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原文传递野马混合动力电动汽车总体结构与控制系统方案研究

论文题名：	野马混合动力电动汽车总体结构与控制系统方案研究
关键词：	混合动力;电动汽车;动力控制系统;控制算法
摘要：	混合动力电动汽车由于同时采用不同的能量转换装置作为动力源，在节能和排放方面具有传统汽车无法比拟的优势，因此，开展混合动力电动汽车的研究工作对于解决环境污染和能源危机问题具有重要意义。而目前我国的混合动力电动汽车研究尚处于起步阶段，为此国家科技部将混合动力电动汽车列为863计划的重大专项课题，同时国内各大汽车公司也纷纷加入混合动力电动汽车的研究队伍，本课题即来源于四川汽车工业集团项目“野马混合动力电动汽车总体结构与控制系统方案研究”。本课题以野马越野车原有底盘结构为基础，研究野马混合动力电动汽车的总体方案设计。在野马混合动力电动汽车需求分析的基础上，提出了四种类型的野马混合动力系统结构方案，研究内容主要在于两个方面：第一是野马IMA系统，研究内容包括其结构设计方案、HCU动力总成控制策略以及HCU程序控制流程；第二是混联式混合动力系统，由于本课题的长期目标是研究仿THS结构的混联式野马混合动力系统，因此，本文对THS系统的结构、控制策略和动力学模型等进行了研究，为后续研究工作积累了一定的技术基础。野马IMA采用与本田Insight IMA系统结构类似的并联式混合动力系统对野马越野车的动力传动系统进行改装，并使用兰州环电科技有限公司的环式电机CISG技术，对原野马越野车JM491发动机进行改造。多能源动力总成控制系统HCU是整车的控制核心，其性能将决定野马混合动力系统开发的成败，它主要包括软件和硬件两大部份，控制系统的关键技术是控制软件。在控制软件开发前，必须明确控制策略。确定混合动力总成的控制策略要明确两个问题，一是控制目标，明确提出控制策略要达到的目标，二是控制方法，根据控制目标以及对各种控制方法的分析比较，选择合适的控制方法。研究表明，混合动力总成的控制目标有两种，一是以整车油耗和排放最佳为目标，二是以电池的电量消耗最小为目标。通过综合分析和比较得出结论，以整车油耗和排放最佳为控制目标，可以充分发挥混合动力汽车的优势，同时采取措施维持电池的电量状态，提高电池的循环寿命，保证足够的续驶里程，是产品市场的发展趋势。因此，野马HCU软件设计的控制目标是在保证按照驾驶员意图实现动力输出调节的前提下，以整车燃油经济性能和排放性能最佳为目标。适用于混合动力总成的控制方法通常有四种，逻辑门限值、动态自适应控制、逻辑模糊控制和神经网络控制。由于逻辑门限值控制方法简单快速、实用性强，因此国内外的样车和产品车型大多都采用这种控制方法。论文在对并联式野马混合动力汽车多能源动力总成控制系统需求分析的基础上，以整车油耗和排放最佳为控制目标，采用逻辑门限值控制方法，提出了两种门限值控制策略，一是限制发动机工作区间的控制策略，二是加权调节发动机工作区间的控制策略。二者都是通过设定门限值，将发动机和电池控制在高效率区运行，提供要求的扭矩；环式电机CISG作为载荷调节装置，当需要大扭矩输出时参加驱动，当需要小扭矩输出时吸收发动机扭矩进行发电，并将电池组的电量状态维持在高效率区间内。在研究HCU控制策略的基础上，论文完成了HCU软件控制流程的设计工作。它把汽车的行驶过程划分为几种情况：起动和轻载低速行驶工况，中速中负荷行驶工况，急加速、爬坡和高速行驶工况，减速、制动工况。HCU软件设计采用了模块化设计思想，主要分为整车工况确定子模块、转矩需求子模块、转矩分配子模块、数据查表子模块和状态确定子模块。整车工况确定子模块的功能是通过系统启停开关信号key on和加速踏板信号L<,a>或制动踏板信号L<,d>确定当前整车所处的行驶工况。转矩需求子模块的功能是根据加速踏板信号L<,a>或制动踏板信号L<,d>计算当前时刻的转矩需求。转矩分配子模块的功能是依据整车控制策略和整车当前工况，将转矩需求在发动机和环式电机CISG二者之间，或者CISG和机械制动系统之间进行合理分配。数据查表子模块的功能是根据转矩值确定发动机的节气门开度信号L<,e>和电机负荷率L<,m>。状态确定子模块的功能是根据整车控制策略、整车工况、发动机节气门开度信号L<,e>、电机负荷率L<,m>，确定当前时刻发动机和电机的状态。混联式野马混合动力系统是本课题后续研究工作的重点，其结构是以丰田THS的行星齿轮机构为基本架构，在此基础上实现动力部件的连接，并对部分动力部件进行重新布置。因此论文对THS系统的基本控制策略进行了深入分析，并建立了THS系统的动力学模型。控制算法设计是实现控制策略的关键步骤之一，而控制算法的设计必须以系统的基本动力学模型为基础，为对THS系统的控制策略进行更为深入的研究，论文通过对THS系统结构、功率分配及内部动力传递的分析，并在假设系统无轮胎滑移现象和动力传递无效率损失的基础上，建立了THS系统的动力学模型，为开发混联式野马混合动力系统做了重要技术储备工作。 THS系统在中速巡航工况采用了较为特殊的控制策略。因为在中速巡航工况下，车辆所需的驱动功率通常较加速和爬坡时所需的功率小的多，根据THS发动机工作特性，此时THS为了保证发动机能够在经济工作区域运转，必须降低转速，增大转矩。由于发动机输出的转速较低，而车速相对较高，为了使两者能够匹配，THS采用了特殊控制策略，利用发动机直接输出至车轮转矩过大使电动机MG2产生再生制动转矩的机理，使MGl和MG2的工作模式互换，使MG2工作于发电机状态，MGl工作于电动机状态，MG2为MGl供电，在系统中产生功率循环，以此实现发动机转速和车速的匹配。通过对该工况控制策略的研究，加深了对整个THS系统内部工作模式的了解。最后论文利用ADVISOR软件对Prius轿车的加速过程和燃油经济性进行了模拟计算。通过对ANL试验结果的分析，总结出THS的设计原则：选用小功率的发动机，控制其在高负荷率状态下工作，用于提供克服汽车滚动阻力、空气阻力和电器设备所消耗的功率，而加速、爬坡时后备功率的不足则由储存在电池中的电能来补充。
作者：	吴亚祥
专业：	机械制造及其自动化
导师：	李彦
授予学位：	硕士
授予学位单位：	四川大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文