并联混合动力轿车多能源管理系统标定试验

*国家高技术研究发展计划(863计划，2006AA11A128)资助项目。2007收到初稿,20070420收到修改稿机械工程学报CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING并联混合动力轿车多能源管理系统标定试验*张彤1,2朱磊1,2袁银南1王存磊3严明1（1．江苏大学汽车电子技术研究所镇江212013；2．上海华普汽车有限公司上海2015013.上海交通大学机械与动力工程学院上海200030）摘要：介绍基于超级电容的单轴并联混合动力轿车结构，开发出混合动力多能源管理系统，实现了发动机管理系统与整车管理系统的软件和硬件集成化。在测功机上对发动机进行了稳态标定，得到发动机的万有特性、基本点火提前角、充气效率和比油耗等数据。整车转鼓试验表明，采用电子节气门和燃油瞬态补偿策略的混合动力汽车排放较低，能够达到国Ⅲ和国Ⅳ的排放标准。将发动机的喷油转速提高到1200r/min,避免了传统发动机在低转速下的过浓喷油，并且取消了发动机的怠速工况，将混合动力汽车的油耗降低8%～10%。通过对起动过程空燃比和点火提前角的优化，缩短了三效催化转化器的起燃时间，降低了发动机的冷起动排放。这种硬件和软件集成的设计结构，降低了研发成本，推进了混合动力产业化进程。关键词：超级电容混合动力电控单元标定中图分类号：TG156:ResearchonMultipleEnergyManagementCalibrationExperimentsofParallelHybridElectricVehicleZHANGTong1,2,ZHULei1,2,YUANYinnan1,WANGCunlei3,YANMing1(1.InstituteofAutomotiveElectronicTechnology,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.ShanghaiMapleAutomobileCo,.Ltd.,Shanghai201501;3.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030)Abstract:Theconfigurationofultra-capacitorbasedsingle-shaftparallelHybridElectricVehicle(HEV)isintroducedinitially.Themultipleenergymanagementsystemisdevelopedtorealizeintegrationofsoftwareandhardwarewhichoriginallybelongtoenginemanagementsystemandvehiclemanagementsystemrespectively.Thesteady-statecalibrationexperimentconductedondynamometerprovidesuniversalcharacteristic,basicsparkadvance,volumetricefficiencyandspecificfuelconsumptionofengine.ThevehicletestbenchresultsindicatethattheHEVequippedwithelectronicthrottleandtransientfuelcompensationstrategyhasloweremissionandmeettheemissionstandardofNationalⅢlevelandNationalⅣlevel.Byincreasingfuel-injectingspeedto1,200r/mintoavoidlow-speedenrichmentandeliminatingidlecondition,thefuelconsumptionofHEVisreducedby%8～10%.ThankstotheoptimizationAir/FuelRatioandsparkadvance,thelightofftimeofthree-waycatalystisdecreasedandcold-startemissionisimproved.ThisintegrateddesignstructureofsoftwareandhardwarebringsdownR&DcostandspeedsupmassproductionofHEV.Keywords:Ultra-capacitorHybridelectricvehicleElectroniccontrolunitCalibration0前言世界各国政府，尤其是各大汽车公司都投入了巨额的人力物力和财力开发混合动力汽车。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些国家已经进入实用阶段，全球首辆商业性混合动力汽车“Prius”由日本丰田公司研制成功，2007年，本田公司生产的思域新混合动力轿车[1]。相对国外混合动力轿车开发技术而言，“十五”和“十一五”期间，国家科技部将电动汽车项目列入国家“863”重大专项，从提升国家汽车产业水平等角度开始推进我国电动汽车的研究开发及产业化，开展对混合动力发动机、电池、电机、整车多能源管理控制器、整车标定匹配试验等方面进行全面的技术研究和推进关键零部件的产业化工作。本文采用并联式混合动力方案，起动过程中采用电机助力，可以降低起动过程中燃油的喷射量，改善冷起动下的空燃比，降低HC和CO排放。同时在发动机怠速、稳态、大负荷、瞬态工况下，利用ISG（Integratedstarter/Generator）电机进行动力匹配，改善发动机运行工况点，提高制动能量回收效率，降低整车的污染物的排放，提高燃油的经济性[2-3]。