基于CVT的混合动力汽车关键技术研究

【摘要】：以混合动力电动汽车为代表的节能汽车已成为我国汽车工业一个主要的研发方向。目前量产的混合动力汽车多采用自动变速器实现传动，将自动变速器应用于混合动力汽车是我国研究混合动力汽车的重点内容之一。无级变速是目前混合动力汽车采用最多的传动方案，本文针对基于无级变速器（CVT）的混合动力汽车关键技术进行研究，成功研制了国内首台基于CVT传动的前置后驱ISG型混合动力汽车，主要研究工作内容如下： 1）进行基于CVT的混合动力汽车整车设计。进行发动机、电机、电池等关键部件的选型，完成动力总成机械连接方案设计。完成了整车CAN总线网络系统设计以及整车控制系统硬件设计。在深入分析国外混合动力汽车结构、控制策略的基础上，根据本项目混合动力汽车的特点，制定了整车控制策略，编写了软件流程，实现了混合动力汽车基本功能。 2）基于MATLAB/Simulink平台，建立混合动力整车传动系统前向仿真模型。该模型既可以直接输入加速踏板信号，对整车动力性能进行分析；也可以用循环工况作为输入，对整车控制策略进行分析评价。模型的建立为设计方案的确定、控制策略的开发与优化提供了一个开发平台。 3）研究了CVT的速比与夹紧力控制规律。普通燃油车CVT的速比控制规律是介于经济性操作线与动力性操作线之间。由于混合动力汽车有电机提供后备功率，通过对电机转矩的合理控制，动力性能可以得到较好的保障，所以混合动力汽车CVT的速比控制规律可以基本按照最佳经济性曲线进行匹配。一般CVT的夹紧力根据发动机的输出、速比等调整。对于ISG型混合动力汽车，其CVT夹紧力除考虑原有参数外还要考虑电机转矩的合成。当加速过程中电机有助力转矩时，夹紧力应该增大；在发电过程中，夹紧力可以减小。 4）对完成的混合动力汽车进行了一系列系统调试和实车试验，主要进行动力性能和燃油经济性能的测试。测试结果表明：混合动力汽车可实现预定的各种运行模式，相对纯发动机运行模式，整车动力性能有比较明显提升，燃油消耗节省约5.6%。 5）分析了燃油经济性能未达到预期指标的原因，提出了整车方案的如下改进建议：第一、主动发电的时机应该选在发动机工作点的燃油消耗率在400g/kw.h以上时进行；第二、液力变矩器的锁止时机可以适当提前；第三、为实现高效率的纯电动功能，可以考虑在发动机与电机之间增加单向离合器。 6）结合CVT的速比控制，提出根据车速、节气门开度和发动机目标转速计算混合动力汽车行驶需求功率的算法，并将该算法用于混合动力汽车的动态逻辑门限控制策略，较好地解决了混合动力汽车的多目标优化问题。整车控制过程中根据行驶需求功率进行模式切换，切换门限根据整车参数实时计算，可以较好的解决混合动力汽车的动力性、经济性、模式切换平顺性等多个目标的优化问题。在MATLAB/Simulink平台下建立整车前向仿真模型，并在NEDC工况下进行仿真。仿真结果表明：整车动力性能得到了提高，模式切换平顺，节油34%，实现了多目标优化的要求。 【关键词】：混合动力汽车 控制策略 无级变速器 速比控制 可变逻辑门限 多目标优化
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 混合动力汽车简介12-14
• 1.2 无级自动变速器（ CVT）简介14-16
• 1.3 CVT 在混合动力汽车中的应用16-18
• 1.4 基于 CVT 的混合动力汽车结构分析18-19
• 1.5 本文研究的内容19-21
• 第2章 基于 CVT 的单轴并联后驱 HEV 设计21-42
• 2.1 主要部件参数选型21-25
• 2.1.1 发动机主要参数21-22
• 2.1.2 电机主要参数22-23
• 2.1.3 CVT 主要参数23-24
• 2.1.4 电池 ( 组 ) 主要参数24-25
• 2.2 整车动力分配方案25-27
• 2.3 机械系统设计27-32
• 2.3.1 机械结构匹配设计27-31
• 2.3.2 冷却系统设计31-32
• 2.4 整车控制方案32-41
• 2.4.1 TCU 部分32-34
• 2.4.2 HCU 部分34
• 2.4.3 其他线路34-35
• 2.4.4 液晶显示35-36
• 2.4.5 整车 CAN 通讯网络及部分协议36-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第3章 整车控制研究42-61
• 3.1 国内外混合动力整车控制策略研究现状42-45
• 3.1.1 能量管理策略的分类42-44
• 3.1.2 能量管理策略存在的不足与发展趋势44-45
• 3.2 整车控制策略与软件开发45-50
• 3.2.1 整车控制的主要原则45
• 3.2.2 主要工作模式与控制决策45-47
• 3.2.3 软件流程47-50
• 3.3 电机转矩的控制算法50-56
• 3.3.1 发电转矩的算法50-53
• 3.3.2 助力转矩算法53-55
• 3.3.3 纯电动转矩算法55-56
• 3.4 CVT 速比与夹紧力控制研究56-60
• 3.4.1 速比控制规律56-59
• 3.4.2 夹紧力修正59-60
• 3.5 本章小结60-61
• 第4章 整车建模与仿真61-79
• 4.1 建立模型62-74
• 4.1.1 整车模型62-63
• 4.1.2 发动机模型63-66
• 4.1.3 电机模型66-67
• 4.1.4 电池模型67-68
• 4.1.5 变速器模型68-70
• 4.1.6 车辆行驶力学模型70-71
• 4.1.7 驾驶员模型71-73
• 4.1.8 整车控制器模型73-74
• 4.2 仿真74-78
• 4.2.1 整车燃油经济性能仿真74-75
• 4.2.2 整车动力性能仿真75-76
• 4.2.3 低速纯电动功能仿真分析76-78
• 4.3 本章小结78-79
• 第5章 整车试验研究79-97
• 5.1 加速过程测试与分析79-81
• 5.2 发电过程测试与分析81-88
• 5.2.1 减速滑行发电82-83
• 5.2.2 再生制动发电83
• 5.2.3 主动发电83-88
• 5.3 怠速停机过程分析88-89
• 5.4 动力性能测试与分析89-91
• 5.5 油耗测试与分析91-95
• 5.6 本章小结95-97
• 第6章 整车方案优化97-122
• 6.1 纯电动行驶工况分析与优化方案97-106
• 6.1.1 纯电动行驶分析97-98
• 6.1.2 建模与仿真分析98-101
• 6.1.3 模式切换的控制算法分析101-106
• 6.2 液力变矩器锁止时刻的优化106-111
• 6.2.1 液力变矩器的结构、原理及锁止时刻的确定原则106-108
• 6.2.2 仿真优化108-111
• 6.2.3 结论111
• 6.3 插电式混合动力方案111-120
• 6.3.1 插电式混合动力方案的实现111-112
• 6.3.2 基于动态逻辑门限的整车控制方案112-117
• 6.3.3 动态逻辑门限控制方案的仿真分析117-120
• 6.4 本章小结120-122
• 结论与展望122-126
• 参考文献126-133
• 附录 A 攻读博士期间发表的论著目录133-134
• 附录 B 攻读博士学位期间参与的科研项目134-135
• 附录 C 攻读博士学位期间科研成果与奖励135-136
• 致谢136

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