上汽科技基金会产学研课题标书-final

-1-上海汽车工业科技发展基金会产学研课题标书（项目可行性方案）项目名称：针对柴油出租车的超级电容节能系统承担单位：同济大学负责人：杜爱民地址：上海市嘉定区曹安公路4800号同济大学汽车学院B311邮政编码：201804联系电话：[phone]手机号码：Email：[e-mail]2015年9月27日-2-一、目的和意义（主要描述该技术领域国内外现状、水平和发展趋势，以及开展该课题研究的目的和意义）1.1背景目前，全球汽车工业正面临着能源与环境问题的巨大挑战。发展新能源汽车，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上早已形成广泛共识。在太阳能汽车、燃料电池汽车真正进入实用阶段之前，与传统汽车相比，混合动力汽车(HybridElectricVehicle，HEV)采用发动机和电机协同的工作模式，减少了燃油消耗和污染物排放，各方面性能也很好，且与纯电动汽车相比不受续驶里程的局限，因此成为目前汽车研究与开发的一个重点。混合动力汽车是指驱动系统由两个或多个能同时独立运转的能量源组成，其行驶功率依据车辆的运行状态由单个或多个能量源提供的车辆。单轴ISG动力汽车采用ISG电机(IntegratedStartedGenerator，启动机/发电机一体化)技术，是并联式混合动力汽车的一种特殊的形式。ISG电机既可作为电动机，在驱动时提供辅助转矩，又可作为发电机，对制动能量进行回收。ISG混合动力汽车只需对内燃机进行简单改造，比较容易在现有传统内燃机汽车上实现，改造成本低，尤其适合在轿车上实现，是目前制造成本较低、较容易实现批量生产的混合动力车型。1.2ISG混合动力汽车特点、工作模式1.2.1ISG电机功能ISG电机可以实现怠速自动起停、驱动助力、高效大功率发电、再生制动能量回收以及其它辅助功能。(a)怠速自动起停传统的车用启动机只将发动机加速至起动转速(汽油机150-200rpm；柴油机200-300rpm)，而ISG作为电动机在短时间内(通常加速时间仅为0.1～0.3s)将发动机加速至怠速转速(一般800rpm左右)以上，然后发动机才开始缸内的燃烧过程，而且在发动机怠速不对外做功时，立即自动关闭发动机，而当检测到车辆需要起步时，ISG电机自动重启发动机，取消发动机的怠速状态。高转速起动和怠速自动起停不仅能够降低发动机的燃油消耗，而且能够改善排放性能。(b)驱动助力低速大负荷时发动机的燃油经济性和排放性能均较差，而且在此工况下发动机的输出转矩也有限，如果整车在低速时需要较大的驱动转矩，则需要装配大排量的发动机来满足整车动力性要求，这样就带来了油耗和排放控制问题。采用ISG电机辅助驱动，通过“削峰填谷”可以在满足整车动力性需求的同时，改善整车的燃油-3-经济性和排放性能。(c)高效大功率发电通常普通车用发电机由发动机曲轴通过皮带驱动，输出功率仅为1.5～2.5kW，最大效率为70%，而高速时仅为30%，无法满足改装后的ISG混合电动汽车大容量蓄电池的充电需求。而ISG用作发电机时可以提供6～10kW的发电功率，全转速范围内的效率可达80%以上。(d)再生制动能量回收ISG电机在汽车减速或制动时提供制动力矩，工作在发电模式，将部分车辆动能转换成电能，储存在车载动力电池中，提高整车的燃油经济性。(e)其它辅助功能在单轴ISG混合动力汽车中，ISG电机可取代飞轮起到减震器的作用。1.2.2ISG混合动力汽车特点及主要工作模式ISG混合动力系统具有以下特点：(a)应用成本低，对发动机原有结构改动小，易实现产业化；(b)降低燃油消耗和有害物排放；(c)由于ISG电机功率足够大，在36V或更高电压的电池组驱动下，ISG电机只需要几百毫秒就可以让处于停止状态的发动机转速达到1000rpm以上，且ISG系统带动发动机重新点火的成功率非常高，在车辆起步时，驾乘人员通常不会感受到任何延迟。ISG混合动力汽车基本工作模式主要有以下几种：(a)启动模式。