因此需要在发动机管理系统的基础上，增加混合动力系统的优化控制策略。为此，开发出了国产发动机控制管理系统，进行大量的标定匹配试验，使发动机相关指标满足相关国家标准。同时将整车控制系统集成到发动机管理系统中，开发出了混合动力多能源管理系统。实现混合动力控制软件与发动机控制软件的集成化功能。1并联混合动力轿车系统结构目前采用的并联式混合动力方案是一种前置前驱的中度混合形式。经过大量的方案选型和设计，采用性价比优良的超级电容储能装置，集成发动机、ISG电动机、超级电容和双离合器等部件。它是将盘式一体化ISG电动机直接安装在内燃机曲轴输出端,电动机转子和发动机曲轴直接连接，定子固定在发动机机体上。ISG电动机取代了飞轮以及原有的起动机和发电动机，图1为并联混合动力系统结构示意图。图1并联混合动力系统结构示意图为了实现混合动力轿车性能优化匹配策略，建立基于转矩管理的控制策略。因此开发出了集成式混合动力多能源电控管理系统，将超级电容、整车的刹车踏板、加速踏板、档位信号等集成到发动机电控单元上，多能源电控管理系统与电动机控制单元之间采用CAN总线通讯方式。图2是开发出了混合动力多能源电控管理系统硬件结构。图2混合动力多能源电控管理系统硬件2混合动力发动机台架标定试验在发动机结构基础上，改装了原机的机械节气门结构，换成电子节气门结构，同时增加了电子油门踏板、整车各个档位、电控离合器、超级电容等信号引脚。在软件结构上，建立基于电子节气门的转矩管理控制策略，增加了混合动力功能控制软件。因此对发动机重新进行台架优化标定匹配，为进一步实现混合动力性能做好基础。2.1发动机结构参数采用上海华普汽车有限公司的JL479QA发动机，直列四缸、顶置双凸轮轴、16气门机构，对向斜顶面型燃烧室，采用无分电器，分组点火，闭环，多点顺序喷射方式。JL479QA汽油机基本性能参数如表1所示。表1汽油机基本参数缸径×冲程r×l/mm×mm78.7×77.0总排量Q/L1.498压缩比r9.8最大功率Pmax/kw69(6kr/min)最大转矩Tmax/(N.m)128(3.4kr/min)全负荷最低燃油消耗率q/(g/kw.h)≦269最低空载稳定转速(怠速)800±50r/min燃油牌号研究法辛烷值93号及以上无铅车用汽油润滑方式压力与飞溅复合式2.2试验仪器和设备试验室主要采用的设备有：AVL测功器，功率为240kW，AVL733S瞬态油耗仪，日本HORIBA的MEXA110宽域型氧传感器。2.3发动机标定试验内容整个混合动力控制策略采用基于电子节气门的转矩控制模式，优化目标是发动机的起动、怠速工况、加速工况、减速工况等瞬态工况。图3是发动2机的转速―节气门开度―转矩在稳态工况下的三维脉谱图，同样根据当前发动机的转速和需求转矩，可以得到对应的电子节气门开度。图3发动机转速―节气门开度―转矩脉谱针对混合动力功能需要得到的目标，发动机方面需要标定的项目有，基本稳态工况下的点火提前角、喷油脉谱的标定试验；发动机大负荷下喷油脉谱修正和点火提前角修正的标定试验；发动机各个稳态工况下的氧闭环标定试验；发动机起动工况的标定试验；发动机怠速工况(包括大灯、空调、助力转向外在负荷)的标定试验；发动机各种温度、压力修正脉谱的标定试验；整车转鼓排放试验；整车冷起动标定试验；“三高”标定试验；驾驶性标定试验。图4为发动机稳态工况基本点火角脉谱，图5为发动机稳态工况充气效率脉谱。图4发动机稳态工况基本点火角脉谱图5发动机稳态工况充气效率脉谱根据图6根据等油耗曲线可以看出，发动机在小负荷工况，节气门开度小于10%，比油耗比较高，大于490g/kw·h。而随着节气门开度的增大，随着燃料燃烧效率的提高，比油耗不断减小。燃油的经济性比较好。发动机的最佳经济区集中于中等负荷以上，从经济性的角度来看，在1.5～3.5kr/min转速段，燃油经济性最好，适合车用工况。因此在混合动力匹配当中，应当使发动机在中高负荷工况，这样可以提高的燃油的经济性。避免小负荷工况，在中等负荷下，进行行车发电。因此采用电动机平衡发动机所受的载荷，使发动机在高效率区域工作。当车辆怠速工作时，发动机燃油经济性和排放性差，而并联混合动力系统可以关闭发动机，在刹车制动过程中，利用电动机发电进行能量回收。图6发动机万有特性比油耗脉谱3整车转毂标定试验轻型车城市运转循环是由1部（市区运转循环）和2部（市郊运转循环）组成，如图7所示。测试过程为：在初始状态(车辆在一个温度为20～30℃的房间内静放至少6h)下，在冷起动前开始测试循环(国Ⅱ不包括冷起动和40s的暖机期的排放)。测试中，采用CVS(定容采样法)将废气收集到采样袋中，表2显示了整车转鼓排放数据对比情况。图7国Ⅲ轻型车运转循环工况表2整车转鼓排放数据对比％COHCNOx国Ⅲ2.300.200.15国Ⅳ1.00.100.08实测数据0.6840.0760.0543在城市工况下，传统发动机有很大部分处于怠速工况、小负荷工况，怠速工况时间比例为35.4%。这些工况发动机燃烧效率低，油耗高、排放高，因此采用ISG电动机，电动机的额定功率为6kW。利用电动机取消发动机的怠速工况。当发动机处于小负荷工况，那么为了提高燃油经济性，将节气门开度处于经济油耗区，同时对超级电容进行充电，当电量充满后，再进行电动机助力。因此在小负荷工况下，电动机处于频繁的充电和放电状态，这样提高发动机工作区域。欧洲经济委员会(EconomicCommisssionofEurope,ECE)循环工况下转速与转矩关系分布以及ECE循环工况下转速与节气门开度关系分布分别如图8、9所示。图8ECE循环工况下转速与转矩关系分布图9ECE循环工况下转速与节气门开度关系分布根据图10可以看出，在市区和市郊的ECE循环工况中，在发动机加速工况下，HC和CO排放都比较高，出现连续的排放物尖峰，主要原因是在发动机瞬态工况下，进行喷油量补偿策略，混合气偏浓，燃烧不充分，排放物增多。图10市区和市郊的ECE循环工况图11是过渡工况下燃油补偿量脉谱。采用电子节气门可以改善发动机瞬态工况，实现对发动机瞬态工况的节气门柔性控制，使