混合动力汽车控制策略与动力电池系统的研究

【摘要】： 能源危机和环境污染是当今世界可持续发展所面临的两大根本问题,混合动力汽车在技术、经济和环境等方面具有综合优势,是目前缓解这两个问题的有效途径。完善混合动力系统控制策略是提高燃油经济性和减少污染排放的重要手段,而动力电池的性能测试及电池管理系统是混合动力汽车的重要组成部分。 基于并联结构的分布式XL2000混合动力轿车控制系统,依据驾驶员需求划分了混合动力轿车的五种运行模式,构建了模式切换图;根据整车控制目标要求,提出了基于发动机万有特性参数及遵循车辆驱动优先、动力电池能量维持、再生制动最大能量回收三个原则的转矩管理策略;搭建了混合动力轿车系统模型,进行了控制策略仿真。 把传统汽车的速度跟踪控制引入到混合动力汽车控制中,根据转矩管理策略把混合动力汽车的目标转矩分配为发动机和电机的目标转矩,实现了发动机和基于MAP图的电机逆转矩控制,妥善处理了电机和发动机混合驱动问题,达到速度跟踪控制的目的。 从混合动力汽车的实际需求出发,以C8052F020和MC68HC908GZ16单片机作为控制系统核心,组成上下位机测控系统,实现了电池管理系统的硬件、软件和CAN总线设计。在分析动力电池在混合动力汽车行驶时的充放电工作过程的基础上,建立了一种镍氢动力电池等效电路及其动力电池的参数模型,提出了基于稳态开路电压和状态空间的SOC动态估算方法。 设计了基于工控机和RS485总线的包括温度巡检仪、电压巡检仪、充电设备、放电设备的分布式动力电池性能测试系统,提出了恒流放电、恒电阻放电和恒功率放电算法,通过控制与动力电池相连的多路大功率场效应管的通断,利用PWM脉宽调制原理调节放电电流,覆盖了放电电流的调节范围,从而实现动力电池的放电控制,为模拟电动汽车行驶工况下的动力电池工作过程构建了实验环境。 【关键词】：混合动力汽车 控制策略 SOC估算 动力电池管理系统 动力电池性能测试
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：U469.7;U463.6
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-10
• 第一章 绪论10-27
• 1.1 国内外混合动力汽车的发展状况11-13
• 1.2 混合动力汽车的类型及特点13-18
• 1.2.1 串联型混合动力汽车SHEV14-15
• 1.2.2 并联型混合动力汽车PHEV15-17
• 1.2.3 混联型混合动力汽车SPHEV17-18
• 1.3 典型的混合动力汽车控制策略18-22
• 1.3.1 串联混合动力汽车控制策略18-19
• 1.3.2 并联混合动力汽车控制策略19-21
• 1.3.3 混联混合动力汽车控制策略21-22
• 1.4 混合动力汽车的关键技术22-25
• 1.4.1 电池的能量存储及电池管理系统22-23
• 1.4.2 混合动力控制单元23
• 1.4.3 电机及其驱动控制23-24
• 1.4.4 控制策略24-25
• 1.5 本文的主要研究内容25-27
• 第二章 混合动力轿车控制策略与仿真研究27-48
• 2.1 XL2000 轻度混合动力总成系统结构28-30
• 2.2 混合动力轿车的动力学及运动学模型30-31
• 2.2.1 混合动力轿车的动力学平衡方程30
• 2.2.2 混合动力轿车的驱动转矩30-31
• 2.2.3 混合动力轿车的驱动力与驱动转矩的转换关系31
• 2.2.4 混合动力轿车的运动学方程31
• 2.3 混合动力轿车运行模式划分31-35
• 2.3.1 运行模式32-34
• 2.3.2 运行模式的切换34-35
• 2.4 混合动力轿车多能源动力系统控制策略35-41
• 2.4.1 控制策略制定原则35-36
• 2.4.2 转矩管理策略36-39
• 2.4.3 整车系统的动力协调控制39-41
• 2.5 控制策略仿真41-44
• 2.5.1 基于CRUISE 的仿真系统的开发41-42
• 2.5.2 系统仿真模型开发要点42
• 2.5.3 控制策略及仿真42
• 2.5.4 混合动力轿车整车仿真模型42-44
• 2.5.5 混合动力轿车主控制器仿真模型44
