硬件在環(huán)試驗(yàn)報(bào)告

1、.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)及動(dòng)力傳遞路線；.掌握豐田Prius電子無級(jí)變速器（ECVT）工作原理；熟悉Matlab/simulink的建模仿真過程。.實(shí)驗(yàn)原理硬件在環(huán)仿真（hardware-in-the-Loop,HIL ）是指用數(shù)字仿真機(jī)模擬被控對(duì) 象，通過接口與真實(shí)的控制器相連，以此模擬受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)控制器進(jìn) 行測(cè)試和功能驗(yàn)證。由于試驗(yàn)成本相對(duì)較低，HIL在汽車、飛機(jī)、電力系統(tǒng)等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。本次實(shí)驗(yàn)主要以豐田混合動(dòng)力汽車第二代Prius的電動(dòng)力系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)其工作過程進(jìn)行分析與仿真，Prius的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1第二代Prius傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.發(fā)動(dòng)

2、機(jī)；2.扭轉(zhuǎn)減震器；3.MG1; 4.動(dòng)力分配裝置；5.MG2; 6.傳動(dòng)鏈；7.中間齒輪； 8.主減速器齒輪；9.驅(qū)動(dòng)橋THS-II （第二代豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)）使用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)（ MG2提供的兩 種動(dòng)力，并使用MG作為發(fā)電機(jī)，通過動(dòng)力分配裝置把發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力進(jìn)行解耦并 通過齒圈把發(fā)動(dòng)機(jī)和MG2勺動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)車輛。根據(jù)不同的車輛行駛狀況優(yōu)化組 合這兩種動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作在最優(yōu)工作區(qū)間， 在保證動(dòng)力性能的同時(shí)達(dá)到 省油的目的。THS的核心就在于它的電機(jī)和動(dòng)力分配裝置組成的電子無級(jí)變速器（ECVT ,這套ECVTS統(tǒng)與傳統(tǒng)CVT的變速原理完全不同，它其實(shí)是一項(xiàng)動(dòng)力分配技術(shù)， 而不是真正意義上的

3、變速裝置。與傳統(tǒng)變速器相比，ECVT勺結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低廉，同時(shí)它能承受更大的軟件，但是由于對(duì)電機(jī)和離合器等的寫作提出了非常高的要求，其控制軟件更加復(fù)雜。根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)的特性方程，可以使用模擬杠桿來表示行星齒輪各部件的轉(zhuǎn)速關(guān)系，進(jìn)而詳細(xì)介紹ECVT勺工作原理，式(1)為行星齒輪機(jī)構(gòu)的特性方程。l：r ，s - (- 1) c = 0(D - N一 Nr 848s為太陽輪轉(zhuǎn)速，8r為齒圈轉(zhuǎn)速，0c為行星架轉(zhuǎn)速，P= = 2.6Ns 30杠桿的3個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置由太陽齒輪(MG1與齒圈(MG2的齒數(shù)確定, 相對(duì)于水平基準(zhǔn)位置，同側(cè)表示轉(zhuǎn)速關(guān)系相同、異側(cè)表示運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反，相對(duì)于 基準(zhǔn)位置的高度相

4、似于轉(zhuǎn)速。針對(duì)5種特定工況，采用杠桿圖對(duì)每種工況中發(fā)動(dòng) 機(jī)、MG評(píng)口 MG2勺轉(zhuǎn)速關(guān)系進(jìn)行分析(1)起步工況此階段為純電動(dòng)段，車輛僅由MG2驅(qū)動(dòng)，MG1在HV ECU的控制下轉(zhuǎn)動(dòng),(2)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)當(dāng)車速加速到某一值時(shí)，由于 MG1極限轉(zhuǎn)速的限制，必須降低 MG1的轉(zhuǎn)但并不發(fā)電，行星架在制動(dòng)器的作用下轉(zhuǎn)速為 0,如圖3所示速，從杠桿圖上可得出，需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)來“提高”杠桿，使MG1轉(zhuǎn)速降低此時(shí)，HV ECU控制MG1啟動(dòng)，從而啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，此時(shí) MG1的轉(zhuǎn)速會(huì)階躍變 化，如圖4所示。車速Sun GearCarrier Ring Gear(MG1)(Engine) (MG2)圖4啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)杠桿模

