混合动力客车快速能耗测定方法及仪器的研究

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研究生学号
混合
Resea
： 10385分类
号：10002030
合动力客
arch on R
Method
作者
指导
学科
研究
所在
论文提
类号：
037 密 级：
硕士
客车快速能
Rapid En
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者姓名：
导教师：
科：
究方向：汽
在学院：
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能耗测定
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摘要
发展能够有效缓解能源和环境压力的节能与新能源汽车已成为当前世界汽车工业发展的重要方向。

混合动力客车作为我国当前新能源汽车的产业发展的第一个突破口，对于其能耗的测试方法和仪器的研究具有重要意义。

目前对于混合动力客车能耗的测试方法和仪器的研究仍不够完善，尚不能较好地提供一种快速而准确的测量方式和仪器，特别是：（1）各能耗参数测试模块的结合程度低，影响试验的效率；（2）目前常用的油耗传感器价格相对昂贵，使得油耗测量成本相对偏高，并且在测量时须对整车的油路进行改装，效率低；（3）道路试验结果的重复性差，其中一个主要的原因是对行驶工况无法做到准确的约束，无法控制行驶条件的一致性而导致的试验数据不可信。

本文重点针对上述问题进行了研究，主要完成了以下工作：
（1）广泛查阅各种文献，了解目前国内外混合动力客车能耗测试方法及仪器的发展现状，分析了目前常用的混合动力客车能耗测试方法及其不足之处。

（2）提出了一种新型的容积式油耗传感器的结构原理，并进行了传感器软硬件设计。

标定了所设计的油耗传感器的精度，结果显示最大绝对误差为0.3%。

该油耗传感器较其它类型的油耗传感器具有明显的经济性。

（3）设计了一种基于高压共轨系统轨压传感器信号和喷油信号的油耗测试系统。

通过搭建试验平台，测试了发动机在多种稳定运行工况下的油轨压力信号、喷油信号与喷油器喷油量的关系；提出了一种修正方法用于获得在发动机运行工况不稳定时这三者之间的关系；标定了设计的油耗测试系统的精度，结果显示最大绝对误差为4.67%；该方法具有较好的实时性、快速性、经济性以及较高的准确性。