发动机启动的方式有两种：一种是钥匙开关启动（钥匙启动）；一种是热怠速停车后的重启动（怠速启动）。钥匙启动时，整车控制器根据钥匙开关信号判断是否启动，并根据电池SOC以及是否存在特殊情况判断采用ISG电机或小启动机启动；怠速启动：根据热怠速重启的条件判断是否启动，启动方式为ISG电机启动。(b)怠速模式。怠速有以下三种模式：冷怠速：发动机温度较低时，发动机ECU控制怠速控制装置，发动机的运转速度较高，实现发动机的暖机。自动停机怠速：指发动机在合适的温度范围内，无负荷情况下运转，具备所规定的条件时，短暂的停止发动机对外做功。高怠速：发动机在有负载情况下（如：开空调、ISG电机发电等），提高发动机负荷的怠速。(c)加速/助力模式，ISG电机提供辅助驱动转矩，减少发动机的负载。(d)巡航行驶模式，当SOC≥定值，非全油门行驶时，发动机驱动车辆，电机既不充电也不放电。当SOC定值，非全油门行驶时，控制电机发电，电流的大小与电量成比例。全油门行驶时，电机辅助驱动。(e)减速/制动模式，松油门不踩制动时，发动机断油，由电机发电给电池充电，车辆减速滑行，进行制动能量回收。制动时，若为慢踩制动踏板，只有电机制动，-4-若是快踩制动踏板，电机与摩擦制动系统共同制动，且电流与制动踏板成比例。(f)行驶停车，是指车速降为零，各系统控制器仍处于工作状态。(g)停车状态，是指所有控制器停止工作状态，不响应任何动作命令。1.3ISG混合动力汽车国内外开发动态1.3.1国外开发动态自1999年开始，本田在日本推出装配ISG系统的混合动力轿车Insight，其动力系统为空燃比为26：1的1.0L稀薄燃烧内燃机和额定功率为10kW的ISG电机。2004年，装配V6发动机和ISG电机系统的Accord混动版开始在北美销售。2000年2月，戴克公司推出了装配ISG电机系统的轻度混合型概念车DodgeESX3。ISG系统实现了怠速停机和回收制动能量，降低了燃料消耗和排放。由法雷奥(Valeo)公司、英国交通部、福特汽车，里卡多(Ricardo)公司和盖茨(Gates)公司共同合作研发的HyTrans是欧洲第一辆采用B-ISG的柴油轻度混合动力城市运货车，在挨家挨户(Door-to-Door)的城市送货模式中，燃油经济性提高了21.3%。通用汽车公司的BAS(BeltAlternatorStarter)系统包括：启动/发电机单元、新的发动机附件（两个张紧轮和皮带，用以承受发电机和启动机的转矩），一个发动机控制模块、能够释放或接受大于10Kw峰值功率的42V镍氢（NiMH）蓄电池等，已应用Saturn（土星）和雪弗兰Malibu等车型上。宝马1201高效动力版，通过搭载博世专为宝马开发的起停系统，具备优异的B-ISG功能。该系统可以通过记忆发动机停止时曲轴的运动位置，缩短发动机再次起动所需要的时间，尽量避免驾乘人员感受到点火延迟。配备1.6L柴油机的沃尔沃C30DRIVe通过装配起停系统，百公里油耗仅为3.8L，二氧化碳排放量仅为99g/km。当发动机处于停止状态时，该系统自动将车载空调转换到节能状态。该系统已应用于沃尔沃全系车型。马自达公司自主开发的3i-stop智能起停系统可以实现瞬间点火，其重起发动机所需时间大约仅为一般起停系统的一半。1.3.2国内开发动态与世界其它工业强国一样，我国混合动力汽车的研发工作也正如火如茶地进行着，且取得了很多可喜的成绩。我国主要汽车生产企业开发的ISG型混合动力汽车概括如下：2008年7月，奇瑞向北京奥运会提供的50辆A5混合动力汽车中，40台采用B-ISG弱混合动力，10台采用ISG中度混合动力，其节油效率分别达到15%左右和30%左右。2009年1月10日，奇瑞A5B-ISG混合动力车上市，售价仅7.48万，其动力系统由“1.6L内燃机+5速手动变速器+2kW电机+12V铅酸电池”组成，-5-城郊综合工况下油耗为6.3L/100km，达到欧IV排放标准。