基于超級電容的并聯(lián)混合動力轎車的開發(fā)

1、第29卷第1期2008年2月文章編號:1000-0925(2008)01-001-05內(nèi)燃機(jī)工程ChineseInternalCombustionEngineEngineeringVol.29No.1Feb.2008290001基于超級電容的并聯(lián)混合動力轎車的開發(fā)張彤1,2,袁銀南1,朱磊1,2,陳篤紅1(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,鎮(zhèn)江212013;2.上海華普汽車有限公司)DevelopmentofParallelHybridElectricVapacitorZHANGTong1,2,YUANYin11,2hong1(1.SchoolofAutomobileand,niversity,

2、Zhenjiang212013,China;Co.Ltd)Abstract:Ahybridelectricvehicle(HEV)withultracapacitorwasdeveloped.Somecoretech2nologies,suchasenginemanagementsystem,floatingISGmotor,electronicdouble2clutchsystem,electron2icdouble2drivingairconditionsystem,wereinnovated.Thesystemcontrolstrategyofthehybridelectricve2hi

3、clewasstudiedandthetorquedistributionbetweenengineandISG(integratedstartedgenerator)wasopti2mized.SotheHEVreachedbetterfueleconomyandloweremission.Throughthecalibrationandmatchingoftheenginemanagementsystem,theenginereachesEuro2emissionstandard.ThroughtheoptimizationtestofstartandidleoperationofHEV,

4、theoptimummatchingofstartcontrolparameterswasrealized,sothattheemissionsduringstartoperationwasdecreasedandthefueleconomywasimproved.摘要:采用基于超級電容的方案開發(fā)了單軸并聯(lián)式混合動力轎車,設(shè)計(jì)了發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)、全浮式ISG電機(jī)、電控雙離合器、電控雙驅(qū)動空調(diào)等多項(xiàng)核心技術(shù)。研究了混合動力轎車系統(tǒng)的控制策略,優(yōu)化了發(fā)動機(jī)和電機(jī)的扭矩分配,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和降低排放。對純發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的標(biāo)定匹配試驗(yàn),排放達(dá)到了歐2標(biāo)準(zhǔn);對混合動力系統(tǒng)的起動和怠速優(yōu)化試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了混合動力的

5、起動控制參數(shù)的優(yōu)化匹配,降低了起動污染物的排放,提高了燃油的經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī);超級電容;混合動力;動力總成控制系統(tǒng);控制策略;臺架試驗(yàn)Keywords:ICengine;ultracapacitor;hybridelectricvehicle;powertraincontrolsystem;controlstrategy;benchtest中圖分類號:TK46文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0概述混合動力轎車可以大幅度地降低燃油消耗、減少汽車排放,特別適合中國大城市交通普遍擁堵,汽車頻繁制動的交通工況。相對于傳統(tǒng)混合動力方案,基于超級電容的混合動力方案具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單、符合中國國情、適合產(chǎn)業(yè)化的特點(diǎn)。

6、超級電容能在短時(shí)間內(nèi)提供和吸收大的功率,而且能量回收效率高、充放電次數(shù)高、循環(huán)壽命長、工作溫度區(qū)域收稿日期:2007203205寬;其使用的基礎(chǔ)材料價(jià)格也很便宜,適合頻繁加速和減速的城市交通工況。在國內(nèi),超級電容價(jià)格相對于電池要便宜地多,適合低成本方案。超級電容比能量比較低,但是可以通過控制策略的研究,合理地進(jìn)行能量分配,滿足混合動力工況需求。隨著技術(shù)的日益成熟和車載示范運(yùn)行的不斷深入,超級電容將加快進(jìn)入汽車市場,使產(chǎn)量上升,價(jià)格下降。本文采用性價(jià)比優(yōu)良的超級電容儲能裝置,開發(fā)了低成本、高可靠性的混合動力系統(tǒng)?；痦?xiàng)目:國家863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2006AA11A128)