（4）设计了一种具有行车工况引导功能的混合动力客车快速能耗测定系统。

该系统能够直观地显示出当前车速与道路试验所要求的行车工况的关系，指导驾驶员进行车速的控制。

同时该系统还是一种多通道的数据采集系统，可以采集并显示多路脉冲和模拟信号。

关键词：混合动力客车能耗容积式共轨油耗工况引导
I
Abstract
Developing energy-saving vehicles and new energy vehicles, both of which can effectively alleviate the pressure of energy shortage and environmental pollution, has become an important direction of the development of the world automobile industry. As the first breakthrough in the development of the country’s new energy automobile industry currently, there is of great significance in researching on the testing methods and instruments of the energy consumption for hybrid bus.
The present study on the testing methods and instruments for hybrid bus’ energy consumption is still not perfect. It still can’t provide a rapid and accurate measuring method and instrument, in particular: (1) the connection of the energy parameter measurement modules is still in low degree, which decreases the testing efficiency;(2) the current prices of the common used fuel consumption sensors are relative high, which makes fuel consumption measurement costs, and it needs to refit the oil-way of the vehicle, which decreases the testing efficiency; (3) the repeatability of the road testing result is unsatisfactory. One main reason is that the driving conditions cannot accomplish the speed constraints accurately, in other words, the driving conditions’ consistency can’t be ensured that causes the testing data not credible.
This paper mainly researched on the problems mentioned above. The work mainly completed as below:
(1) Widely consulted the related literature, learned the current development of domestic and foreign hybrid electric bus energy consumption testing method and instrument, and analyzed the current commonly used hybrid electric bus energy consumption test method and its shortcomings.
(2) Proposed a new fuel consumption sensor model based on volume method and designed the hardware and software of the sensor. Demarcated the sensor’s precision, and the result is that the maximum absolute error is
III
0.3%. The fuel consumption sensor has obvious economic benefits than other types of fuel consumption sensors.
(3) Designed a new fuel consumption testing system based on the value of
the rail pressure sensor signal and the injection signal of a high pressure common rail system. Built a testing platform and tested the relationship of the fuel rail pressure signal, the injection signal and the fuel injector fuel injection quantity when the engine was working at various stable operating conditions; Proposed a correction method to obtain the relationship of the three when the engine operating condition is not stable; Demarcated the designed fuel consumption testing system’s precision and the result shows that the maximum absolute error is 4.67%; The method has a good real-time performance, quick, economical and high accuracy.
Designed a quick hybrid electric bus energy consumption measurement system with the function of driving guide. The system can intuitively show the relationship between the current driving speed and road testing requirements, and in this way guidance the driver control the speed. At the same time, the system is a kind of multi-channel data acquisition system which can collect and display multiple pulse and analog signals.
Keywords: hybrid electric bus energy consumption volume method common-raildriving guide
IV
目录
第1章 引言 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2 混合动力客车快速能耗测定方法及仪器研究的意义 (2)
1.3 混合动力客车能耗测定方法及仪器的研究现状 (2)
1.3.1 混合动力客车油耗测量方法概述 (2)
1.3.2 混合动力客车车速的测量方法概述 (5)
1.3.3 混合动力客车电池荷电状态SOC的测定方法概述 (5)
1.3.4 混合动力客车能耗测试中存在的问题 (6)
1.4 本文研究的内容 (7)
第2章 新型容积式油耗传感器设计 (9)
2.1 容积式油耗测量方法 (9)
2.2 新型容积式油耗传感器设计 (11)
2.2.1 设计的总体思路 (11)
2.2.2 新型容积式油耗传感器装置设计 (12)
2.2.3 油耗传感器功能设计 (13)
2.2.4 油耗传感器硬件电路设计 (13)
2.2.5 软件设计 (16)
2.2.6 油耗传感器的当量脉冲标定与精度试验 (19)
2.3 本油耗传感器在使用时的注意事项 (22)
2.4 本油耗传感器的局限性分析 (22)
2.5 本章小结 (23)
第3章 基于混合动力客车高压共轨系统电信号的油耗测试方法的研究 (25)
3.1 基于混合动力客车高压共轨系统电信号的油耗测试方法 (25)
3.2 柴油机高压共轨系统概述 (26)
3.2.1 柴油机高压共轨系统特性 (26)
3.2.2 柴油机第二代高压共轨系统的组成及其工作原 (27)
3.3 基于第二代高压共轨系统电信号的油耗测试方法的研究 (31)
V
3.3.1台架试验平台的构建 (33)
3.3.2高压共轨发动机系统喷油规律的测试试验 (38)
3.4 基于油轨压力传感器信号及喷油器喷油脉宽信号的油耗测量装置设计 46
3.4.1 硬件设计 (46)
3.4.2 软件设计 (47)
3.5 对比试验 (48)
3.6 本章小结 (49)
第4章 具有工况引导功能的混合动力客车快速能耗测定系统设计 (51)
4.1 能耗测定系统功能设计 (51)
4.2 能耗测定系统的硬件构成 (51)
4.2.1 框图及其工作原理 (52)
4.2.2 主机的选取 (52)
4.2.3 工况引导显示屏的选取 (52)
4.2.4 车速传感器的选取 (53)
4.2.5 触摸显示屏的选取 (54)
4.2.6 电源电路 (55)
4.2.7 脉冲信号采集电路设计 (56)
4.2.8 模拟信号采集电路设计 (56)
4.3 能耗测定系统的软件设计 (56)
4.3.1 脉冲信号采集方案 (56)
4.3.2 模拟信号采集方案 (56)
4.3.3 工况引导功能程序设计 (57)
4.4 本章小结 (59)
第5章 总结与展望 (61)
5.1 总结 (61)
5.2 下一步工作展望 (62)
参考文献 (63)
致谢 (67)
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 (69)
VI
第1章 引言
1.1研究背景
汽车产业是国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用[1]。

随着全球工业化进程的不断深入，汽车工业迅猛发展，给社会带来了方便快捷，但也随之带来了严重的环境污染和石油资源的快速消耗。

为应对日益突出的燃油供求矛盾和环境污染问题，世界主要汽车生产国纷纷加快部署，将发展新能源汽车作为国家战略，加快推进技术研发和产业化，同时大力发展和推广应用汽车节能技术[1]。

节能与新能源汽车已成为国际汽车产业的发展方向，未来10年将迎来全球汽车产业转型升级的重要战略机遇期[1]。

随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，今后较长一段时期汽车需求量仍将保持增长势头，由此带来的能源紧张和环境污染问题将更加突出。

