ISG柴電混合動力汽車多能源管理策略研究

【摘要】：與傳統(tǒng)汽車相比，混合電動汽車具有較高的系統(tǒng)效率，更強的續(xù)航能力以及優(yōu)良的燃油經(jīng)濟性，是新一代汽車動力系統(tǒng)的重點研究對象。本文研究的單軸并聯(lián)式系統(tǒng)（ISG，Integrated Starter/Generator）是在發(fā)動機和飛輪之間增加薄型永磁同步電機；采用高功率鎳氫蓄電池作為輔助能量源；通過高效智能的控制策略實現(xiàn)發(fā)動機自動起停、加速助力、制動回饋等多項功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、適應(yīng)性強，是目前最具有產(chǎn)業(yè)化前景的大功率城市公交車用混合動力類型。 本文在研究ISG混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能的同時主要對混合動力汽車核心控制策略多能源管理策略進行了比較深入的探索，包括如下的研究重點： 1)首先對國內(nèi)外混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，特別是多能源管理策略所采取的控制方法進行調(diào)研，比較了各種方法的優(yōu)缺點，吸收有益的經(jīng)驗為制訂適合本系統(tǒng)的管理策略提供依據(jù)。 2)分析了ISG混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運行模式和功能。采用分層控制的思想的設(shè)計ISG混合動力控制系統(tǒng)，開發(fā)出與國際標(biāo)準(zhǔn)兼容的整車CAN通訊協(xié)議，提出以MC68376為核心的硬件設(shè)計方案。 3)采用汽車電子標(biāo)準(zhǔn)“v”開發(fā)流程，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立ISG混合動力整車的前向式仿真平臺和基本多能源控制策略；并采取多種道路工況對系統(tǒng)效率和蓄電池SOC平衡的影響進行關(guān)聯(lián)分析，為制定合理的多能源管理策略提供了依據(jù)。 4)采用多模變結(jié)構(gòu)控制理論和優(yōu)化模糊算法設(shè)計功能完善，具有較快計算速度和較高魯棒性的多能源管理策略。包括設(shè)計具有無擾動切換的運行模式調(diào)度機、智能的自動起停策略和自適應(yīng)起動發(fā)動機策略等輔助策略；以及采取整車需求扭矩、蓄電池SOC和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等三參數(shù)的主控扭矩分配策略；并通過仿真平臺對多能源管理策略進行優(yōu)化和驗證。 5)根據(jù)國標(biāo)設(shè)計臺架試驗和道路試驗來測試零部件以及ISG混合動力整車的實際性能。臺架試驗包括ISG電機特性試驗、ISG混合動力總成外特性試驗、混合動力功能試驗等；道路試驗包括動力性試驗和經(jīng)濟性試驗。試驗表明，ISG電機最大扭矩為350N.m，基本滿足設(shè)計要求；ISG總成最大外特性與原車裝備的6缸機相當(dāng)，而低轉(zhuǎn)速階段最大扭矩比4缸發(fā)動機提高27%。ISG樣車0-50km/h的加速時間比原車縮短9.5%，0-80km/h的加速時間與原車相同，具有更好的起步加速特性。在滿足蓄電池的SOC平衡的條件下道路試驗表明ISG樣車比原車油耗下降25%，節(jié)油效果處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。 【關(guān)鍵詞】：混合電動汽車 單軸并聯(lián)式 多能源管理策略 變結(jié)構(gòu)控制 模糊控制 優(yōu)化控制 燃油經(jīng)濟性
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：U469.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目錄9-14
• 符號說明14-19
• 第一章 緒論19-41
• 1.1 混合動力汽車研究背景和動機19-20
• 1.2 清潔能源汽車分類和路線圖20-21
• 1.3 混合動力汽車概述21-39
• 1.3.1 混合動力對車輛經(jīng)濟性和排放的改善22-24
• 1.3.2 混合動力分類24-29
• 1.3.3 混合動力國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)29-33
• 1.3.4 混合動力汽車關(guān)鍵技術(shù)33-35
• 1.3.5 混合動力多能源管理策略概述35-39
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容39-41
• 第二章 ISG 混合動力總成控制系統(tǒng)設(shè)計41-60
• 2.1 ISG 并聯(lián)式混合動力總成設(shè)計41-45
• 2.1.1 ISG 混合動力客車動力總成概述41-43
• 2.1.2 ISG 系統(tǒng)功能設(shè)計43-45
• 2.2 ISG 系統(tǒng)零部件選型與參數(shù)設(shè)計45-52
• 2.2.1 發(fā)動機選型45-46
