丰田普锐斯混合动力数据流的处理与分析文档格式.docx
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FENGShun
Supervisedby
SeniorEngineerZHAOJianhua
NanjingInstituteofTechnology
June,2014
摘要
混合动力汽车作为纯电动汽车替换内燃机汽车的重要过渡产品,不仅在节油环保上的优势明显,而且其动力性和行驶里程也能和现在的内燃机汽车媲美,因而成为当今各大汽车公司研究开发的热点。
国内外汽车制造业者普遍认为混合动力电动汽车是目前最具有开发和推广前景的新型交通工具之一。
丰田普锐斯作为世界上第一款量产的混合动力汽车,如今已经历了第一代、第二代及第三代的发展历程,在混合动力上,普锐斯采用了最新的THS全混合动力系统、制动能量回收等新技术,使其具有较高的动力性、燃油经济性和排放清洁性。
本文通过分析丰田普锐斯混合动力总成的结构组成、工作原理、控制技术等新技术,全面了解其高性能之所在,最后用博士专用故障诊断仪对丰田普锐斯混合动力进行数据流的读取与分析,进而说明了丰田普锐斯在工作原理、结构组成、功能特性、操作要领方面的独特,以便开发出更适合城市发展,节约能源,降低功耗的混合动力汽车。
关键词:
混合动力汽车;
丰田普锐斯;
故障诊断仪;
数据流
ABSTRACT
Hybridvehiclesasanimportanttransitionalproductofpureelectricvehiclestoreplacetheinternalcombustionengine,notonlyinenergysavingandenvironmentalprotectionoftheobviousadvantages,butitspowerandmileagecanbecomparedfavorablywiththoseofconventionalvehicles,hasbecomethehotpointoftoday'
smajorautomobileresearchanddevelopmentcompany.Domesticandforeignautomobilemanufacturersgenerallybelievethatthehybridelectricvehicleisoneofthenewtraffictoolsatpresentmosthasthedevelopmentandapplicationprospects.ToyotaPriushybridvehiclesastheworld'
sfirstmassproduction,hasexperiencedthefirstgeneration,secondgenerationandthreegenerationofdevelopment.Asoneofthesourceenginebasedoninheritingthetraditionalenginestructureandcontroloftheadvanced,usinganewtypeofcombustionchamberstructure,highexpansionratioAtkinson,VVT-isystemandnewtechnologytoreducetheenginespeed,thepowerperformance,fuelhashigheconomicandemissionclean.
Inthispaper,throughtheanalysisofthenewPriusenginetechnology,acomprehensiveunderstandingofthehighperformanceofthedataflow,understandingToyotameaningperspectiveanalysis,mainlyfortheserieshybridelectricvehicleareanalyzed,thenshowsthattheToyotaPriusintheworkingprinciple,structure,function,operationessentialsoftheunique,sothatthedevelopmentofmoresuitableforcitydevelopment,saveenergy,reducethepowerconsumptionofthehybridcar.
Keywords:
Hybrid;
ToyotaPrius;
Faultdiagnosisinstrument;
Datastream
第三章丰田普锐斯混合动力汽车的概述12
附件:
毕业论文光盘资料
第一章绪论
1.1引言
能源和环境是当今世界可持续发展面临的两大根本问题。