7、作者簡介:張彤(1965-),男,副教授,主要研究方向?yàn)榛旌蟿恿﹄娍叵到y(tǒng),E2mail:qichedianzi800。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2內(nèi)燃機(jī)工程2008年第1期1混合動力設(shè)計(jì)方案采用并聯(lián)單軸混合動力方案,集成發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)、超級電容和雙離合器等部件。將盤式一體化起動機(jī)/發(fā)電機(jī)直接安裝在內(nèi)燃機(jī)曲軸輸出端,電機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)動機(jī)曲軸直接連接,定子固定在發(fā)動機(jī)機(jī)體上。電機(jī)取代了飛輪以及原有的起動機(jī)和發(fā)電機(jī)1。圖1為混合動力轎車系統(tǒng)方案。國

8、2排放標(biāo)準(zhǔn),滿足了EOBD故障診斷要求2。ISG電機(jī)與雙離合器的集成裝配,采用全浮式ISG電機(jī)及雙離合器集成機(jī)構(gòu),曲軸端飛輪替換成ISG電機(jī),開發(fā)了全浮式ISG電機(jī),該電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是:由剛度較大的電機(jī)殼體承受除扭矩外的各種載荷,而曲軸因僅承受扭矩,彎曲變形比原結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)還小、克服了其他形式ISG電機(jī)的缺點(diǎn)。,由。本系統(tǒng)開發(fā),發(fā),這解決了夏季高溫時(shí)無,從而降低了能耗。開發(fā)了整車電控管理系統(tǒng),整車控制器負(fù)責(zé)整車的能量管理和動力分配,通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)和電機(jī)的動力匹配,實(shí)現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和動力性的控制。整車控制器負(fù)責(zé)采集整車各種檔位、油門、剎車信號,通過CAN總線對發(fā)動機(jī)和電機(jī)控制器發(fā)出控制指

9、令,實(shí)現(xiàn)整車各個(gè)工況下的優(yōu)化控制。采用CAN通訊,實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制器之間的通訊?；旌蟿恿I車的動力控制系統(tǒng)由多個(gè)控制器組成,每個(gè)都有各自的控制系統(tǒng),所有這些控制系統(tǒng)通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,從而構(gòu)成了車用分布式控制系統(tǒng),其中動力總成控制器是其他所有子系統(tǒng)控制器的主控制器,其主要作用是進(jìn)行混合動力轎車動力總成的能量管理和動力輸出切換過程的協(xié)調(diào)控制。1.2混合動力轎車性能目標(biāo)圖1并聯(lián)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖混合動力轎車的動力傳動系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、雙離合器、ISG電機(jī)和變速箱。由于比傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)總成增加了ISG電機(jī)和雙離合器部件,因此需要在有限的空間內(nèi)設(shè)計(jì)出合理的ISG電機(jī)與雙離合器的集成結(jié)構(gòu)。圖2是混合動力總

10、成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝配圖。整車動力性實(shí)現(xiàn)加速時(shí)間與基礎(chǔ)車相當(dāng);經(jīng)濟(jì)性方面,與基礎(chǔ)車相比,能量消耗降低率大于15%(NEDC);排放性能方面,整車排放達(dá)到國2標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)混合動力整車的功能:發(fā)動機(jī)快速起停;整車加速電機(jī)助力,發(fā)揮電機(jī)靈活響應(yīng)能力,提高整車平順性及舒適性;行車發(fā)電功能,優(yōu)化發(fā)動機(jī)工況,使發(fā)動機(jī)工作在高效率區(qū)域;實(shí)現(xiàn)較大比例回收制動能量;實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況優(yōu)化,進(jìn)一步降低污染物的排放3。1.3混合動力部件參數(shù)設(shè)計(jì)圖2混合動力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝配圖1.1混合動力轎車系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)采用超級電容作為能量儲存方式,可節(jié)省超級電容控制系統(tǒng)和高壓接觸器件,采用MOSFET,取代IGBT驅(qū)動模塊,無需高壓電安