• 2.2.2 電動機選型46-47
• 2.2.3 蓄電池選型47-49
• 2.2.4 ISG 整車總成參數(shù)49-52
• 2.3 ISG 并聯(lián)式混合動力控制系統(tǒng)設(shè)計52-54
• 2.4 CAN 通訊協(xié)議設(shè)計54-56
• 2.4.1 報文格式54-55
• 2.4.2 應(yīng)用層協(xié)議55-56
• 2.4.3 故障處理56
• 2.5 HCU 的硬件設(shè)計56-59
• 2.5.1 硬件的總體方案57-58
• 2.5.2 接口設(shè)計58-59
• 2.6 本章小結(jié)59-60
• 第三章 ISG 柴電混合動力仿真分析60-84
• 3.1 仿真分析的必要性60-61
• 3.2 前向式整車仿真模型61-71
• 3.2.1 零部件模型62-65
• 3.2.2 傳動系模型65-67
• 3.2.3 自動駕駛模型67-68
• 3.2.4 前向式仿真平臺驗證68-71
• 3.3 基本控制策略71-77
• 3.3.1 怠速停機策略71
• 3.3.2 制動回饋策略71-74
• 3.3.3 扭矩分配策略74-76
• 3.3.4 蓄電池 SOC 平衡策略76-77
• 3.4 仿真分析77-82
• 3.4.1 能量轉(zhuǎn)化路徑77-78
• 3.4.2 系統(tǒng)效率與 SOC 變化關(guān)聯(lián)分析78-80
• 3.4.3 各功能節(jié)油分析及驗證80-82
• 3.5 本章小結(jié)82-84
• 第四章 基于變結(jié)構(gòu)思想的輔助多能源管理策略研究84-101
• 4.1 多能源控制策略概述84-86
• 4.1.1 多能源控制策略的組成84-85
• 4.1.2 變結(jié)構(gòu)控制思想85-86
• 4.2 運行模式調(diào)度策略86-92
• 4.2.1 有限狀態(tài)機原理87-88
• 4.2.2 ISG 混合動力汽車的狀態(tài)機設(shè)計88-89
• 4.2.3 狀態(tài)機的 Stateflow 實現(xiàn)89-92
• 4.3 自動起停策略設(shè)計92-94
• 4.3.1 自動起動/停機判斷92-93
• 4.3.2 自動起動/停機的實現(xiàn)93-94
• 4.4 起動發(fā)動機策略設(shè)計94-97
• 4.4.1 起動過程分析94-95
• 4.4.2 起動控制策略95-97
• 4.5 整車扭矩管理器設(shè)計97-100
• 4.5.1 整車需求扭矩解釋器設(shè)計97-98
• 4.5.2 電機扭矩限制98-100
• 4.6 本章小結(jié)100-101
• 第五章 基于模糊優(yōu)化算法的多能源扭矩分配策略研究101-122
• 5.1 基于模糊優(yōu)化分配的扭矩分配策略101-103
• 5.1.1 采用模糊算法的優(yōu)越性101-102
• 5.1.2 基于模糊算法的優(yōu)化扭矩分配策略102-103
• 5.2 模糊控制的原理103-108
• 5.2.1 模糊集合與語言變量103-105
• 5.2.2 隸屬度函數(shù)105-106
• 5.2.3 解模糊的方法106
• 5.2.4 模糊推理106-107
• 5.2.5 查表機制107-108
• 5.3 模糊邏輯扭矩分配策略的設(shè)計108-116
• 5.3.1 整車需求扭矩區(qū)間因子λ_(Veh_DMD)的區(qū)間劃分109-111
• 5.3.2 蓄電池 SOC 區(qū)間劃分111
• 5.3.3 輸出隸屬函數(shù)劃分111-112
• 5.3.4 規(guī)則庫設(shè)計112-116
• 5.4 扭矩分配策略的仿真研究116-121
• 5.4.1 加速，回饋，優(yōu)化的策略仿真116-120
• 5.4.2 SOC 平衡策略的驗證和優(yōu)化120
• 5.4.3 扭矩分配策略比較120-121
• 5.5 本章小結(jié)121-122
• 第六章 ISG 并聯(lián)式柴電混合動力總成試驗研究122-134
• 6.1 試驗內(nèi)容和設(shè)備122-123
• 6.1.1 ISG 混合動力試驗內(nèi)容122-123
• 6.1.2 試驗臺架和試驗設(shè)備123
• 6.2 臺架試驗123-128
• 6.2.1 ISG 電機特性試驗123-124
• 6.2.2 動力總成外特性試驗124-125
• 6.2.3 發(fā)動機起動試驗125-127
• 6.2.4 ISG 動力總成自動起停過程127-128
• 6.3 道路試驗128-132
• 6.3.1 控制策略標(biāo)定和優(yōu)化129-130
• 6.3.2 動力性試驗130-131
• 6.3.3 經(jīng)濟性試驗131-132
• 6.4 本章小結(jié)132-134
• 第七章 結(jié)論與展望134-138
• 7.1 全文總結(jié)134-136
• 7.2 創(chuàng)新點136
• 7.3 展望136-138
• 參考文獻138-145
• 致謝145-147
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文147-148

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