随着经济的发展,汽车拥有量急剧升高,这两大问题日益突出,而在我国显得更加严重。
2012年中国轿车产销量以超过40%的增长而被称为“中国轿车元年”。
2012年我国汽车总产量达到1600万辆,2013年总产量达到2000万辆[2]。
汽车产销量的飞速增长,给我国石油能源带来巨大的压力,同时也给城市大气环境带来了严重的影响。
进入21世纪,随着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出越来越高的要求。
为了降低汽车的燃油消耗,减少有害的排放生成物,各国相继出台了更严格的排放法规,汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技术改造,例如代用燃料、添加剂、催化净化器、多气门结构、稀燃、分层燃烧、电控喷射等[1]。
这些技术的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。
但是传统的内燃机车由于其固有的燃烧和排放特性,对燃油消耗和排放的解决有一定的局限性。
同时复杂的技术改造直接的后果是使得传统汽车的造价不断上升,利润空间越来越小,长此以往,不利于汽车工业的发展,也不利于汽车的普及。
在此背景下,各种各样的新型动力汽车脱颖而出。
虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下,但是目前的技术问题阻碍了电动汽车的应用。
由于电池的能量密度与汽油相比要差上百倍,远远未达到人们所期望的数值。
专家估计在未来一段时间内,电动汽车还无法取代燃油发动机汽车,为此采取了一个两全其美的办法,开发了混合动力汽车HEV(HybridElectricVehicle)。
混合动力汽车是一种新出现的绿色环保汽车,它采用内燃机和电动机作为混合动力源,这种混合动力的汽车既有燃油发动机动力性好、续驶里程长的优点,又有电动机无污染和低噪声的好处,可达到发动机和电动机的最佳匹配。
对于传统内燃机动力汽车,制动能量全部由刹车片摩擦消耗掉;
而对于混合动力汽车,在刹车制动时,通过对电机、刹车系统及动力电池管理系统的协调控制,使电机工作在发电机状态而产生制动转矩,向动力电池高效率回收制动能量,可显著提高整车的能量利用率[3]。
1.2选题背景与意义
能源供给和环境保护现己成为人类社会可持续发展面临的两大难题。
尤其是进入21世纪以来,汽车依赖的主要燃料一-化石燃料的供需矛盾进一步加剧。
以我国为例,2012年我国石油消耗量达到4.93亿吨,同比增长9.3%,其中净进口石油1.627亿吨,同比增长37.9%,石油对外依赖度达到47%,并呈现逐年增长趋势。
同时,石油价格也呈现快速增长的现象,石油价格不断出现历史新高。
石油需求量和价格的不断增长,使人类面临的能源问题更加严峻。
而另一方面,汽车排放的污染物已成为影响城市空气质量的重要因素。
目前世界上空气污染最严重的20个城市里有10个在中国[1]。
据统计,汽车氮氧化物造成的污染占城市空气中氮氧化物污染的比例已上升到40.1%,一氧化碳的污染比重则高达94%。
随着社会环境、能源危机日益严重,混合动力汽车受到越来越广泛的关注。
汽车采用混合动力驱动己成为国际公认的解决环境、能源等可持续发展战略问题的有效途径。
世界各国都投入了巨额的人力、物力和财力开发混合动力汽车。
一般认为这类汽车的燃油经济性可提高15%-40%,废气排放可降低30%-50%,排放指标最好水平能达到目前排放标准指标值的10%。
总体而言,混合动力汽车较传统内燃机汽车有以下优势:
1、能量转换率高
2、良好的环境保护效果
3、噪声低
4、排放的废热少,可以减轻城市的“热岛效应”
5、可回收利用部分能量
6、改善能源结构、解决汽车的代替能源问题
1.3国内外对混合动力汽车的研究现状
1.3.1国外对混合动力汽车的研究
国外对于混合动力汽车的研究已有百年历史,世界上第一辆由汽油机和发电机组合的混合动力汽车于1902年由费迪南德保时捷研制成功。
但由于受其他技术(如电机、电池和控制等)发展的制约,加上环境和能源问题尚未出现,使混合动力汽车技术在其后几十年内未受重视。
直至近20年,随着能源和环境污染问题的日益严重,混合动力汽车的研究成为世界各大汽车工业的热点。
从目前世界范围内的整个形势来看,日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一,特别是在发展混合动力汽车方面,日本居世界领先地位。
目前,世界上能够批量产销混合动力汽车的企业,只有日本的丰田和本田两家汽车公司。
美国在2012年己有56.93万台混合动力汽车上路,根据收集到的数据显示,与普通的汽车相比,混合动力汽车燃油经济性提高了40%—60%,同时减少各类排放污染物50%-90%。