我国目前十分重视节能与新能源汽车的研发及产业化，先后启动了863计划“电动汽车”重大科技专项、“节能与新能源汽车”重大项目等，建立起了以混合动力、纯电动、燃料电池汽车为“三纵”，以动力总成控制、驱动电机、动力电池等关键零部件为“三横”的“三纵三横”战略研发布局，形成了整车零部件企业协同研发，标准检测平台和应用示范为支撑载体的研发创新体系[2]。

2012年6月，国务院常务会议讨论并通过了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》，规划给出了“以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平，提升我国汽车产业整体技术水平[1]”的节能与新能源汽车产业发展的技术路线，不仅明确了未来我国汽车工业转型方向，而且还明确了节能与新能源汽车产业的战略布局和政策支持。

混合动力汽车是指同时配备电力驱动系统和辅助动力驱动单元的电动汽车，其中辅助动力驱动单元是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组[2]。

混合动力汽车是传统内燃机汽车与电动汽车相结合的产物，通过在混合动力汽车上使用电动机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而到达降低油耗与排放的目的。

1
而作为人口大国，我国政府鼓励优先发展公共交通车辆，以提高运输效率和解决交通拥挤问题，混合动力汽车的节能、环保优势在城市里表现最突出，因此，发展混合动力电动客车成为新能源汽车的第一个突破口[3]。

目前，对于混合动力客车技术的研究主要包括：整车开发及整车匹配标定技术；内燃机、传动装置及其控制系统技术；电池系统、电机驱动系统的研究和整车的多动力源总成控制系统等各种电动汽车都具有的共性技术[4]。

1.2混合动力客车快速能耗测定方法及仪器研究的意义
在进行混合动力客车的研究和研发时，为了对车辆的新结构、新部件、新材料、新工艺等进行广泛深入的研究，往往需要进行一系列的研究性试验，特别是在确定了整车结构方案之后，为了对控制系统进行进一步的优化，常常需要进行大量的道路试验。

在混合动力客车的道路试验的过程中，常常需要实时采集燃油消耗量，车速，超级电容电压，动力电池电压，驱动电流，制动回收电流等能耗参数的变化。

测试的参数多，部分能耗测试仪器的使用方法繁琐，测试的工作量大，并且各参数的测试仪器之间又具有相互独立性，给数据的实时统计造成一定的干扰。

因此研究和开发一种能够快速测定混合动力客车能耗的方法及仪器具有重要意义。

1.3混合动力客车能耗测定方法及仪器的研究现状
混合动力客车能耗的测定常常涉及到车速、油耗、超级电容电量、电池电量等参数的测定。

对于混合动力客车能耗测试系统的研究可以分为两个方面：（1）基本物理量的采集方法的研究，即对各种能耗参数测定方法的研究，即是对一次仪表的研究；（2）二次仪表的设计。

1.3.1混合动力客车油耗测量方法概述
目前国内外关于汽车燃油消耗量的测定方法主要有重量式、容积式、质量式、碳平衡法等方法。

前三种方法可以通过人工操作的方式测量，也可以采用相应的传感器，以构成相应形式的油耗仪测量，而碳平衡法是通过对排放的废气中的CO、CO2、和HC的体积进行测量，间接计算出燃油消耗量。

2
出传它的油所现油时间连续质量泛用感器置等1、油①重量式重量式油传感器内的②容积式容积式油的实现方式所需的时间油耗的测量间，所以它续油耗的测③质量式容积式油量法测定燃用于油耗的质量式油器的实现方如图1.1所等组成。

油杯 2、出油式油耗测量方油耗传感器上的燃油液位。

式油耗测量方油耗测量方法式有定容式和间测量油耗，量。

定容式方它也不能用于测量，是目前式油耗测量方油耗测量法有燃料消耗量，的精密测量中油耗测量方法方式有称量法所示是一种油管 3、电磁
光源方法
上通常装有。

方法
法即采用直和容量式两，容量式是方法，多用于瞬态油耗前最为常用方法[5]
有时会因燃，则不受燃中。

法是通过测法式和cori 种质量式油耗阀 4、加油管源 11、鼓轮图
1.3
有精密的差压直接测量燃两种，定容是指通过测用于发动机耗的测量。

用的容积式油燃料和环境温燃料密度等测定消耗燃olis 流量传耗仪简图。

管 5、10-光电机构 12、鼓.1
质量式耗压变换器或油消耗体积式是指通过定固定的时的台架试验容量式法可油耗测量方温度的变化条件的影响油的质量计传感器两种。

它由称重装电二极管 6、鼓轮 13、计数
耗油仪
或称差压传积的方法计过测定消耗时间所消耗验上，由于可用于瞬态方法。

化而引起测响，方法也计算油耗。

装置、控制
、7-限位开关数器
传感器，用来计算燃油消耗耗固定体积的耗的燃油体积于是定容积测态油耗的测量测量误差，而也比较简单，质量式油耗制装置和记录关 8、限位器 来测耗量。

