1、重慶大學碩士學位論文ISG型混合動力長安汽車關鍵技術研究姓名:楊雪梅申請學位級別:碩士專業:車輛工程指導教師:秦大同;汪正勝20040510迫于環境污染和石油資源短缺的壓力,致力于可持續發展戰略,混合動力汽車成為21世紀汽車工業的一大發展方向。國內外專家基本上達成共識:混合動力電動汽車的使用不只是電動汽車的一個過渡階段,雨是汽車工業即將面臨的一場新的革命。為了開發ISG型混合動力轎車,在國家“863”項目的資助下,本論文針對長安ISG型混合動力轎車的研制進行了試驗和理論研究及其計算機仿真,具體內容如下:1.對JL474Q1發動機進行性能試驗,在實驗數據的基礎上構造發動機轉矩模型和發動機燃油消耗

2、模型。設計了電子節氣門的控制器,開發了控制器硬件電路,并對電子節氣門進行了試驗,驗證電子控制單元對節氣門的控制性能。2.分析羚羊轎車和CVT變速器的結構參數,進行CVT變速器的選型。通過液力變矩器性能試驗,建立了液力變矩器數學模型。3.在蓄電池試驗的基礎上,分析和研究了Ni。MH蓄電池充放電特性及其影響因素,建立了用安時一開路電壓算法(Ah0CU法預測蓄電池的剩余能量和荷電狀態計算模型。4.進行ISG電機實驗,選擇電機的主要參數,分析了ISG電機的效率曲線和特性曲線,并根據實驗數據建立了ISG電機仿真數學模型,進行了ISG電機轉速電流雙閉環控制仿真。5.通過使用ADvISoR軟件,建立了整車模

3、型(包括發動機、ISG電機、cvT無級自動變速器、蓄電池等,進行了各種車輛行駛工況仿真。關鍵詞:汽車,混合動力,ISG,仿真Under the pressure of environment pollution and the scarcity of oil source,to be dedicated to the strategy of sustainable development,Hybrid Electric Vehicle(HEV becomes an important consideration in the twenty-first century in order to g

4、et sustainable development of Automobile industry.All specialist in whole world have agreed on the point:the application of Hybrid Electric Vehicle will not be a transition phase,but be a new revolution ofAutomobile industry.In order to develop ISG Hybrid Electric Vehicle,theoretical and experiment

5、researches of Changan HEV have been carried out financed by National“863project(2001AA501300which includes follow cOntent:I.The torque and fuel consumption model of engine jL474Q1has been built up based on the engine test.Electric throttle control unit and its circuit board ate designed and develope

6、d.And the control performance of electric throttle system is verified by experiment.2.The type of Continuously variable transmission(CVTis decided by analyzing the structure parameter of LingYang car.Model for getting the ratiochanging rate is put forward.Dynamic Performance test ofCVT has been done

7、.The result is accordant with that of theoretical researches,Base on experiment of torque converter,a mathematics model oftorque convertar is established.3.Based on the experiment of NiMH battery,investigations on characteristics of discharging and charging ofNiMH baaary,and analysis of influencing

8、factor ofNiMHbattery,art approach of Ah-OCU has been built to estimate an acoBrate surplusenergyand State ofCharge ofNiMH batteries.4.The efficiency and performance map of Integrated Starter/Generator(ISOis drawn by the experiment.The simulation model ofISG is built up.5.Vehicle powertrain model inc

9、luding engine.isQ CVT and battery is build up by usingADVISOR.The simulation result of all kinds of car work cOndition indicates that Changan ISG HEV has both less exhaust emission and fuel cOnsumption.The research also provide theoretical analysis and design method for ISG HEV development Keywords:

10、Hybrid Electric Vehicle(HEV,Continuously variable transmission(CVT, the State ofCharge,Battery,Integrated Starter/Generator(ISG11緒論1緒論當前,混合動力電動汽車的研究與開發已在世界范圍內由點向面地擴展,發展相當迅速。發達國家的許多研究成果已走出了實驗室,并開始進入市場,如豐田的Prius混合動力電動汽車已經形成小規模批量生產。許多發展中國家也已開始籌集資金,組織科研力量進行可行性論證和關鍵技術攻關【1。混合動力電動汽車相對于電動汽車和代用燃料汽車的優勢使其具有良好的

11、商業前景。據專家研究,混合動力電動汽車的生命周期至少有30年,若考慮使用清潔燃料,其前景更為廣闊。在當前電動汽車的成本和電池等技術難以取得重大突破的時期,開發混合動力電動汽車有利于解決環境、能源等可持續發展戰略所要求解決的緊迫問題【2】。目前國內外專家基本上達成共識:混合動力電動汽車的使用不只是電動汽車的一個過渡階段,而是汽車工業即將面臨的一場新的革命。眾所周知,燃料電池雖然是電動汽車商業化和產業化的一個希望,但是由于燃料電池不可逆,如果單純使用燃料電池作為動力源,在制動和減速時無法實現能量回收,另外燃料電池汽車啟動也是一個有待解決的問題。因此燃料電池同樣需要與電池組成混合動力系統。基于以上分