车辆保养成本、噪音及驾乘人员的舒适性也得到极大改善欧洲方面,法国、德国、英国、意大利、瑞士等国家均己跨入电动汽车产业化、商品化行列。
1.3.2我国对混合动力汽车的研究
我国在过去十多年中有计划地开展了混合动力汽车的关键技术攻关和整车研制。
国内已有几个单位尝试过混合动力汽车样车的研制,如广州市电车公司,华南理工大学与广东云山汽车厂。
但是他们所研制的混合动力汽车大部分都是串联式的,只是在原有汽车基础上简单地加载发动机和发电机机组,技术含量很低,同时也缺乏高度自动化的控制系统和能量管理系统,只是两种动力系统的简单捏合,这与真正意义上的混合动力汽车及国外的先进技术水平相比还有很大差距。
2002年初,科技部将混合动力汽车确定为“十五”国家“863”计划能源技术领域重大专项,要求在整车开发上必须体现官、产、学、研四位一体的合作方式,以汽车生产企业为背景,鼓励中小型企业共同参与、联合攻关。
目前包括东风、一汽、奇瑞、重庆长安、天津汽车研究中心、清华大学、上海交通大学、吉林大学和中科院电工所等在内的一大批企业和科研院所正在联合研制开发我国的混合动力汽车,并且取得了长足的进步。
1.4本文的结构
本文从了解丰田普锐斯的数据流的含义的角度进行分析,主要是针对丰田普锐斯汽车进行了实验分析。
全文共分为七章,各章的主要内容如下:
第一章扼要地介绍了混合动力汽车的概念、特点与相关研究背景;
第二章研究了混合动力汽车的结构组成与控制系统;
第三章对丰田普锐斯混合动力汽车进行了研究;
第四章了解了博士故障诊断仪;
第五章对丰田普锐斯动力总成数据流进行了读取与分析;
第六章总结了全文的研究工作,给出了存在的问题和进一步研究的方向。
第二章混合动力汽车结构组成与控制系统
2.1混合动力汽车的分类
混合动力汽车的分类方法有很多,典型的分类方法如下。
(1)按动力传动系统布置分类
目前世界各国研究开发的混合动力汽车有不同的结构形式,根据其动力传动系统的配置和组合方式不同,分为串联式、并联式和混联式三种组合方式,各自的结构形式和特点如下。
①串联式混合动力驱动系统(SHEV),其示意图如图2-1所示。
辅助动力单元(APU)由原动机和发电机组成。
原动机带动发电机发电,其电能通过控制器直接输送到电动机,由电动机产生驱动力矩驱动汽车。
电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输入功率的作用:
当发电机的输出功率大于电动机所需的功率时,控制器控制发电机向电池充电;
当发电机的输出功率低于电动机所需的功率时,电池则向电动机提供额外的电能。
串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响,始终在其最佳的工作区稳定运行,因此,可使汽车的油耗和排污降低。
串联式混合动力汽车特别适用于在市区内低速运行的工况。
串联式结构的不足是:
发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能,由于机电能量转换和电池充放点的效率较低,使得燃油能量的利用率比较低。
图2-1串联式混合动力驱动系统示意图
②并联式混合动力驱动系统(PHEV),其示意图如图2-2所示,汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。
当电动机只是作为辅助驱动系统时,功率可以比较小。
与串联式结构相比,发动机通过机械传动机构直接驱动汽车,其能量的利用率相对较高,这使得并联式燃油经济性比串联式的高。
并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。
由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响,因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大的路况。
相比串联式结构形式,需要变速装置和动力复合装置,传动机构较为复杂。
图2-2并联式混合动力驱动系统示意图
③混联式混合动力驱动系统(PSHEV),是串联式与并联式的综合,其示意图如图2-3所示。
发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。
发电机发出的电能输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。
混联式驱动系统的控制策略是:
在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;
当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。
图2-3混联式混合动力驱动系统示意图
