文分析研究了串聯(lián)混合動力汽車的控制策略及工作模式，串聯(lián)混合動力的控制策略分為恒溫器式和功率跟隨式，它們之間具有各自的控制側(cè)重點及優(yōu)缺點；接著通過仿真結(jié)果分析和研究了兩種控制模式的控制效果，最后將功率跟隨加恒 WP=76 溫器作為本串聯(lián)系統(tǒng)的控制策略，它融合了兩種控制策略的優(yōu)點，使整車的性能指標均能達到預(yù)期的目標。經(jīng)過本文的介紹，使我們對串聯(lián)混合動力汽車的控制策略有了更進一步的了解和掌握，并為輔助動力單元控制策略及控制目標的確定提供依據(jù)和原則。 其次，本文研究并分析了輔助動力單元系統(tǒng)的控制策略和工作模式，其控制策略分為最低燃油消耗點控制和最低燃油消耗線控制兩種，它們之間具有各自的控制側(cè)重點和優(yōu)缺點；本文根據(jù)SOFIM8140.43C發(fā)動機工作區(qū)域內(nèi)的等油耗線，確定了發(fā)動機的最佳工作區(qū)，接著通過仿真結(jié)果分析，確定了最低燃油消耗點線接合控制方案，它保證發(fā)動機始終工作在燃油消耗和排放性較好的區(qū)域，且避免了發(fā)動機的頻繁啟動，電池組也始終處于淺循環(huán)充放電，對兩者都有利。輔助動力單元控制策略和控制算法的確定為控制系統(tǒng)軟件設(shè)計提供了理論依據(jù)。 再次，本文根據(jù)輔助動力單元控制策略確定了其控制方案和控制方法，并編制和設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)的軟、硬件。本文詳細設(shè)計了APU系統(tǒng)起動、怠速暖機、穩(wěn)態(tài)工作和停機的程序框圖，并在發(fā)動機恒轉(zhuǎn)速控制和發(fā)電機勵磁電流控制中加入了智能PID控制算法，進行了在線PID控制參數(shù)調(diào)整并獲得了滿意的效果。本控制系統(tǒng)包括APU電控系統(tǒng)和CAN通訊系統(tǒng)。APU電控系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)采集并將其處理成CPU能夠處理的數(shù)字量，將CPU計算輸出的控制數(shù)字量轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器的驅(qū)動量來調(diào)整發(fā)動機油門位置。CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，故本文采用CAN總線通訊系統(tǒng)，主要負責APU控制系統(tǒng)與各子系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)之間的信息傳遞并實時監(jiān)測APU系統(tǒng)工作參數(shù)實現(xiàn)故障診斷功能。在單片機系統(tǒng)設(shè)計中，本文采用了80C196KB作為主控芯片，82527作為獨立CAN總線控制器，TJA1050作為CAN收發(fā)器，同時設(shè)計了電控單元軟件和硬件方面的抗干擾措施，以提高控制單元工作的可靠性和抗干擾性能，保證它能夠正常工作。 最后，本文在完成APU系統(tǒng)性能曲線實驗后，設(shè)計了混合動力系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試試驗臺架，完成了各子系統(tǒng)輸入輸出量的測試，各子系統(tǒng)的性能實驗及控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。從實驗數(shù)據(jù)可以看出，混合動力中巴不僅在動力性方面有很大提高，而且發(fā)動機工作在油耗和排放相對較低的區(qū)域，燃油經(jīng)濟性百公里油耗由原車的23.59L下降到13.4L，下降了43.2％，HC、NOX、 WP=77 CO排放較原車分別下降了65.2％、33.9％、19.5％。這表明所設(shè)計的輔助動力單元控制系統(tǒng)控制策略的可行性，同時該試驗圓滿完成了第一輪的性能測試任務(wù)，提供了詳細的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果，有效驗證了控制算法的正確性，為控制系統(tǒng)進一步開發(fā)和優(yōu)化提供了依據(jù)。 綜合上述研究內(nèi)容，本文所開發(fā)的輔助動力單元控制器達到了項目要求的性能指標，為混合動力APU系統(tǒng)進一步優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)，并為混合動力汽車整車控制系統(tǒng)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，所以本文的研究成果對推動我國混合動力汽車的研究具有一定的現(xiàn)實意義。 【關(guān)鍵詞】：混合動力汽車（HEV） 輔助動力單元（APU） 控制策略（CS） 控制器局域網(wǎng)（CAN）
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2004
【分類號】：U469.7
【目錄】：

• 第一章 緒論6-12