12、析,混合動力電動汽車的商業化和產業化發展是必然的趨勢3。總體來說,混合動力電動汽車的研究和開發仍處于起步階段,其關鍵技術(如電池管理系統、傳動系統總成還有待改進和創新,成本價格有待降低,性能也有待提高,這樣才能滿足代替傳統燃油汽車的技術與市場要求【4-”。1.1傳統燃油汽車與純電動汽車的缺陷1.1.1傳統燃油汽車的缺陷汽油機一直是上個世紀最主要的汽車動力設備,今天,這世界上生產的汽車幾乎都在使用內燃式發動機【l”,但是,這種引擎同時具有很多缺點,如:需使用不可再生的自然資源(石油、空氣污染(排放廢氣和投資巨大等。而總體上講我國的石油資源卻很缺乏,據統計,我國2000年原油產量1.6億噸,進口原

13、油O.73億噸,還不包括一些走私燃油,預計到2010年,原油需求3.6億噸,國內產量2億噸,進口1.6億噸,邸意味著45%原油需求的要靠進口121。汽車對社會環境造成的污染相當嚴重,除直接污染源(如一氧化碳、碳氫化臺物、氮氧化物、硫化物等外,還有二氧化碳造成的溫室效應。據聯合國的“政府間氣候變化專業委員會(IPCC”評估,1996年世界上共排放二氧化碳大約200億噸,美國居第一位,占25%,其中汽車大約占排放量的20%。中國居第二位,重慶大學碩士學位論文占13.5%,IPCC在關于二氧化碳排放情況特別說明中指出,20世紀地球表面濕度上升了0.40(2.0.80C,到2100年將比1999年上升

14、1.50C一60C,到時地球海平面可能上升15厘米.95厘米。1997年聯合國的京都協議書簽定了排放溫室效應氣體的第一個國際性法律文件,中國是締約國之一,當然也要遵守該協議的規定。目前世界上很多國家,都已對單車二氧化碳的排放作出明確的逐年降低排放的標準。同時也有大量的汽車動力設備的替代方案,如電力、燃料電池和動力組合等相繼問世,新的發動機技術在過去的十多年里也有了很大的發展。1.1.2純電動汽車的缺陷目前世界上最好的純電動汽車,一次充電行程也只為150.200公里,其主要的原因是目前仍沒有一種能源,能夠提供足夠高的比能量和比功率,使純電動車的性能完全與燃料汽車相匹配131。因此,要進行長距離的

15、旅行.人們不得不選用普通燃油汽車。就成本而言,純電動汽車比普通燃油汽車高出卜2倍,如日本的RAV4-EV的零售價為495萬日元/輛,而性能相近的汽車零售價為200萬日元/輛,因為這種車電池容量為25.30kWh,電池成本大約占電動車成本的40%,再加上相應的充電站等配套設施還難以跟上,充電時間過長等原因,現階段純電動汽車在國際上還難以被人們普遍接受。因此,為了克服上述問題,混合動力汽車可以采用多能源系統就被人們所關注。混合動力汽車的諸多好處是顯易而見的:氣體排放的污染程度不到常規汽車的30%,油耗卻降低了25%.30%t14】,可以利用現有的加油站加油,其行駛距離也和常規汽車一樣,尤其重要的是

16、,其成本比純電動車低得多,在大規模生產條件下,這種汽車在成本上基本接近純內燃機汽車,混合動力汽車在夜晚可接220V交流電充電,在白天行駛里程較短時,僅電池保存的能量即可滿足需要,對于長距離的旅行,發電機可以對電池充電,以保持電池處于充電狀態。1.2國內外混合動力汽車的發展歷史和現狀美國能源都和美國的三大汽車公司合作,正在推行一項龐大的PNGV計劃混合動力汽車計劃,政府與三大汽車公司分別簽定混合動力汽車開發合同,要在低污染的條件下制造出每百公里油耗不超過3升的汽車,經過三年論證的結果表明采用混合動力技術是切實可行的。通用汽車公司宣布在2004年將生產7000輛采用混合動力系統的SUV多功能運動汽

17、車,預計先在通用較小的SUV車型上推廣,混合動力系統將使每輛汽車的平均成本增加1500美元;福特公司也已經開發出兩款混合動力車型【I“。日本汽車界也己將電動汽車開發重點從純電動汽車轉向混合動力汽車,其中豐田公司在1997年研制出PRIUStl6】,而本田公司研制了基于ISG的輕度混合動力轎車Insightt071,于1998年12月推向市場,并獲得了好評;豐田的COASTER客1緒論車、日野的混合動力客車和貨車也已經進入商業化階段:克萊斯勒推出LE“道奇。無畏ESX”混合動力車【l8l;日產也繼本田推出的Insight混合動力轎車后推出了TIN0混合動力轎車119】;日本微車巨頭鈴木公司也在1

18、999年的東京汽車展上展出了WAGON混合動力車120。歐洲在混合動力汽車的開發、研制和推廣方面作了大量投入。目前,德國已有20輛混合動力大客車在斯圖加特和威塞爾市運行。歐洲六大汽車公司聯合就混合動力汽車技術、性能等進行了綜合評價,認為其技術成果可望使混合動力汽車成本接近于一輛傳統汽車,使客戶買得起、賣家可盈利。其對市場的調查也表明,大多數顧客在燃油汽車、混合動力汽車和純電動汽車三者之間更愿意選擇混合動力汽車。最近,德國汽車工業準備實施新的排放標準和節能要求,將在部分地區限制百公里油耗超過5升的轎車行駛,也將促使人們把希望寄托在混合動力汽車的開發上。在國際上應用ISG較成功的車型都是在1.5升