11、全系統(tǒng),系統(tǒng)電壓采用42V,循環(huán)使用壽命可達(dá)20萬次以上,大幅降低了使用成本。此外超級電容充電速度快,充放電效率高;工作溫度區(qū)域?qū)?容量變化小,相對成本低。采用自主開發(fā)的發(fā)動機(jī)電控管理系統(tǒng),混合動力核心技術(shù)是發(fā)動機(jī)與電機(jī)的扭矩優(yōu)化匹配。開發(fā)的發(fā)動機(jī)電控單元采用基于電子節(jié)氣門的扭矩管理控制策略,對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化標(biāo)定匹配,達(dá)到了采用JL479QA雙頂置凸輪4缸電控多點(diǎn)順序噴射發(fā)動機(jī),排量為1.5L,最大功率為69kW(6000r/min),最大扭矩為128Nm(3400r/min)。同時(shí)改裝發(fā)動機(jī)的油門裝置,采用電子節(jié)氣門,以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)油門的扭矩控制。采用永磁同步電機(jī),標(biāo)定電壓為42V,工作電壓

12、30V50V,電機(jī)額定功率為6kW,峰值功率為10kW。標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2100r/min,最大扭矩為60Nm。電機(jī)工作環(huán)境溫度范圍為-30+105。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2008年第1期內(nèi)燃機(jī)工程3超級電容器應(yīng)能完成為整車系統(tǒng)提供42V輔助動力電源的功能,提供短時(shí)間大功率能量,起到功率平衡作用。具體參數(shù)指標(biāo):標(biāo)定電壓為42V,工作電壓范圍為30V50V,單體容量規(guī)格3500F,功率密度2000W/kg,能量密度6Wh/kg,使用溫度范圍-25

13、60。變速箱采用5擋手動變速器:1檔速比為3.182,2檔速比為1.859,3檔速比為1.25,4檔速比為0.909,5檔速比為0.703,倒檔速比為3.083。2混合動力系統(tǒng)控制策略速斷油工況需要有一些改變:更大范圍地利用減速斷油工況,滿足燃油的經(jīng)濟(jì)性和排放性能的要求;降低減速斷油推出轉(zhuǎn)速。減速斷油工況與怠速工況具有一些相同的進(jìn)入條件,如都是節(jié)氣門關(guān)閉、進(jìn)氣歧管絕對壓力較低?；旌蟿恿M(jìn)入斷油工況下,發(fā)動機(jī)停止噴油,處于倒拖狀態(tài),同時(shí)電機(jī)處于發(fā)電工況,當(dāng)司機(jī)加速時(shí),根據(jù)檢測到的加速踏板信號,電機(jī)拖轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)到噴油轉(zhuǎn)速,。這樣,取消了怠速工況,主,電機(jī)輔助驅(qū)動、扭矩輸出控制精度差,扭矩輸出控制精度

14、高,因此可以利用電機(jī)工作特點(diǎn)優(yōu)化發(fā)動機(jī)工況,提高整車的經(jīng)濟(jì)性和排放性4。2.1怠速停車及快速起動當(dāng)車輛起步時(shí),電機(jī)先將發(fā)動機(jī)拖轉(zhuǎn)到噴油轉(zhuǎn)速(800r/min)使發(fā)動機(jī)更容易著火。當(dāng)發(fā)動機(jī)的冷卻水溫度處于正常工作范圍且空檔停車、發(fā)動機(jī)節(jié)氣門關(guān)閉時(shí)間超過閥值、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于閥值、汽車減速過程中車速低于目標(biāo)值時(shí),發(fā)動機(jī)立即停止噴油,從而消除了怠速工況下的高能耗和高排放。2.2減速斷油功能在減速工況運(yùn)行時(shí),車速降到一定程度,發(fā)動機(jī)停止噴油,同時(shí)電機(jī)根據(jù)司機(jī)剎車踏板信號進(jìn)行能量回收。松開制動踏板后,發(fā)動機(jī)快速恢復(fù)噴油。發(fā)動機(jī)減速工況,切斷燃油的噴射可以增加發(fā)動機(jī)的制動能力,提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能,并能

15、夠保護(hù)催化轉(zhuǎn)換器。圖3是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)斷油工況下各參數(shù)變化曲線。,瞬間提供的扭矩大,因此適合城市頻繁加速工況,通過電機(jī)提供的瞬時(shí)扭矩,提高發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況的動力性。在發(fā)動機(jī)加速工況下,電動機(jī)連同發(fā)動機(jī)一起提供扭矩,滿足低速扭矩不足及急加速大負(fù)荷扭矩需求,同時(shí)可以減少加速工況下發(fā)動機(jī)燃油噴射的過濃補(bǔ)償,節(jié)省了燃油,降低了排放。電機(jī)助力的大小根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板位置以及變化率決定。當(dāng)輕微加速時(shí),電機(jī)只部分助力。當(dāng)急加速時(shí)電機(jī)全力助力。當(dāng)超級電容電壓小于30V時(shí),電機(jī)不助力。2.4常發(fā)電功能在行駛過程中,電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài),這樣可以改善發(fā)動機(jī)工作區(qū)間,混合動力通過給超級電容充電,使發(fā)動機(jī)工作在高效率低