的燃积实测量量、而按，广耗传录装9、
动机两个的，齿轮
的转杯关闭
轻而电二到二半导用。

奥利动同同时（c 由此燃油从储机。

电磁阀个光电二极可用于控制轮轴与鼓轮转动，可以1充油，称闭电磁阀3而使称量秤二级管5上二级管10上导体计数计
coriolis 质利（coriolis 同时发生时如图 1.2 时给管子以coriolis ）现象此扭转量可利用该原储油箱经电磁阀3的开闭由极管5和10制记录装置轮12相连，以显示在分度称量秤左端下而停止充油秤左端上升，上时发出信上，它便发计组成，一个质量式油耗s ）原理制成时产生的[6]。

图1.2所示，从以固有的振象，发生克可计算出质量原理制成的流磁阀3和管由两个微型以及装在指置。

二极管鼓轮带有以度盘上。

这下沉。

当平油。

当油杯通过杠杆信号，记录仪发出信号使记个用于计算耗传感器的结成的流量传
2coriolis 质油耗传感器振动，使管克里奥利现象量流量。

流量传感器4
管4注入油杯型限位开关指针上的光10装在活动以g 为单位这种油耗仪平衡块8到达杯1中的燃杆机构推动指仪开始工作记录仪停止算发动机曲结构原理图传感器。

克里质量式油耗传器入口进入管子发生一象的管子，器可以高精度杯1中，通6和7来控光源9来控制动滑块上，位的分度盘。

自动测量燃达微型开关燃油流向被测指针摆动，作。

当油杯中止工作。

记录轴的转速，如图1.2所里奥利原理传感器的结构入的流体，通定角速度将发生与质度地连续测通过油管2控制。

需要制。

光电二滑块通过齿燃油消耗量燃料消耗量关7的位置测发动机时当光源9中的燃油耗录仪由两个另一个计所示，它是理是在质量构原理
通过管子从的运动，产质量流量成测出质量流量供给被测的要测量的油量二级管5是固齿轮齿条移量通过鼓轮量时，首先给置时，开关时，由于质量的光速射到耗尽，光速便个带数字显示计算器起秒表是一种使用克量移动和旋转
从出口流出来产生克里奥成比例的扭转量。

在作工的发量由固定移动，轮12给油7将量减到光便射示的表作克里转转来。

奥利转，工况
法试验时，需要测量燃料消耗量或加减速时的油耗性能，用此流量传感器最合适。

④碳平衡法油耗测量方法
碳平衡法测量油耗也称排气法测量油耗。

根据质量守恒定律，燃油经过发动机燃烧后，排气中碳质量的总和与燃烧前燃油中碳质量的总和相等。

碳原子在汽油车排气中主要以CO2、CO、和碳氢化合物（以CH x表示）的形式存在。

因此碳平衡法是通过排气分析仪对汽车排气污染物中的CO、CO2、和HC体积排放测量的分析，得到排气中单位里程内C元素的含量，再与所用汽油中C元素的含量相比而间接得出燃油消耗量的方法[7]。