19、以下輕度混合動力轎車,這與本項目擬開發的長安羚羊轎車的車型相似。我國在“八五”和“九五”期間,有計劃地開展了電動汽車的研制工作。清華大學研制的電動中巴車已投入試運行;中國遠望(集團公司和北京理工大學、國防科技大學及河北長安勝利等單位也聯合開發出了電動大客車樣車;其他如廣東等地區也在進行電動汽車的研制。在此基礎上我國混合動力汽車的研制也取得了一定的進展。1998年,清華大學與廈門金龍公司合作研制了混合動力客車樣車:同年,江蘇理工大學承擔了江蘇省科委下達的重點工業科技攻關項目混合動力公交輕型客車的研制;其他許多院校及科研機構也都開始了混合動力汽車的研究和研制工作。1.3混合動力汽車的型式混合動力電

20、動汽車將原動機、電動機、能量儲存裝置(蓄電池按某種方式組合在一起,有串聯式、并聯式和混合式3種布置形式。1.3.1串聯式驅動系統串聯式驅動系統的示意圖見圖1.1。發動機帶動發電機發電,其電能通過電動楓控制器直接輸送到電動機,由電動機產生電磁力矩驅動汽車。發動機功率是以汽車某一速度下穩定運行工況所需的功率選定的,當汽車運行工況變化,電動機所需的驅動功率與發動機輸出功率不一致時,由控制器控制發電機向電池充電(吸收發電機富余的電能或使電池向電動機放電(協助發電機供電,電池充電和放電電流的大小由控制器根據電動機驅動功率的變化情況進行控制。串聯式混合動力電動汽車發動機能保持在最佳工作區域內穩定運行這一特

21、點的優越性主要表現重慶大學碩士學位論文在低速、加速等運行工況,而在汽車中、高速行駛時,由于其電傳動效率低,抵消了發動機油耗低的優點,因此,串聯式混合動力電動汽車更適用于在市內低速運行的工況。在繁華的市區,汽車在起步和低速時還可以關閉發動機,只利用電池進行功率輸出,使汽車達到零排放的要求。圖1.1串聯式HEV動力系統結構簡圖Fig1.1Structure diagram ofseries HEV powertrain system1.3.2并聯式驅動系統并聯式驅動系統結構示意圖見圖1.2。發動機通過機械傳動裝置與驅動橋連接,電動機通過動力復合裝置也與驅動橋相連,汽車可由發動機和電動機共同驅動或各

22、自單獨驅動。并聯式混合動力電動汽車其發動機功率也是以汽車某一速度下穩定行駛工況所需的功率選定的,當汽車在低速或變速工況行駛時,需通過加速踏板和變速器來調節發動機的功率輸出;而在汽車高速行駛,發動機的輸出功率低于汽車行駛所需功率時,由控制器控制電動機協助驅動。并聯式混合動力電動汽車也可實現零排放控制,在繁華的市區低速行駛時,卜加速踏板2一制動踏板一機械連接電氣連接圖1.2并聯式HEV動力傳動系統結構圖Fig1.2Structure diagram ofparaUel HEVpowertrain system41緒論可通過關閉發動機和使離合器分離,也可以使汽車以純電動方式運行。但這樣就需要功率足夠

23、大的電動機,所需的電池容量也相應要大。1.3.3混聯式驅動系統混聯式驅動系統是串聯式與并聯式的綜合,其結構示意圖見圖1_3。發動機發出的功率一部分通過機械傳動輸送給驅動橋,另一部分則驅動發電機發電。發電機發出的電能由控制器控制,輸送給電動機或電池,電動機產生的驅動力矩通過動力復合裝置傳送給驅動橋。混聯式驅動系統的結構形式和控制方式充分發揮了串聯式和并聯式的優點,能夠使發動機、發電機、電動機等部件進行更多的優化匹配,從而在結構上保證了在更復雜的工況下使系統工作在最優狀態,因此更容回一(I困i機械聯結電器聯結圖1.3混聯式HEV動力傳動系統結構圖Fig13Structure diagram ofh

24、ybrid HEV powertrain system驅動橋圈l4豐田Prius驅動系統結構示意圖Fig1.4Structure diagram of TOYOTA Prius powertraln system5重慶大學碩士學位論文易實現排放和油耗的控制目標。但混聯式的動力復合形式更復雜,因此對動力復合裝置的要求更高。目前的混聯式結構一般以行星齒輪作為動力復合裝置的基本構架。圖1.4為豐田公司Prius車的驅動系統結構示意圖,它的驅動系統被公認為是目前最成功的結構。1.4“IsG型混合動力長安轎車”項目策劃1.4.1開發“IsG型混合動力長安轎車”迫切性多年來,面對國外競爭對手的強大沖擊,我

