ISG柴电混合动力汽车多能源管理策略研究

【摘要】：与传统汽车相比，混合电动汽车具有较高的系统效率，更强的续航能力以及优良的燃油经济性，是新一代汽车动力系统的重点研究对象。本文研究的单轴并联式系统（ISG，Integrated Starter/Generator）是在发动机和飞轮之间增加薄型永磁同步电机；采用高功率镍氢蓄电池作为辅助能量源；通过高效智能的控制策略实现发动机自动起停、加速助力、制动回馈等多项功能。该系统结构紧凑、集成度高、适应性强，是目前最具有产业化前景的大功率城市公交车用混合动力类型。 本文在研究ISG混合动力系统结构和性能的同时主要对混合动力汽车核心控制策略多能源管理策略进行了比较深入的探索，包括如下的研究重点： 1)首先对国内外混合动力汽车的发展现状，特别是多能源管理策略所采取的控制方法进行调研，比较了各种方法的优缺点，吸收有益的经验为制订适合本系统的管理策略提供依据。 2)分析了ISG混合动力系统的结构、运行模式和功能。采用分层控制的思想的设计ISG混合动力控制系统，开发出与国际标准兼容的整车CAN通讯协议，提出以MC68376为核心的硬件设计方案。 3)采用汽车电子标准“v”开发流程，在Matlab/Simulink环境下建立ISG混合动力整车的前向式仿真平台和基本多能源控制策略；并采取多种道路工况对系统效率和蓄电池SOC平衡的影响进行关联分析，为制定合理的多能源管理策略提供了依据。 4)采用多模变结构控制理论和优化模糊算法设计功能完善，具有较快计算速度和较高鲁棒性的多能源管理策略。包括设计具有无扰动切换的运行模式调度机、智能的自动起停策略和自适应起动发动机策略等辅助策略；以及采取整车需求扭矩、蓄电池SOC和发动机转速等三参数的主控扭矩分配策略；并通过仿真平台对多能源管理策略进行优化和验证。 5)根据国标设计台架试验和道路试验来测试零部件以及ISG混合动力整车的实际性能。台架试验包括ISG电机特性试验、ISG混合动力总成外特性试验、混合动力功能试验等；道路试验包括动力性试验和经济性试验。试验表明，ISG电机最大扭矩为350N.m，基本满足设计要求；ISG总成最大外特性与原车装备的6缸机相当，而低转速阶段最大扭矩比4缸发动机提高27%。ISG样车0-50km/h的加速时间比原车缩短9.5%，0-80km/h的加速时间与原车相同，具有更好的起步加速特性。在满足蓄电池的SOC平衡的条件下道路试验表明ISG样车比原车油耗下降25%，节油效果处于国内领先水平。 【关键词】：混合电动汽车 单轴并联式 多能源管理策略 变结构控制 模糊控制 优化控制 燃油经济性
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-14
• 符号说明14-19
• 第一章 绪论19-41
• 1.1 混合动力汽车研究背景和动机19-20
• 1.2 清洁能源汽车分类和路线图20-21
• 1.3 混合动力汽车概述21-39
• 1.3.1 混合动力对车辆经济性和排放的改善22-24
• 1.3.2 混合动力分类24-29
• 1.3.3 混合动力国内外发展动态29-33
• 1.3.4 混合动力汽车关键技术33-35
• 1.3.5 混合动力多能源管理策略概述35-39
• 1.4 本文的主要研究内容39-41
• 第二章 ISG 混合动力总成控制系统设计41-60
• 2.1 ISG 并联式混合动力总成设计41-45
• 2.1.1 ISG 混合动力客车动力总成概述41-43
• 2.1.2 ISG 系统功能设计43-45
• 2.2 ISG 系统零部件选型与参数设计45-52
• 2.2.1 发动机选型45-46
• 2.2.2 电动机选型46-47
• 2.2.3 蓄电池选型47-49
• 2.2.4 ISG 整车总成参数49-52
• 2.3 ISG 并联式混合动力控制系统设计52-54
• 2.4 CAN 通讯协议设计54-56
• 2.4.1 报文格式54-55
• 2.4.2 应用层协议55-56
• 2.4.3 故障处理56
• 2.5 HCU 的硬件设计56-59
• 2.5.1 硬件的总体方案57-58
• 2.5.2 接口设计58-59
• 2.6 本章小结59-60