• 2.6 控制策略仿真结果44-47
• 2.6.1 欧洲市区行驶工况仿真结果44-45
• 2.6.2 混合动力轿车与其原型车控制策略仿真比较45-47
• 2.7 小结47-48
• 第三章 混合动力汽车速度跟踪控制算法研究48-67
• 3.1 混合动力汽车速度跟踪控制算法结构框图48-50
• 3.2 速度跟踪控制算法50-63
• 3.2.1 速度滤波器50-51
• 3.2.2 传动系统逆动力学模型51
• 3.2.3 变速器输入端的转矩需求51
• 3.2.4 转矩分配控制器51-53
• 3.2.5 发动机逆转矩控制器53-61
• 3.2.6 发动机及ECU61
• 3.2.7 发动机反馈控制器61-62
• 3.2.8 电机及控制器62
• 3.2.9 速度反馈控制器62-63
• 3.3 速度跟踪控制算法实验及结果63-66
• 3.4 小结66-67
• 第四章 混合动力汽车镍氢动力电池管理系统67-77
• 4.1 电池管理系统的功能67-68
• 4.1.1 电池管理系统的监控对象67
• 4.1.2 电池管理系统功能要求67-68
• 4.2 电池管理系统的结构及功能分配68-69
• 4.2.1 电池管理系统的结构68-69
• 4.2.2 功能分配69
• 4.3 电池管理系统的设计69-75
• 4.3.1 硬件设计69-71
• 4.3.2 软件设计71-72
• 4.3.3 CAN 总线的设计72-75
• 4.4 系统测试75-76
• 4.5 小结76-77
• 第五章 动力电池等效电路及基于状态空间的SOC 估算技术77-89
• 5.1 电池存储的能量模型及电池容量的电流积分法77-79
• 5.1.1 镍氢电池简述77-78
• 5.1.2 电池储存的能量模型78
• 5.1.3 电池容量的电流积分法及电池的剩余容量计量78-79
• 5.2 基于状态空间的镍氢动力电池 SOC 估算技术79-85
• 5.2.1 概述79
• 5.2.2 电池的等效电路79-80
• 5.2.3 电池的动态模型80
• 5.2.4 模型参数的计算80-81
• 5.2.5 电池的SOC 与稳定的开路电压的关系81-82
• 5.2.6 SOC 估计算法82-85
• 5.3 Ni/MH 电池的SOC 的仿真计算85-87
• 5.4 小结87-89
• 第六章 电动汽车动力电池性能测试系统的设计89-112
• 6.1 系统设计89-92
• 6.1.1 电动汽车行驶工况分析89-90
• 6.1.2 设计要求90-91
• 6.1.3 系统组成与工作原理91-92
• 6.2 充电设备92-99
• 6.2.1 充电设备主电路的工作原理92-94
• 6.2.2 可控硅充电设备触发电路设计94-96
• 6.2.3 单片机控制系统结构及设计要点96-99
• 6.3 放电设备99-105
• 6.3.1 放电设备的基本原理99-100
• 6.3.2 单片机控制系统的结构100-101
• 6.3.3 场效应管驱动电路设计101-102
• 6.3.4 放电算法102-105
• 6.4 温度巡检仪设计105
• 6.5 电压巡检仪设计105-106
• 6.6 动力电池性能测试系统监控软件106-108
• 6.6.1 动力电池性能测试系统软件的需求106
• 6.6.2 监控软件的设计106-108
• 6.7 18Ah 镍氢动力电池测试结果108-110
• 6.8 小结110-112
• 第七章 XL2000 HEV 台架调试、转毂试验和道路试验112-121
• 7.1 动力总成系统台架及在线监控与标定系统112-117
• 7.1.1 动力总成系统台架试验装置112-114
• 7.1.2 在线监控与标定系统软件114-115
• 7.1.3 台架联合调试115-117
• 7.2 转毂试验117-119
• 7.3 道路试验119-120
• 7.4 小结120-121
• 第八章 总结121-123
• 参考文献123-131
• 发表论文和参加科研情况说明131-132
• 致谢132

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