25、國弱小的汽車工業舉步維艱,“引進落后再引進再落后”,始終未能在激烈的國際競爭中確立自己應有的地位。隨著WTO的加入,我國的汽車行業將面臨前所未有的嚴峻挑戰,能否繼續生存,將取決于今后5年寶貴保護期內我們能否在技術和自主知識產權上取得重大突破。我國在傳統的汽車技術領域比發達國家落后30多年,而在電動汽車這一新的領域,由于大家都起步較晚,我們與汽車發達國家的差距還不是特別明顯,只落后8年左右的時間,部分核心技術居世界領先水平。從可持續發展戰略來看,我國發展電動車的緊迫性更加突出,我國石油儲備量僅占世晃的2%,自1993年開始,我國已變為凈進口國,去年進口五油7000萬噸,隨著我國進入汽車消費普及期

26、,汽車保有量將迅速增加,能源緊張狀況日趨嚴峻;從環境角度講,我國的環境污染十分嚴重,世界環境污染最嚴重的十大城市中,我國就占了7個。ISG型長安混合動力轎車用電池作輔助動力,既克服了純電動汽車的續駛里程短、價格昂貴等缺點,又有利于大幅度減少汽油消耗,合理利用電能,調整能源結構,為解決城市污染問題開辟了一條新途徑。1.4.2開發“IsG型混合動力長安轎車”必要性隨著我國強制環保、安全法規的出臺,長安公司作為國內5大轎車生產基地之一,從自身發展的戰略出發,要使長安汽車有新的經濟增長點,取得跨越式發展,大大增強自身競爭實力,同時也刺激零部件企業節能產品(如節能空調、輕質車身等技術進步,帶動相關產業同

27、步發展,就必須生產無污染或低污染的汽車。長安公司在九五期間還承擔了國家科技部清潔汽車專項課題“CNG單燃料多點電噴羚羊出租車開發”,勞已經通過了驗收。與國內外聯合開發的多氣門電噴發動機及新型乘用車已經實現大批量生產。另外通過開發性能先進的混合動力汽車,也可以展示其先進的技術水平、雄厚的開發實力和先進的研究手段,同時樹立長安汽車公司及產品的新形象。在經過前期大量的市場調研、技術預研的基礎上,長安公司決定將混合動力系統作為減少燃油消耗和減低排放的重要方案,采用并聯結構和起動機,發電機一體化(1SG技術,開發ISG型混合動力長安轎車,其動力系統由永磁直流電機與1緒論JL474Q1發動機組成,形成高性

28、能、高效率的驅動系統。通過采用JL474Q1發動機的動力、制動時進行發電對動力電池進行充電。以驅動電機,可解決純電動車續駛里程不足的缺點,提高電動車的競爭力,另外,通過優化發動機的運行狀態,可以實現系統的高效率,與純內燃機相比,在提高燃燒效率的同時,還可以減少廢氣排放和降低噪音,由于是并聯結構,它體積較小,重量較輕,成本也較低廉。1.4.3開發“lsG型混合動力長安轎車”可行。性1.長安混合動力轎車經濟效益分析1經濟分析原則(1混合動力轎車在出租車領域有較大的市場前景,本分析是針對混合動力轎車作為出租車使用的情況;(2普通電噴車每天的平均燃油費用是通過調查出租車司機采集的數據;(3在混合動力技

29、本比較成熟雖整車達到批量生產時,預計混合動力轎車新增成本為20000元/臺;H收益分析采用增量分析法;(5企業產品定價策略方案:方案一是指混臺動力轎車與原電噴車利潤相同的情況;方案二是指混合動力轎車比原電噴車利潤適當增加的情況。2成本及收益分析表1.1長安轎車年消耗燃油費用比較(單位:元、車型項目、普通電噴車混合動力車平均每天燃油費用10070一年運行時間(天365365全年燃油費用3650025550混合動力轎車每年節省燃油費用H950注:混合動力轎車比原電噴車節油30%表1.2長安混合動力轎車整車成本及售價估算(單位:元Tab 1.2Evaluation of cost and selli

30、ng price for Changan HEV(Yuan芋型混合動力轎車數據朱原電噴車數據方案一方案二整車售價(含稅100000.OO 121148_36125000.00(不含稅85470.09J03545.60106837.61重慶大學碩士學位論文傭金2500.002500.002500.OO 現金折扣2%】950.002372.972450.00出廠價(含稅95550.00116275.39120050.00 (不含稅81666.6799380.67102606.84消費稅2858.333478.323591.24整車成本(含稅86355.75106355.75106355.75 (不

31、含稅738083390902.3590902.35利潤5000.005000.008113.25注:1、方案一:混合動力轎車與電噴車利潤相同;方案二:混合動力轎車比電噴車利潤適當增加:2、混合動力轎車新增成本(含稅按20000元計算,新增成本、投資、回報及收益見表1.3表1.5;3、混合動力轎車排放可達到歐3標準,但消費稅只按達到歐2標準減征30%計算。即消費稅率由5%降為3.5%。表1.3混合動力轎車新增成本明細Tab l,3Detail ilew increascd cost of HEV新增部件價格(元1、ISG電機及控制系統80002、整車多能源管理系統25003、電池及管理系統950