16、能耗區(qū)域。如果整車處于小負(fù)荷工況,為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性,需提高發(fā)動機(jī)負(fù)荷,將節(jié)氣門開度處于經(jīng)濟(jì)油耗區(qū),進(jìn)行充電,當(dāng)電量充滿后,再進(jìn)行電機(jī)助力。因此在小負(fù)荷工況下,電機(jī)處于頻繁的充電和放電狀態(tài)。電機(jī)的標(biāo)定功率為6kW,因此將節(jié)氣門開度到15%之上,可使發(fā)動機(jī)的比油耗減小。2.5減速制動能量回收當(dāng)整車控制器根據(jù)司機(jī)加速踏板和剎車踏板信號判斷整車處于減速制動工況時(shí),電機(jī)對超級電容進(jìn)行充電,實(shí)現(xiàn)制動能量回收。3發(fā)動機(jī)動力試驗(yàn)標(biāo)定匹配3.1發(fā)動機(jī)臺架優(yōu)化標(biāo)定匹配發(fā)動機(jī)臺架主要標(biāo)定的項(xiàng)目有:設(shè)定初始參數(shù)的標(biāo)定、系統(tǒng)進(jìn)氣溫度修正預(yù)標(biāo)定、蓄電池電壓修正標(biāo)定、各缸混合氣均勻性標(biāo)定、基本噴油標(biāo)定、基本點(diǎn)火提前角標(biāo)定

17、、大負(fù)荷加濃標(biāo)定、空燃比閉環(huán)標(biāo)定、發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化試驗(yàn)。圖4是發(fā)動機(jī)充氣效率基本脈譜圖;圖5是發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角基本脈譜圖;圖6是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率脈譜圖。圖3斷油工況各個(gè)參數(shù)變化曲線對于混合動力減速斷油工況,發(fā)動機(jī)原有的減© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4內(nèi)燃機(jī)工程2008年第1期圖4圖7發(fā)動機(jī)冷起動工況各個(gè)參數(shù)變化曲線圖圖8歐2城市和城郊道路循環(huán)工況表1整車轉(zhuǎn)鼓排放數(shù)據(jù)對比g/kmCOHC0.200.100.076NOx0.150.080.05

18、4歐22.301.00.684圖5發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角基本脈譜圖歐2實(shí)測數(shù)據(jù)4混合動力起動優(yōu)化標(biāo)定起動、暖機(jī)、怠速工況的過渡直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的排放。在傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)標(biāo)定過程中,起動過程中,由于氧傳感器本身需要加熱時(shí)間、三元催化轉(zhuǎn)換器需要起燃溫度,因此導(dǎo)致起動的幾十秒內(nèi)發(fā)動機(jī)處于開環(huán)控制,而起動工況混合氣要求很濃,從而導(dǎo)致HC、NOx、CO排放值特別高,而一旦進(jìn)入氧閉環(huán)、三元催化起作用下,排放完全由閉環(huán)優(yōu)化標(biāo)定解決。對于混合動力系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)在電機(jī)拖動下過渡到發(fā)動機(jī)怠速工況,提高發(fā)動機(jī)起始噴油轉(zhuǎn)速,減小或者避免傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)起動過濃噴油以及怠速油量,提高電機(jī)在發(fā)動機(jī)起動工況的助力效果。在滿足混合動力起動模