• 第三章 ISG 柴电混合动力仿真分析60-84
• 3.1 仿真分析的必要性60-61
• 3.2 前向式整车仿真模型61-71
• 3.2.1 零部件模型62-65
• 3.2.2 传动系模型65-67
• 3.2.3 自动驾驶模型67-68
• 3.2.4 前向式仿真平台验证68-71
• 3.3 基本控制策略71-77
• 3.3.1 怠速停机策略71
• 3.3.2 制动回馈策略71-74
• 3.3.3 扭矩分配策略74-76
• 3.3.4 蓄电池 SOC 平衡策略76-77
• 3.4 仿真分析77-82
• 3.4.1 能量转化路径77-78
• 3.4.2 系统效率与 SOC 变化关联分析78-80
• 3.4.3 各功能节油分析及验证80-82
• 3.5 本章小结82-84
• 第四章 基于变结构思想的辅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 多能源控制策略的组成84-85
• 4.1.2 变结构控制思想85-86
• 4.2 运行模式调度策略86-92
• 4.2.1 有限状态机原理87-88
• 4.2.2 ISG 混合动力汽车的状态机设计88-89
• 4.2.3 状态机的 Stateflow 实现89-92
• 4.3 自动起停策略设计92-94
• 4.3.1 自动起动/停机判断92-93
• 4.3.2 自动起动/停机的实现93-94
• 4.4 起动发动机策略设计94-97
• 4.4.1 起动过程分析94-95
• 4.4.2 起动控制策略95-97
• 4.5 整车扭矩管理器设计97-100
• 4.5.1 整车需求扭矩解释器设计97-98
• 4.5.2 电机扭矩限制98-100
• 4.6 本章小结100-101
• 第五章 基于模糊优化算法的多能源扭矩分配策略研究101-122
• 5.1 基于模糊优化分配的扭矩分配策略101-103
• 5.1.1 采用模糊算法的优越性101-102
• 5.1.2 基于模糊算法的优化扭矩分配策略102-103
• 5.2 模糊控制的原理103-108
• 5.2.1 模糊集合与语言变量103-105
• 5.2.2 隶属度函数105-106
• 5.2.3 解模糊的方法106
• 5.2.4 模糊推理106-107
• 5.2.5 查表机制107-108
• 5.3 模糊逻辑扭矩分配策略的设计108-116
• 5.3.1 整车需求扭矩区间因子λ_(Veh_DMD)的区间划分109-111
• 5.3.2 蓄电池 SOC 区间划分111
• 5.3.3 输出隶属函数划分111-112
• 5.3.4 规则库设计112-116
• 5.4 扭矩分配策略的仿真研究116-121
• 5.4.1 加速，回馈，优化的策略仿真116-120
• 5.4.2 SOC 平衡策略的验证和优化120
• 5.4.3 扭矩分配策略比较120-121
• 5.5 本章小结121-122
• 第六章 ISG 并联式柴电混合动力总成试验研究122-134
• 6.1 试验内容和设备122-123
• 6.1.1 ISG 混合动力试验内容122-123
• 6.1.2 试验台架和试验设备123
• 6.2 台架试验123-128
• 6.2.1 ISG 电机特性试验123-124
• 6.2.2 动力总成外特性试验124-125
• 6.2.3 发动机起动试验125-127
• 6.2.4 ISG 动力总成自动起停过程127-128
• 6.3 道路试验128-132
• 6.3.1 控制策略标定和优化129-130
• 6.3.2 动力性试验130-131
• 6.3.3 经济性试验131-132
• 6.4 本章小结132-134
• 第七章 结论与展望134-138
• 7.1 全文总结134-136
• 7.2 创新点136
• 7.3 展望136-138
• 参考文献138-145
• 致谢145-147
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文147-148

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