32、0其中:電池5000管理系統4500合計20000表1.4用戶新增投資及投資回報分析(單位:元(方案一Tab1+4Analysis of consumer new added investment and repayment(Yuan(Project1新增投資用戶累計新1年度年節省燃油費用增收益l車價提高更換電池81緒論第1年21148.36010950一lOl98.36第2年0500010950.-4248.36第3年05000109501701.64第4年O500010950765l,64第5年050001095013601.64用戶投資回收期(年2.7l(方案二(Project2新增投資

33、年度年節省燃油費用用戶累計新增收益車價提高更換電池第1年25000.00010950.14050.00第2年0500010950.8100.00第3年O500010950.2150.00第4年05000109503800.00第5年05000109509750.00用戶投瓷回收3.36期(年注:蓄電池的使用壽命按10萬公里計算。表1.5:企業新增收益分析(單位:元Tab1.5Analysis of corporation new added income(Yuan車型及方案混合動力轎車原電噴車利潤及收益方案一方案二單車利潤5000.005000.008113.25單車薪增收益O.000.003

34、¨3,259重慶大學碩士學位論文3經濟分析結論在混合動力技術比較成熟且整車達到批量生產的條件下,長安混合動力轎車在經濟上是可行的,且無論企業采用方案一或方案二的定價策略,對于企業和用戶都是雙贏的結果,只不過,方案一的定價策略會使用戶受益更多,而方案二的定價策略會使企業受益更多。3.產業化前景分析在項目進行中,我們提出以整車開發為主導,關鍵零部件和相關材料緊密結合、基礎設施協調發展,政策法規、技術標準與評估技術同步展開的基本方針:堅持官、產、學、研四位一體想結合的方式,突破地域、行業、和所有制觀念,聯合攻關;從項目的開始階段起,就充分利用社會資源和國家“九五“期間電動汽車的科研成果;關

35、鍵零部件可采用全球采購,這樣以保證該項目的各零部件的產品化和產業化目標的實現。同時,ISG技術在羚羊轎車上開發成功后,待技術成熟后,就可以順利的向其它車型如轎車、微型客車、中巴、大巴等上移植,使科研成果可以得到廣泛的應用、推廣。另外,汽車工業由傳統汽車向電動汽車的過渡必將極大的推動汽車工業的技術改造,促進傳統汽車產業的信息化和現代化,專家估計,電動汽車對經濟的帶動作用比傳統汽車還大2.3倍,大力發展電動汽車,必將有利地推動相關業信息化,電動車的產業化過程必將刺激和推動包括信息產業在內的諸多高新技術產業的發展。4.市場預測我國人均GDP值已達到家用轎車普及水平和根據“國家十五汽車產業發展綱要”的

36、要求,將重點發展小排量低價位的經濟型轎車等因素的支持,為混合動力汽車的發展、市場的需求提供了強有力的保障。在純燃油車限制的同時,政府對環保車輛(含混合動力汽車的扶持,在開發和生產銷售等環節,將會給予更多的支助和優惠政策,如為保護環境、促進低污染排放汽車的生產和消費,達到歐II標準低污染排放的小汽車,將減征30%的消費稅,甚至購車補貼。同時城市居民素質的提高,渴望清潔的生活環境和對新鮮事物的接受,混合動力汽車在市場競爭中逐漸取得主動權。長安混合動力轎車的動力系統由電力(永磁直流電機與燃油發動機(JL474Q1,采用并聯方案和起動機/發電機一體化(ISG技術進行混合,組成高性能、高效率的驅動系統。

37、整車市場定位為經濟型,主要適用于城市內出租、風景旅游渡假區及大型游樂區內等場所和行政公務用車等領域。與同檔次的傳統純內燃機汽車相比,其主要優勢在于:降低了油耗30%以上(GBl8352.1工況法,整車排放達到歐,降低車外噪音ldBA以上,同時它續駛里程不小于500KM,加O1緒論速性能和同類內燃機汽車相當。這些優良的性能加上良好的環保概念和省油性必能吸引很多消費者的目光,進而產生巨大的需求。在整車的造價上,也只比同檔次的傳統汽車最多增加30%的成本,按長安羚羊CDC狀態8萬多元的售價計算也就是10多萬元,這樣的價位隨著人們收入水平的不斷提高,相信到時候很多消費者都可以接受的。長安混合動力轎車項

38、目在2005年完成后進行形式認證和小批量試制,同時將組建示范車隊。其直接經濟效益主要體現在減少燃油消耗,降低使用成本和新增工業產值上,根據估算,l輛基于ISG技術的混合動力出租車每年將節約燃料費約1萬元左右(按每年行駛365天,剛氐濁耗30%計,整車改裝所造成的售價增加部分,可以通過節省使用費在兩年左右的使用期內進行回收。因此,用戶使用混合動力轎車經濟實惠,效益顯著。重慶甚至全國擁有能夠提供大量的混合動力汽車需求的特殊的市場(如城市出租車,有競爭的生產成本,并且具有愈來愈迫切的保護環境和不可再生自然資源的需求,這些因素綜合起來,為長安混合動力汽車提供了非常獨特的機會。另外,從豐田公司1997年