混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统处于最优状态下工作,所以更容易实现排放和油耗的控制目标,因此是最具影响力的辅助动力单元。
与并联式相比,混联式的动力复合形式更复杂,因此对动力复合装置的要求更高。
目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本结构。
(2)按使用用途分类
①续驶里程延长型混合动力汽车在纯电动汽车基础上增加了常规的辅助能量单元(APU),以提供额外的牵引功率或在需要时给电池充电。
由于APU的油箱成了电池能量的补充,导致辅助动力单元续驶里程和驱动功率显著提高。
续驶里程延长型混合动力汽车一般由一个大容量的电池组和小型发电机组组成。
②动率辅助型混合动力汽车在常规内燃机驱动的汽车基础上增加了辅助电驱动和能量存储系统以优化能量的管理。
这种车上的主要能源来自于内燃机带动的发电机组。
故功率辅助型混合动力汽车一般由较大功率的发电机组和较小容量的电池组组成。
(3)按电动机与内燃机的搭配比例分类
按照使用的电动机峰值功率与发动机额定功率的比值将混合动力汽车分为:
微混混合动力电动汽车、轻混混合动力电动汽车、中混混合动力电动汽车、强混混合动力电动汽车,电动机峰值功率/发动机额定功率分别为:
<
=5%、5%~15%、15%~40%、>
40%。
①微混混合动力电动汽车有时也叫“启-停混合(Start-Stop)”,依靠电动机的功率比例很小,车辆的驱动功率主要由内燃机提供。
在微混合系统中,电动机仅作为内燃机的起动机/发电机使用,其工作模式是:
如遇到红灯或交通阻塞等情况车辆需短时停车怠速时,使内燃机熄火取消怠速,而当车辆再次行驶时,立即重新启动内燃机;
在制动时转变为发电机,实现制动能量回收。
微混合可实现5%~10%的节油效果。
②轻混混合动力电动汽车与微混合系统相比,驱动车辆的两种动力源中依靠电动机功率的比例增大,内燃机功率的比例相对减小。
在车辆加速、爬坡等工况下,电动机可向内燃机提供辅助的驱动力矩,但不能单独驱动车辆行驶,这种系统同样具有制动能量回收、发动机熄火/重启动等功能。
轻混合系统节油可达10%~15%;
③中混混合动力电动汽车与轻混合系统相比,驱动车辆的两种动力源中依靠电动机功率的比例进一步增大,内燃机功率的比例进一步减小。
与轻混合系统不同,中混合系统采用的是高压电动机。
另外,中混合系统还增加了一个功能:
在汽车处于加速或者大负荷工况时,电动机能够辅助驱动车轮,从而补充发动机本身动力输出的不足,从而更好地提高整车地性能。
④强混混合动力电动汽车与中混合系统相比,驱动车辆的两种动力源中依靠电动机功率的比例更大,内燃机功率的比例更小。
强混合车辆,电动机和内燃机都可以独立或一同驱动车辆,因此在低速、缓加速行驶、车辆起步行驶和倒车等情况下,车辆可以纯电动行驶;
急加速时电动机和内燃机一起驱动车辆,并有制动能量回收的能力。
试验工况下的节油达30%~50%,但实际节油效果随车辆结构设计、行驶工况、开车操作细节而变化。
混合动力汽车的分类方法也可以按照串并混合比的不同,混合动力传动系统的复杂程度等进行更细致的分类[2]。
2.2典型混合动力汽车的结构组成
混合动力汽车的主要组成包括发动机、电动机和电池。
(1)发动机
混合动力汽车可以广泛地采用四冲程内燃机(包括汽油机和柴油机)、二冲程内燃机(包括汽油机和柴油机)、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。
一般转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高,排放也比较洁净。
采用不同的发动机就可以组成不同的混合动力汽车。
(2)电动机
混合动力汽车可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。
随着混合动力汽车的发展,直流电动机已经很少采用,多数采用了感应电动机和永磁电动机,开动磁阻电动机应用也得到重视,还可以采用特种电动机为混合动力汽车的驱动电动机。
采用不同的电动机就可以组成不同的混合动力汽车。
(3)电池
混合动力汽车可以采用各种不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等作为“电池”,一般电池是作为混合动力汽车的辅助能源,只有在混合动力汽车用电动机起动发动机或电动机辅助驱动时才使用。
2.2.1串联式混合动力汽车
串联式混合动力系统结构是由发动机、发电机和驱动电动机三大部件总成组成,结构组成图见图2-1所示。
发动机仅仅用于发电,发电机发出的电能通过电动机控制器直接输送到电动机,由发动机产生的电磁力矩驱动汽车行走。
发电机发出的部分电能向电池充电,来延续混合动力汽车的行驶里程。
另外,电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车,使混合动力汽车在零污染状态下行驶。
