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BSG系统建模和仿真技术研究

方力  
【摘要】:随着汽车保有量的增加,在大中型城市中因为交通拥挤而堵车非常普遍,加上道口红灯,导致汽车发动机长时间怠速空转,不但增大了燃油燃油消耗,也增大对环境的危害。为此,不少汽车配置了发动机启停系统,当汽车怠速超过一定时间时让发动机熄火,怠速结束时借助电机迅速启动。BSG(Belt Driven Starter Generator)技术就是一种受到广泛关注的启停技术。BSG电机是一种发电起动两用电机,布置在发动机的前端附件带传动系统中,替代传统系统中的发电机。BSG电机通过皮带带动发动机运转,达到预定转速时发动机点火而实现发动机迅速启动。在发动机正常运转时,BSG电机作为发电机,给蓄电池充电。与传统汽车前端附件带传动系统相比,BSG系统增加了电机驱动这种工况,系统动力学特性有较大的不同。因此系统、深入地研究BSG系统的启动过程具有重要的理论意义和工程应用价值。利用ADAMS软件对皮带进行了多柔体的建模,并且考虑了皮带和带轮之间的接触作用。提出了一个基于目标优化的方法对带传动系统的初始状态进行调整,使皮带的张力和张紧臂初始角度与期望值一致。通过将皮带与带轮之间的库伦摩擦力模型替换为Dahl摩擦力模型,解决了利用ADAMS计算带传动系统的固有特性时的零频问题,并应用算例验证了该方法的准确性。为了研究发动机的动力特性对BSG系统的影响,建立了发动机动力模型。模型主要包括曲轴—连杆—活塞模型、气缸气体力模型、发动机的摩擦力模型。基于刚体动力学建立的曲轴—连杆—活塞模型,用于模拟发动机的惯性力。基于简化的发动机的热力循环过程建立的气缸气体力模型,计算活塞在运动过程中受到的气体压力。基于Rezeka-Henein模型,建立了发动机曲轴所受到的摩擦力随曲轴转角变化的模型。摩擦力包括活塞环和缸套,气缸裙部与缸套之间的摩擦力。应用所建立的系统模型对降低BSG电机启动力矩的方法进行了研究。通过分析发动机的启动阻力矩与曲轴角度的关系,提出了控制曲轴停机位置的方法。实现了一种曲轴位置估计算算法,解决了发动机在停止过程中曲轴位置测量问题。计算了从BSG电机启动到发动机点火启动这个过程的动态响应,验证了采用较低的BSG转矩也能够实现发动机的快速启动。


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