39、剛推出混合動力電動轎車到1998年底銷售看,市場最初的銷售達到了近3000臺,截止今年上半年累計超過lO萬輛。2008年的北京奧運會將全部采用國內企業生產的電動汽車,初步估算這將是一個20億的巨大市場,通過奧運會這個舞臺對電動汽車消費生產的輻射效應更是不可估量的,這可能帶動電動汽車消費的跨越式增長。1.5本文的主要研究內容為了開發ISG型混合動力轎車,在國家“863”項目的資助下,本論文針對長安ISG型混合動力轎車進行了試驗和理論研究及其計算機仿真,具體內容如下:1.對JL474Q1發動機進行性能試驗,在實驗數據的基礎上構造發動機轉矩模型和發動機燃油消耗模型。設計電子節氣門的控制器,開發控制器

40、硬件電路,并對電子節氣門進行了試驗,驗證電子控制單元對節氣門的控制性能。2.分析羚羊轎車和c變速器的結構參數,完成CVT變速器的選型。進行液力變矩器性能試驗,建立液力變矩器數學模型。3.在蓄電池試驗的基礎上,分析和研究Ni.MH蓄電池充放電特性及其影響因素,提出了安時一開路電壓算法(慫oCu法預測蓄電池的剩余能量和荷電狀態計算方法。4.進行ISG電機實驗,選擇電機的主要參數,得到ISG電機的效率曲線和特性曲線,并根據實驗數據建立ISG電機仿真數學模型,進行ISG電機轉速電流雙閉環控制仿真,得到了良好的控制效果。重慶大學碩士學位論文5.通過使用ADVISOR軟件,建立整車模型(包括發動機、ISG

41、電機、CVT無級自動變速器、蓄電池等,進行各種車輛行駛工況仿真,得到了良好的車輛排放性和燃油經濟性。2發動機模型及電子節氣門改造2發動機模型及電子節氣門改造長安ISG混合動力轎車采用JL474Q1發動機。發動機作為混合動力汽車的能源之一,必須與另一個能量單元ISG進行匹配,做到合理分工、協調工作,因此必須進行發動機的動力性、經濟性性能實驗,并按需要做相應的改造。2.1發動機性能試驗】.發動機的試驗方法及內容分別測試了發動機油門開度百分比固定在1%、2%10%(間隔2%,13% 40%(間隔3%,45%100%(間隔5%時,以及發動機轉速在800、900、1000 6000rpm(間隔300rp

42、m時,發動機的穩態輸出轉矩及油耗,油耗測試采用重量測定法【2”。試驗前對發動機進行了磨合,試驗時發動機處于熱機狀態。進行了發動機的怠速試驗、負荷特性試驗并繪制了相關性能曲線圖。2.發動機的速度特性發動機的速度特性表示的是發動機的動力性能與經濟性能隨轉速的變化關系(以動力性能為主。它包括全負荷時的速度特性(外特性和部分負荷時的速度特性(部分特性兩大類m】。前者為發動機在節氣門全開時的最太作功能力以及對應的經濟性能,后者為節氣門處于部分開啟狀況時發動機所表現的各項性能指標。將發動機節氣門全開時,扭矩兀、功率Pe以及燃油消耗率b與發動機轉速n。之間的函數關系以曲線表示,此特性曲線稱為發動機外特性曲線

43、。圖2.1為JL474Q1發動機的外特性曲線。由圖可見。發動機的最小穩定工作轉速為n黜in=1000rpm。隨著發動機轉速增加,發動機發出的扭矩和功率都在增加,最大扭矩疋。時的發動機轉速n(rpm芒C圖2.1JL474Q1發動機的外特性Fig2.1External characteristic of engineJL474QI重慶大學碩士學位論文為nc=2500rpm。再增加發動機轉速時,疋先有所下降,然后有所增加。到ne_-4500rpm 時,達到另一扭矩峰值;而功率繼續增加,一直到最大功率。,此時發動機轉速為nm“=6000rpm。若扭矩的單位以Nm表示,功率的單位以kW表示,轉速的單位以

44、rpm表示,則功率與扭矩有如下關系【221:P-焉他-,發動機節氣門部分開啟時,兀、段以及b。與n。之間的函數關系曲線稱為發動機部分負荷特性鰒線。圖2.2為JL474Q發動機外特性及部分特性的扭矩與功率曲線。各條曲線代表不同的節氣門開度。10080霉60 Z吝4020605040拿善3。2010O100020003000400050006000100020003000400050006000月,(rpm4.(rpm圖2.2JL474QI發動機的外特性和部分特性Fig2.2External characteristic and partial characteristic ofengine JL

45、474Q12.2發動機的數值模型汽車動力性、燃油經濟性模擬計算是以發動機數學模型為重要依據的。發動機數學模型的描述,包括汽車發動機外特性(使用外特性和萬有特性。描述發動機性能特性的方法有表格法、插值法和模型法三種,前兩種方法精確度較高,但占用內存較多、運算速度較慢。對己知試驗數據的發動機,其使用外特性可以看作為發動機轉速的一元函數,用最小二乘法擬合得出;而萬有特性可以看作為發動機轉速和發動機扭矩的二元函數,用曲面擬合法田l可得。發動機的負載決定了發動機的運行工況。嚴格地說,大部分發動機的負載是屬于動態的。汽車發動機80%以上的工況是處于不穩定的過渡狀態。但限于目前的發動機測試技術,菲穩態工況還