奇瑞ISG动力系统由“1.3L内燃机+5速手动变速器+10kW电机+144V镍氢电池”组成，电机采用永磁同步电机及电机控制系统、逆变器以及DC/DC转换器，在城郊综合工况下油耗4.95L/100Km，达到欧V排放标准。长安汽车联合多家高校与科研单位共同承担的“ISG混合动力长安轿车整车项目”，其油耗降低了30%，排放达到欧III标准，整车成本的增加有效地控制在30%以内，加速性能与同档次的汽车相当，续驶里程大于500km，已通过国家级验收。2010年第十一届北京国际车展上，江苏超力集团旗下的锐丰科技有限公司展出的一款具有自主知识产权的起动-停止-助力电机备受业界瞩目。这次国际车展上，长安CX30，东风风神S30等配装B-ISG系统的车型也相继亮相。东风风神S30B-ISG混合动力车已实现量产，2010年5月首批一百辆该型车已交付给武汉市政府投入使用。二、研究内容和技术方案（主要描述需高校及科研院所承担的工作，简要描述需企业配合的工作）2.1研究目标围绕整车产品产业化目标，掌握新型混合动力汽车关键技术，开发具有特色的混合动力汽车动力系统和整车，满足课题提出的指标要求。1.基于柴油发动机起停系统，设计并优化的超级电容+双向DC/DC+普通铅酸蓄电池的能量回收系统。该系统需符合出租车高使用低成本的要求；在不包括起停的基础上，所设计的系统要求NEDC工况约节油1.5%，上海出租车工况约节油2.5%。2.针对上海出租车工况和柴油出租车制动能量较大，进行该系统控制策略优化，通过台架试验和装车实车测试，节油率符合设计目标，并且起步加速性能能提高2%以上，符合出租车动力性要求。3.针对低温条件下，柴油发动机起动性能明显下降的问题，通过超级电容节能系统优化设计，低温-10℃~0℃，要求一次起动成功，起动时间≤2s，解决长时间低温工作造成电池寿命明显衰减及安全隐患等问题。2.2研究内容1．基于超级电容的低成本、高性能的混合动力系统设计对电机、蓄电池、电容等部件进行选型和定型，采用先进的CAE技术，系统仿真技术，基于试验数据分析技术、功能概念设计，对混合动力轿车的动力性、经济性、排放性进行预测，验证方案设计的可行性。采用性价比优良的超级电容储能装置，开发低成本、高可靠性的混合动力系统。经过大量的方案选型和设计，采用并联单轴混合动力方案，集成发动机、ISG电机和双离合器等部件，选用超级电容。下图为混合动力轿车方案图。-6-2．混合动力轿车的机械系统和电气系统集成混合动力轿车的机械系统集成包括对发动机的改进，将传统的机械式节气门改成电子节气门，曲轴端飞轮替换成ISG电机；ISG电机与双离合器的集成装配；双驱动空调的结构设计；制动真空助力装置设计；各种电子踏板设计与装配；机舱空间总体布置的设计等。3.基于超级电容的快速制动能量回收系统设计与开发超级电容作为储能装置优点是：节省超级电容均衡控制系统、高压接触器件，用MOSFET取代IGBT模块，无需高压电安全系统；为全系统42V化打下基础，绿色能源，不会产生污染,循环使用寿命长，可达20万次以上，在全寿命周期不需更换，大幅降低使用成本；充电速度快，充放电效率高；工作温度区域宽，容量变化小;相对成本低。因此储能装置选用超级电容方式，该方案在降低成本、提高节能比例等方面将闯出一条新路。利用超级电容能快速充放电、比功率大、效率高的优点，建立制动能量回收系统，优化控制策略，尽可能回收制动能量。4.基于混合动力工况的发动机管理系统的控制策略修改与优化混合动力车节约的能耗中发动机优化占有相当大的比例，优化的每一步骤均离不开发动机电控单元的配合。为此需要开发出混合动力专用的发动机电控单元，设计一套完善的发动机控制策略，满足混合动力整车性能指标。本课题重点解决在混合动力中发动机的不同工况(起动、怠速、加减速、换档过程、部分负荷)下的控制策略优化问题，提高燃油的经济性，降低污染物排放。2.3技术路线-7-整体方案确定电机、蓄电池、电容选型、定型仿真分析混合动力发动机机械系统和电气系统集成台架试验控制策略优化仿真分析可行性