碳平衡法可用于路试油耗的测量，而不需要在汽油油路中串接油耗计，也是目前国际上通行的室内汽车工况法油耗试验方法。

1.3.2混合动力客车车速的测量方法概述
目前，用与混合动力客车车速测量的仪器主要有第五轮仪、光电非接触式车速仪等车速仪。

（1）第五轮仪
第五车轮是附加安装在汽车尾部或侧面的随车运动的从动轮组件，采用第五车轮测量车速的传感器称为第五轮仪。

第五轮是从动轮，在行驶中须保证无滑转。

按第五车轮产生可用输出信号的转换元件的不同可分为：机械式和电子式两类型。

第五轮仪因其结构上的原因而不适宜180km/h以上的高速测试的限制[5]。

（2）光电非接触式车速仪
光电非接触式车速仪传感器它不需要体积庞大的专用安装架，只需用真空吸盘固定在被测试车的车身侧面或后部，装卸操作简便。

光电式非接触速度传感器是目前国内应用最广的车速传感器[5]。

1.3.3混合动力客车电池荷电状态SOC的测定方法概述
蓄电池的荷电状态SOC用来表示蓄电池剩余的能量。

SOC是反映蓄电池状态的重要参数。

由于SOC受充放电倍率、温度、自放电及极板活性物质老化等因素的影响，且与某些参数之间呈非线性关系，很难通过对单个或几个参数的测量而获得准确的SOC值。

目前SOC的检测方法很多，较为适用于混合动力客
5
车的SOC检测方法有电池开路电压法、电池开路电压法结合安时计量法的方法、神经网络法及尔曼滤波法等方法。

电池开路电压法是通过测得开路电池的电压估计电池的剩余电量[2]。

由于电池SOC与电池的开路电压存在一定的对应关系，其关系一般为正相关，因此可以通过检测电池的开路电压来测得电池的剩余电量。

该方法容易受到电池内部温度、电池的充放电状态、静置时间长短等的影响，因此常用与驻车时SOC的估计。

通常它与安时法结合用于测量电动汽车蓄电池的SOC量。

安时计量法通过对电池的电流进行采样并积分算得电池的充耗电量。

安培计量法比较简单，但实际中存在的主要问题是：1）在蓄电池工作的过程中，如果电流测量不准确，将会造成充放电电量计量误差，并导致SOC计算误差，且经过长时间的累积，误差会越来越大。

2）安时计量法必须考虑蓄电池的充电和放电的效率，而充放电效率与充放电电流的大小及蓄电池的技术状况有关。

安时计量法本身不能给出SOC初始的值，因此常与电池开路电压法相结合用于电动汽车蓄电池SOC的测量[2]。

蓄电池是一个高度非线性系统，一般很难准确地建立起其充电和放电过程地数学模型。

神经网络具有非线性的基本特性，并且有并行结构和学习能力，对于外部激励能给出相应的输出，因而可模拟蓄电池的动态特性来估计SOC[2]。

1.3.4混合动力客车能耗测试中存在的问题
目前对于混合动力客车能耗测试方法及仪器的研究仍不够完善，尚不能较好地提供一种快速而准确的测量方式和仪器，归纳总结如下：
（1）混合动力客车的能耗测试仪器具有相对独立性，各种二次仪表只是承担着各自的测量任务。

仪表结合程度低，在进行混合动力客车道路试验时，需要对各个仪表的所给出的参数进行统计整合，影响到混合动力客车道路试验的效率。

（2）目前常用的油耗传感器价格相对昂贵，并且仪器在使用的过程中存在着一定的损耗，使得油耗测量成本相对偏高，同时，在油耗测量的过程中还需要对整车的油路进行改装，效率低；
（3）在进行道路循环试验的过程中，试验人员不仅需要实时测定系统的各项运行性能及能耗参数，同时还需要严格地按给定的车速-时间曲线要求进行行驶。

目前，对于汽车道路循环试验，常用的方法是由其他试验人员观察记录当
6
前车况并以口令的方式指挥驾驶员进行车速控制。

这种方法对驾驶员操作的要求以及对试验人员相互配合的要求都较高，而难以做到对行驶工况的准确约束，常常会给整车的优化带来一定程度的干扰，另外，因为这种方法无法控制行驶条件的一致性，也会导致一些试验数据的不可信。

因此，本文将重点对以上问题进行研究。

对于测试仪表结合程度低的问题，考虑采用一个统一的二次仪表集中采集各传感器的输出信号；对于油耗测试的问题，考虑设计一种可以满足混合动力客车油耗试验要求的、具有较高精度的并且具有较好的经济性和快速性的油耗传感器；对于道路循环试验结果差的问题，考虑设计一种图形式行车工况引导系统，用于引导驾驶员对车速的掌控。

1.4本文研究的内容
本文对于混合动力客车快速能耗测试系统的研究，在一次仪表方面主要是针对混合动力客车油耗测试方法的研究，试图寻找和设计一种能够实现油耗准确、经济、快速测量的方法和仪器；在二次仪表方面旨在设计出一种能够实现采集多路传感器的输出信号，并且具有图形式工况引导功能的测试仪器。

（1）对于油耗测试方法的研究内容如下：
①研究设计一种基于容积法原理的新型油耗传感器；
②研究一种基于高压共轨柴油机燃油系统电信号的油耗测量方法；
（2）对于图形式工况引导系统的研究内容如下：
①设计一种图形式工况引导系统，它能直观地显示出当前汽车行驶工况与所要求的工况的关系，驾驶员只需根据视频显示进行行驶，就可保证较高的工况符合度；
②设计一种多通道的数据采集系统，可以实现多种一次能耗仪表输出的脉冲和模拟信号的采集与显示。

7。