46、不能用定的動態的或過渡性的特性來表示,主要還是利用穩態工況下發動機特性試驗獲得的模型近似地描述非穩態工況下發142發動機模型及電子節氣門改造動機瞬態特性。考慮到發動機在加速工況時,其扭矩較穩定工況有所下降,燃油消耗率有所上升,一般認為其扭矩下降量與曲軸角加速度成線性關系,可以采用修正系數的方法來考慮這種影響,借以減少穩態工況代替瞬態工況帶來的誤差。在本文中,由于用來進行模擬計算的計算機性能較好,故采用了精度較高的數表插值法。1.發動機的穩態扭矩特性研究表明,發動機的外特性曲線和部分負荷特性曲線均是發動機節氣門開度和發動機轉速的函數,即正=f,n。在一定的節氣門開度下發動機輸出扭矩曲線可由試驗數

47、據三次樣條插值擬合達到滿意的精度24】。因此可用有限的試驗數據建立發動機的數值模型。根據發動機的試驗數據及其應用范圍,分別繪出節氣門開度和發動機轉速的坐標向量,即:節氣門開度口=喁,口:,%】1和發動機轉速n。=H。,he2,%7,其中礬和%分別表示發動機最小和最大節氣門開度。he!和n。分別代表發動機最低和最高轉速。坐標間隔為三次樣條的插值步長,插值步長分別相等,為口=口M-GO,=(口。一q/m,An。=”一nd=(n。一rtel/n。坐標值的間隔大小決定了數表的網格數,坐標間隔越小則數表的網格越密,插值結果越精確,但數表的數據存儲量越大。圖2.3為用來構造數表的發動機節氣門開度、發動機轉

48、速與穩態輸出扭矩關系圖。給定發動機節氣門開度和轉速即可確定在穩態工況下的輸出扭矩。0000圖2.3JI74Q1發動機的穩態輸出扭矩Fi92.3Steadyouputtorque ofengineJL474Q1重慶大學碩士學位論文2.非穩態工況下發動機性能的修正發動機大部分時間處于非穩態工況。研究表明,非穩態工況下發動機的特性與穩態工況下發動機特性是不同的。當汽車加速時,由于混合氣濃度逐漸變稀,致使發動機扭矩比穩態工況下的扭矩低,發動機扭矩下降量與曲軸角加速度近似成線性關系,并且下降量不超過發動機最大扭矩的4%5%。同理,當汽車減速時,由于混合氣濃度逐漸變濃,使發動機扭矩比穩態工況下的扭矩高,扭

49、矩上升量與曲軸減速度也近似成線性關系【吲。因此,可以采用修正系數的方法來對發動機穩態工況下的輸出扭矩進行修正并作為非穩態工況下的輸出扭矩。即發動機的動態輸出扭矩為:P:ro一五華(2.2df 式中:z?發動機動態輸出扭矩(N.m兀發動機穩態輸出扭矩(N-mdoe/dt發動機曲軸角加速度(1/s2五非穩態工況下發動機輸出扭矩下降系數,對不同的發動機而言,五是不同的。該發動機五值取0.03。3.發動機油耗模型發動機負荷特性曲線給出了在不同發動機轉速下負荷與有效燃油消耗率的關系。根據每個發動機轉速下的負荷特性曲線獲得不同轉速下發動機功率與比油耗的關系也=6e(n。,繪制發動機負荷特性圖,如圖2.4所

50、示。利用插值擬合出如圖2.5所示的關于發動機有效燃油消耗率與發動機轉速及扭矩的關系曲面,即發動機油耗的數值模型。由于發動機動態特性對發動機的燃油消耗率影響不大,因0102030405060708090100兀(N.rn圖2.4JL474Q1發動機負荷特性圖Fig 2,4Load feature ofengine JL474Q1此,可以用發動機穩態的油耗量近似代替其動態油耗量。由上述燃油消耗模型曲面圖作n。-Tc平面內的等高線圖,即可得到萬有特性圖,如圖2.6所示。發動機的萬有特性圖也是發動機的效率圖,圖中各工作點反映了發動機的效率分布情況。啪瑚湖枷|柵(q 奎I ,囂一I q2發動機模型及電子

51、節氣門改造由于有ISG,因此發動機可以選擇在燃油消耗最低、但扭矩較高的范圍工作,或者為了保證車速,讓發動機選擇在相對固定的轉速范圍內運轉,追求更大的經濟性。圖2.5JL474Q1發動機燃油消耗模型Fig2.5Fuel consumption model ofengine JI_A.74Q14,JIA74發動機的萬有特性從萬有特性上很容易看出heraax,。,咒。和發動機最經濟的負荷和轉速。等油耗線的最內層為最經濟區,曲線越向外,經濟性越差。油耗率曲線稀疏的區域,隨工況變化油耗率變化較小,有利于變工況工作;油耗率曲線密集的區域,1101009080言70邑60r50403020lO1000200

