硬件在環(huán)試驗報告

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

2、機(jī)；2.扭轉(zhuǎn)減震器；3.MG1; 4.動力分配裝置；5.MG2; 6.傳動鏈；7.中間齒輪； 8.主減速器齒輪；9.驅(qū)動橋THS-II （第二代豐田混合動力系統(tǒng)）使用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)（ MG2提供的兩 種動力，并使用MG作為發(fā)電機(jī)，通過動力分配裝置把發(fā)動機(jī)的動力進(jìn)行解耦并 通過齒圈把發(fā)動機(jī)和MG2勺動力輸出驅(qū)動車輛。根據(jù)不同的車輛行駛狀況優(yōu)化組 合這兩種動力，使發(fā)動機(jī)持續(xù)工作在最優(yōu)工作區(qū)間， 在保證動力性能的同時達(dá)到 省油的目的。THS的核心就在于它的電機(jī)和動力分配裝置組成的電子無級變速器（ECVT ,這套ECVTS統(tǒng)與傳統(tǒng)CVT的變速原理完全不同，它其實(shí)是一項動力分配技術(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)更簡單，成本更低廉，同時它能承受更大的軟件，但是由于對電機(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個節(jié)點(diǎn)的相對位置由太陽齒輪(MG1與齒圈(MG2的齒數(shù)確定, 相對于水平基準(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，相對于 基準(zhǔn)位置的高度相

4、似于轉(zhuǎn)速。針對5種特定工況，采用杠桿圖對每種工況中發(fā)動 機(jī)、MG評口 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段，車輛僅由MG2驅(qū)動，MG1在HV ECU的控制下轉(zhuǎn)動,(2)啟動發(fā)動機(jī)狀態(tài)當(dāng)車速加速到某一值時，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，需要啟動發(fā)動機(jī)來“提高”杠桿，使MG1轉(zhuǎn)速降低此時，HV ECU控制MG1啟動，從而啟動電動機(jī)，此時 MG1的轉(zhuǎn)速會階躍變 化，如圖4所示。車速Sun GearCarrier Ring Gear(MG1)(Engine) (MG2)圖4啟動發(fā)動機(jī)杠桿模

5、擬圖(3)借助發(fā)動機(jī)的輕微加速這一模式中發(fā)動機(jī)將72%的扭矩通過齒圈驅(qū)動車輪，剩余28%驅(qū)動MG1發(fā) 電。若需求功率大于發(fā)動機(jī)通過齒圈輸出的功率，將由 MG2輔助驅(qū)動，此時 MG1發(fā)出的電能直接供給 MG2。在這一階段，驅(qū)動系統(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)動機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)工作區(qū)間，實(shí)現(xiàn)無 級變速，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)動機(jī)和 MG吸同牽引車輛圖5發(fā)動機(jī)輕微加速杠桿模擬圖全加速工況：這一模式發(fā)動機(jī)向驅(qū)動輪和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)驗過程與數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗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，整個過程中發(fā)動機(jī)為唯一動力源，恒功率、恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；MG1調(diào)節(jié)發(fā)動機(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做電動機(jī)使用，具轉(zhuǎn)速由車速決定，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)果對發(fā)動機(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動力分配傳動系統(tǒng)模型本次實(shí)驗用到的數(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 時刻取發(fā)動機(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由計算結(jié)果可知，實(shí)驗數(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可計算出Tr=59.8 N*m ,然后進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配關(guān)系驗證：Tmg+Tr=82.8 N*m=TE=86 N*mTr+TMg=188.8 N*m =丁.=192 N*m由計算結(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