5、擬圖(3)借助發(fā)動(dòng)機(jī)的輕微加速這一模式中發(fā)動(dòng)機(jī)將72%的扭矩通過齒圈驅(qū)動(dòng)車輪，剩余28%驅(qū)動(dòng)MG1發(fā) 電。若需求功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)通過齒圈輸出的功率，將由 MG2輔助驅(qū)動(dòng)，此時(shí) MG1發(fā)出的電能直接供給 MG2。在這一階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在 ECVT模式，在 杠桿圖中，通過不斷調(diào)節(jié) MG1的轉(zhuǎn)速維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)工作區(qū)間，實(shí)現(xiàn)無 級(jí)變速，如圖5所示。車速6所示。車速發(fā)出的電能還接收高壓蓄電池的電能，故蓄電池荷電狀態(tài)下降行在純轉(zhuǎn)矩耦合模式，發(fā)動(dòng)機(jī)和 MG吸同牽引車輛圖5發(fā)動(dòng)機(jī)輕微加速杠桿模擬圖全加速工況：這一模式發(fā)動(dòng)機(jī)向驅(qū)動(dòng)輪和MG1 專遞功率，MG如僅接收MG1Carrier Ring Gear

6、(Engine) (MG2)圖6全加速情況杠桿模擬圖在這一模式中，MG1的軸被定位在車輛靜止的車梁上，驅(qū)動(dòng)系運(yùn)Carrier Ring Ge, (Engine) (MG2)Sun GearCarrier Ring Gear(MG1)(Engine) (MG2)圖7高速巡航杠桿模擬圖三.實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)主要采用仿真的方法進(jìn)行,利用 Matlab/simulink 中的 SimDriveline 模塊建立了動(dòng)力系統(tǒng)模型，如圖8所示。仿真過程模擬車輛以15m/s的初速度在ECVT模式下加速的過程，整個(gè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)為唯一動(dòng)力源，恒功率、恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；MG1調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使其維持不變,MG1

7、做發(fā)電機(jī)，輸出的功率全部提供給MG2使用；MG2做電動(dòng)機(jī)使用，具轉(zhuǎn)速由車速?zèng)Q定，轉(zhuǎn)矩由MG1提供的功率決定；電池不充電也不供電。最后根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1和MG2的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與驗(yàn)證。 FhhIT。叫網(wǎng)i聘畤0目融3 g段 Results口博 fife(Scopes)Veficle dianicsEngineTorqua sansor* Powgr印MMotor E tec trie m-nlDr Torque wnsnrEngkwfx D jCurrant serear DC:DC converter校有 iilM6n6rBathe iySalverConi 例all

8、 口 nGftrwrfirtorTorque serwrElMlriC 口BUB陽boMG1發(fā)出的功率不通過DCQC 給電泡無電，而向據(jù)哈MG2pQwr-$pltt Hybrid Transmission圖8動(dòng)力分配傳動(dòng)系統(tǒng)模型本次實(shí)驗(yàn)用到的數(shù)據(jù)主要有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率，具體仿真結(jié)果如下圖所示。圖6有效功率圖7轉(zhuǎn)速圖8轉(zhuǎn)矩四.數(shù)據(jù)處理.轉(zhuǎn)速關(guān)系驗(yàn)證：在圖7的仿真結(jié)果中，各部件轉(zhuǎn)速關(guān)系穩(wěn)定后，在 t=70s 時(shí)刻取發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1F口 MG2勺轉(zhuǎn)速，nicE=nc=2160rpm, nMG=ns=5320rpm,nMG=nR=943rpm, 將以上數(shù)據(jù)帶入行星齒輪特性方程(1)可得：:nrns -

9、( -1)nc=-4rpm由計(jì)算結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本符合行星齒輪特性方程，故三者的轉(zhuǎn)速關(guān)系滿足方程式：T ,：；入-(1-1 1 1) -：C = 0.轉(zhuǎn)矩關(guān)系驗(yàn)證：在圖8的仿真結(jié)果中，各部件轉(zhuǎn)矩關(guān)系穩(wěn)定后，取 t=70s 時(shí)刻三者的轉(zhuǎn)矩，Tmg=23 N*m , Tice=86 N*m , Tmg= N*m , T* =192 N*m 根據(jù)行星齒 輪轉(zhuǎn)矩關(guān)系式Tr =PTS可計(jì)算出Tr=59.8 N*m ,然后進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配關(guān)系驗(yàn)證：Tmg+Tr=82.8 N*m=TE=86 N*mTr+TMg=188.8 N*m =丁.=192 N*m由計(jì)算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)矩分配關(guān)系基本符合理論狀況，仿真過程比較接近實(shí)際。.功率分配關(guān)系