52、030004000500060004。(rpm圖2.6JL474Q1發動機萬有特性圖Fig2.6Characteristic map ofengine JL474Q1工況稍有變動,油耗率變化很大,燃料系統的調節往往對這些區域很敏感。重慶大學碩士學位論文等油耗曲線的形狀及分布情況對發動機的使用經濟性也有很重要的影響。如果等燃油消耗率曲線圖形沿橫坐標方向較長,則表示發動機在負荷變化不大而轉速變化較大的情況下工作時,燃油消耗率變化較小:如果等燃油消耗率曲線圖形沿縱坐標方向較長,則表示發動機在負荷變化較大,而轉速變化不大的情況下工作時,燃油消耗率交化較d,1261。顯然,JL474Q1發動機屬于前一種

53、類型。2.3電子節氣門控制系統設計及開發普通節氣門控制系統是由駕駛員通過操縱節氣門體的拉線機構來實現節氣門的開度控制。在ISG混合動力汽車中,需要對發動機進行柔性控制,因此采用電子節氣門控制系統。它由駕駛員提供節氣門的開度參考信號,經過車載混合動力ECU的控制.由動力驅動裝置來實現節氣門開度值的電子控制【2”。2.3.1電子節氣門控制系統的結構設計電子節氣門的控制都將由電子元件和機械元件完成。下列元件產生輸入信號供給電子節氣門控制系統的控制單元使用:加速踏板位置傳感器;電子節氣門位置傳感器;節氣門控制系統的設計結構,根據驅動方式的不同可分為步進電機驅動型式和無刷直流伺服電機驅動型式兩種,如圖2

54、.7、2,8所示1.步進電機驅動型式i上位扭一 重慶大學碩士學位論文CAN總線CAN模塊1._=:。L 信號節氣調_I抗于擾輔理層啦計I l L.l、理濾控舅H竺尸、L ,注_一商百一_.f習>鱧電器L一.峰糾d ,r I蘭皇竺l -蓄喇生L一蟠模塊._計苴加圖2.9電子節氣門控制單元模塊Fig 2.9Electric throttle control unit 援控置汗度遺電機控奠發動機ECU 控爿宣滴電機漶電蠢控制單元芯片采用的是Cygnal公司的C8051F040八位單片楓,該單片機集成了嵌入式系統的許多先進技術:采用開關網絡以硬件方式實現I/O端口的靈活配置。在這種通過交叉開關配

55、置的I/O端口系統中,單片機外部為通用I/O端口,如PO端口、PI端口和P2端口。內有輸入,輸出的電路單元通過相應的配置寄存器控制的交叉開關配置到所選擇的端口上。提供了一個完整而先進的時鐘系統。在這個系統中,片內設置有一個可編程的時鐘振蕩器(無需外部器件,可提供2、4、8和16MHz時鐘的編程設定。 圖2.10硬件板路Fig 2.】0Hardwareboard 重慶大學碩士學位論文口輸出/入脈沖信號。節氣門控制單元的模塊設計和硬件分別如圖2.9,圖2.10所示。2.3,3電子節氣門控制單元試驗圖2.1l為步進電機型式下,電子節氣門對不同輸入信號的跟蹤響應特性。左邊為濾波后的數據,右邊為原始數據

56、。由試驗數據可見,電子控制單元能夠較好的實現節氣門實際開度值對期望值的跟蹤控制。2.4本章小結1.對JL474QI發動機進行了性能試驗,獲取了發動機的轉矩特性和燃油消耗特性。2.利用樣條插值的方法構造了發動機轉矩模型和發動機燃油消耗模型,并討論了非穩態工況下發動機性能的修正。該模型是研究ISG混合動力車傳動系統匹配的基礎。3.討論了電子節氣門的結構形式,設計了電子節氣門的控制器,開發了控制器硬件電路。4.對電子節氣門進行了試驗,結果表明電子控制單元能夠較好的實現節氣門的控制。3自動變速器綜合特性研究3自動變速器綜合特性研究3.1選型依據目前世界上廣泛使用的汽車自動變速傳動包括機械有級自動變速傳

57、動、液力機械自動變速傳動和機械無級自動變速傳動【32331。與液力機械自動變速傳動相比,無級自動變速傳動具有傳動效率較高、速比范圍較寬等優點;與機械有級自動變速傳動相比,無級自動變速傳動消除了檔位的概念,可實現發動機與傳動系的最佳匹配,使汽車獲得較佳的燃油經濟性、動力性和低的廢氣排放,并使汽車變速更加平穩,提高了乘坐舒適性。可以說機械無級變速器是最具有發展前途的自動變速器之一【34。”。圖3.1為無級自動變速傳動系統結構圖。其中,發動機l輸出的動力經液力變矩器2、前進檔7/倒檔6離合器傳至金屬帶無級變速傳動裝置的主動工作帶輪3,通過金屬帶無級變速4將動力傳遞到從動工作帶輪5,再經中間減速齒輪,主減速器9與差速器,通過汽車半軸傳遞到車輪。在工作中,當主、從動工作帶輪的可動部分作軸向移動時,改變了金屬帶的工作半徑,從而實現傳動比的無級調節。其中,可動帶輪的軸向移動量是根據汽車的具體使用工況要求,通過液壓控制系統分別調整主、從動輪油缸中的液壓力而實現的。在混合動