• 1.1 混合動力汽車概述6-8
• 1.2 混合動力汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢8-10
• 1.2.1 混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀8-10
• 1.2.2 混合動力汽車發(fā)展趨勢10
• 1.3 論文主要研究內(nèi)容10-12
• 第二章 混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的總體設(shè)計12-23
• 2.1 混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理12-15
• 2.1.1 串聯(lián)式HEV驅(qū)動系統(tǒng)12-13
• 2.1.2 并聯(lián)式HEV驅(qū)動系統(tǒng)13-14
• 2.1.3 混聯(lián)式HEV驅(qū)動系統(tǒng)14-15
• 2.2 混和動力驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計15-20
• 2.2.1 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定15-16
• 2.2.2 電能分配機構(gòu)的選擇16-17
• 2.2.3 部件選擇17-18
• 2.2.4 控制策略18-20
• 2.3 整車性能仿真20-22
• 2.3.1 快速原型與整車仿真系統(tǒng)20-21
• 2.3.2 仿真結(jié)果與分析21-22
• 2.4 本章小節(jié)22-23
• 第三章 輔助動力單元系統(tǒng)控制器方案設(shè)計23-33
• 3.1 APU 系統(tǒng)控制器原理與方案設(shè)計23-26
• 3.1.1 最低燃油消耗線控制方案23
• 3.1.2 最低燃油消耗點控制方案23-24
• 3.1.3 APU系統(tǒng)控制方案確定24-26
• 3.2 APU系統(tǒng)控制策略的具體實現(xiàn)26-32
• 3.2.1 APU系統(tǒng)工作原理26-28
• 3.2.2 APU系統(tǒng)控制方法28-32
• 3.2.2.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速的PID控制算法28-32
• 3.2.2.2 發(fā)電機勵磁控制器32
• 3.3 本章小結(jié)32-33
• 第四章 輔助動力單元控制系統(tǒng)硬件設(shè)計33-44
• 4.1 控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)硬件整體設(shè)計33
• 4.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計33-38
• 4.2.1 電控單元傳感器輸入信號處理電路34-36
• 4.2.2 電控單元單片機系統(tǒng)電路設(shè)計36
• 4.2.3 電控單元執(zhí)行器輸出電路設(shè)計36-37
• 4.2.4 電源的處理電路37-38
• 4.3 CAN通訊系統(tǒng)接口設(shè)計38-41
• 4.3.1 CAN通訊系統(tǒng)通訊接口的硬件設(shè)計39-40
• 4.3.2 CAN通訊系統(tǒng)的通訊協(xié)議40-41
• 4.4 電控單元硬件抗干擾措施41-43
• 4.5 本章小結(jié)43-44
• 第五章 輔助動力單元控制系統(tǒng)軟件設(shè)計44-53
• 5.1 控制單元系統(tǒng)的軟件設(shè)計44-48
• 5.1.1 起動工況的控制44
• 5.1.2 怠速及暖機過程控制44
• 5.1.3 APU系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況過程控制44-45
• 5.1.4 控制系統(tǒng)主程序流程圖45-48
• 5.2 通訊系統(tǒng)的軟件設(shè)計48-50
• 5.2.1 CAN通訊系統(tǒng)的功能48-49
• 5.2.2 CAN通訊系統(tǒng)軟件流程圖49-50
• 5.3 系統(tǒng)軟件抗干擾措施50-52
• 5.4 本章小結(jié)52-53
• 第六章 臺架試驗及結(jié)果分析53-68
• 6.1 輔助動力單元臺架實驗53-56
• 6.1.1 發(fā)動機性能實驗53
• 6.1.2 發(fā)電機性能實驗53-55
• 6.1.3 APU系統(tǒng)性能實驗55-56
• 6.2 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試實驗結(jié)果56-67
• 6.2.1 系統(tǒng)動力性能測試結(jié)果59-63
• 6.2.2 系統(tǒng)經(jīng)濟性和排放性測試結(jié)果63-67
• 6.3 本章小結(jié)67-68
• 第七章 全文總結(jié)68-70
• 參 考 文 獻70-74
• 致 謝74-81

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