2.2.2并联式混合动力汽车
并联式混合动力汽车有两套驱动系统,分别为内燃机和电动机驱动。
它们既可以独立工作,也可以协调工作,共同驱动,结构组成图见图2-2所示。
从结构上可以将并联式混合动力结构分为单轴式和双轴式两种形式。
2.2.2.1单轴式并联混合动力系统
单轴式并联混合动力系统结构如图2-4所示,发动机和电动机的输出轴采用了同一根传动轴,这有利于电动机和变速箱结构的一体化模块设计,便于批量生产中的模块化供货和整车装配。
单轴并联结构的合成方式为转矩合成。
这种结构将导致发动机和电动机两者每时每刻的转速值均为同一值,限制了电动机的工作区域。
2-4单轴式并联混合动力系统结构
2.2.2.2双轴式并联混合动力系统
双轴式并联混合动力系统结构如图2-5所示。
双轴式结构中可以有两套机械式变速器:
内燃机和电动机各自与一套变速机构相连,然后通过齿轮系进行复合。
在这种结构中,可以通过调节变得更灵活,当采用行星差动系统作为动力复合机构时,行星差动动力复合机构有两个自由度,可以实现两个输入部件的转速复合,
以确定输出轴的转速,而各个部件间的转矩保持一定的比例关系,这种功率复合形式称为速度复合。
双轴式并联混合动力系统结构复杂是一个很大的缺点。
图2-5双轴式并联混合动力系统结构
2.2.3混联式混合动力汽车
混联式混合动力系统是串联式与并联式的综合,其结构如图2-6所示。
发动机发出的功率一部分通过机械式传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。
发电机发出的电能输送给电动机或蓄电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。
当汽车高速稳定行驶时,驱动系统则以并联工作方式为主。
图2-6混联式混合动力系统结构
目前的混联式结构一般以行星齿轮机构作为动力分配装置。
有一种最佳的混联式结构式将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来,动力从发动机输出到与其相连的行星架,行星架将一部分转矩传送到发电机,另一部分传送到传动轴,同时发电机也可以驱动电动机来驱动传动轴。
这种机构有两个自由度,可以自由地控制两个不同的速度。
2.3混合动力汽车的控制系统
在混合动力汽车上普遍地采用以计算机为核心的现代计算机技术和自动控制技术,各种智能控制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术(fuzzy)、专家控制系统(expertsystem)、神经网络控制系统(neuralnetworks)等也逐渐应用到混合动力汽车上,使混合动力汽车更加安全、节能、环保和舒适。
(1)混合动力汽车控制系统的功能
①使混合动力汽车的动力性能能够达到或接近现代内燃机汽车的水平,逐步实现混合动力汽车的使用比。
②最大限度地发挥了电动及驱动的辅助作用,使混合动力汽车的燃油消耗量尽量降低,实现发动机的节能化。
目前混合动力汽车燃油消耗量已达到3L/100km左右的水平。
③在环保方面,达到“最低污染”的环保标准。
④在混合动力汽车上实现多能源动力控制,混合动力汽车关键的控制技术,是对内燃机驱动系统和对电动机驱动系统实现双重控制。
发动机与电动机的动力系统应进行最有效的组合和实现最佳匹配,发动机和驱动系统,电动机和驱动系统都能具有高效率,能够回收再生制动能量,延长混合动力汽车的行驶里程,改进混合动力汽车的节能性。
⑤在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法,适应驾驶员的操作习惯,使操作简单化和规范化。
在整车控制系统中,采用全自动、机电一体化控制系统,达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。
混合动力汽车一般是内燃机汽车的替代和延伸,继承和沿用了很大一部分内燃机汽车的传动系统,保留了人们已经习惯的内燃机汽车操纵装置,包括发动机控制装置加速踏板、制动踏板、离合器、自动离合器、变速器的操纵装置等。
由这些操纵装置发出控制信号,通过以计算机CPU为核心的中央控制器和各种控制模块,向内燃机的驱动系统或电动机驱动系统发出单独驱动指令或混合驱动指令,来获得不同的驱动模式,按照驾驶员的意图,实现混合动力汽车的启动、行驶、加速、爬坡、减速和制动时的驱动模式转换的控制。
(2)混合动力汽车控制系统的基本组成
混合动力汽车控制系统主要包括:
①控制系统,由操纵装置、中央控制器和各种控制模块共同组成。
②发动机和驱动系统,发动机和发动机驱动系统的控制系统。
③电动机和驱动系统,电动机
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