19、式的條件下,整車控制器根據(jù)當(dāng)前的發(fā)動機(jī)水溫、電容電壓,確定發(fā)動機(jī)的噴油轉(zhuǎn)速(噴油轉(zhuǎn)速影響發(fā)動機(jī)起動的噴油量,影響到起動瞬間的排放,影響發(fā)動機(jī)初始油膜的補(bǔ)償,而同時(shí)影響這個(gè)轉(zhuǎn)速的是電機(jī)能夠提供的扭矩也即超級電容的實(shí)際電壓影響了發(fā)動機(jī)噴油轉(zhuǎn)速,同時(shí)冷卻水溫度對起動阻力矩影響很大,因此噴油轉(zhuǎn)速是圖6發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率脈譜圖3.2整車優(yōu)化標(biāo)定匹配試驗(yàn)主要標(biāo)定發(fā)動機(jī)非穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn),也就是過渡工況,主要包括發(fā)動機(jī)起動工況、加速工況、減速工況、斷油工況等。使整車試驗(yàn)污染物排放數(shù)據(jù)優(yōu)化、瞬態(tài)燃油消耗優(yōu)化。同時(shí)要進(jìn)行“三高”標(biāo)定、EOBD故障診斷標(biāo)定等。圖7是發(fā)動機(jī)冷起動工況各參數(shù)變化曲線;圖8是歐2城市和城

20、郊道路循環(huán)工況。表1是整車轉(zhuǎn)鼓排放數(shù)據(jù)對比。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2008年第1期內(nèi)燃機(jī)工程5冷卻水溫度和超級電容電壓的三維脈譜,而主要標(biāo)定的是電壓和噴油轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。因此需要重新標(biāo)定混合動力下的起動、暖機(jī)、怠速的噴油量、怠速閥開度、溫度修正系數(shù)、電機(jī)的拖動轉(zhuǎn)速、超級電容的電壓等參數(shù)5。圖9是試驗(yàn)系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡圖。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)起動工況混合氣偏濃,進(jìn)入氧閉環(huán)要一段時(shí)間,對于混合動力而言,起動混合氣較稀,進(jìn)入氧閉環(huán)工況要快,這樣有利于降低起動

21、工況下的污染物的排放。圖12是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)與混合動力起動工況氧傳感器信號對比圖。圖12起動工況氧傳感器信號對比圖圖9試驗(yàn)系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡圖電機(jī)先將發(fā)動機(jī)拖轉(zhuǎn)到噴油轉(zhuǎn)速,然后進(jìn)入扭矩助力模式,扭矩根據(jù)發(fā)動機(jī)水溫進(jìn)行脈譜查找,當(dāng)轉(zhuǎn)速高于噴油轉(zhuǎn)速+400r/min時(shí),電機(jī)卸載,混合動力起動過程成功。圖10是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)與混合動力起動轉(zhuǎn)速對比圖。根據(jù)圖10可以看出,混合動力的起動的優(yōu)點(diǎn)是:起動時(shí)間短;轉(zhuǎn)速響應(yīng)快,沒有高的超調(diào),過渡平滑;起動性能良好。因此采用電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩控制對發(fā)動機(jī)起動工況進(jìn)行標(biāo)定匹配試驗(yàn),這樣的控制策略是合理的。可以使發(fā)動機(jī)起動過程混合氣濃度降低,改善了燃油經(jīng)濟(jì)性和整車的排放性。5結(jié)論

22、通過采用單軸并聯(lián)的混合動力開發(fā)方案,對混合動力汽車動力總成進(jìn)行集成發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)、超級電容和電控雙離合器、電控雙驅(qū)動空調(diào)等部件的選型;對發(fā)動機(jī)的優(yōu)化控制、電機(jī)的扭矩分配進(jìn)行優(yōu)化控制,采取基于電子節(jié)氣門的扭矩管理控制策略;利用自主研發(fā)的發(fā)動機(jī)電控管理系統(tǒng)、整車管理系統(tǒng),對發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行大量地標(biāo)定匹配試驗(yàn);進(jìn)行混合動力系統(tǒng)的起動標(biāo)定匹配試驗(yàn),優(yōu)化各個(gè)控制參數(shù),可使發(fā)動機(jī)滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)并以提高了燃油的經(jīng)濟(jì)性、降低了污染物的排放。圖10傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)與混合動力起動轉(zhuǎn)速對比圖參考文獻(xiàn):1YeonCH,GaoWZ,HerbertLG.Anewpowercontrolstrategyforhybridfuelcellvehi