硬件在环实验报告

一.实验目的

1.了解混合动力电动汽车动力总成结构及动力传递路线；

2.掌握丰田Prius电子无级变速器（ECVT）工作原理；

3.熟悉Matlab/simulink的建模仿真过程。

二.实验原理

硬件在环仿真（hardware-in-the-Loop,HIL）是指用数字仿真机模拟被控对象，通过接口与真实的控制器相连，以此模拟受控对象的运行状态，对控制器进行测试和功能验证。由于试验成本相对较低，HIL在汽车、飞机、电力系统等行业都有广泛应用。

本次实验主要以丰田混合动力汽车第二代Prius的电动力系统为对象，对其工作过程进行分析与仿真，Prius的动力系统结构如图1所示。

图1 第二代Prius传动系统结构

1.发动机；

2.扭转减震器；

3.MG1；

4.动力分配装置；

5.MG2；

6.传动链；

7.中间齿轮；

8.主减速器齿轮；9.驱动桥

THS-Ⅱ（第二代丰田混合动力系统）使用发动机和电动机（MG2）提供的两种动力，并使用MG1作为发电机，通过动力分配装置把发动机的动力进行解耦并通过齿圈把发动机和MG2的动力输出驱动车辆。根据不同的车辆行驶状况优化组合这两种动力，使发动机持续工作在最优工作区间，在保证动力性能的同时达到省油的目的。

THS的核心就在于它的电机和动力分配装置组成的电子无级变速器（ECVT），这套ECVT系统与传统CVT的变速原理完全不同，它其实是一项动力分配技术，而不是真正意义上的变速装置。与传统变速器相比，ECVT的结构更简单，成本更低廉，同时它能承受更大的软件，但是由于对电机和离合器等的写作提出了非

常高的要求，其控制软件更加复杂。根据行星齿轮机构的特性方程，可以使用模拟杠杆来表示行星齿轮各部件的转速关系，进而详细介绍ECVT 的工作原理，式（1）为行星齿轮机构的特性方程。

0)1(c =+-+ωβωβωs r （1）

s ω为太阳轮转速，r ω为齿圈转速，c ω为行星架转速，6.230

84

===

s r N N β 杠杆的3个节点的相对位置由太阳齿轮（MG1）与齿圈（MG2）的齿数确定，相对于水平基准位置，同侧表示转速关系相同、异侧表示运转方向相反，相对于基准位置的高度相似于转速。针对5种特定工况，采用杠杆图对每种工况中发动机、MG1和MG2的转速关系进行分析。 （1）起步工况

此阶段为纯电动段，车辆仅由MG2驱动，MG1在HV ECU 的控制下转动，但并不发电，行星架在制动器的作用下转速为0，如图3所示。

图3 起步工况杠杆模拟图

（2）启动发动机状态

当车速加速到某一值时，由于MG1极限转速的限制，必须降低MG1的转速，从杠杆图上可得出，需要启动发动机来“提高”杠杆，使MG1转速降低。

此时，HV ECU控制MG1启动，从而启动电动机，此时MG1的转速会阶跃变化，如图4所示。

图4 启动发动机杠杆模拟图

（3）借助发动机的轻微加速

这一模式中发动机将72%的扭矩通过齿圈驱动车轮，剩余28%驱动MG1发电。若需求功率大于发动机通过齿圈输出的功率，将由MG2辅助驱动，此时MG1发出的电能直接供给MG2。在这一阶段，驱动系统运行在ECVT模式，在杠杆图中，通过不断调节MG1的转速维持发动机运行在最优工作区间，实现无级变速，如图5所示。

图5 发动机轻微加速杠杆模拟图

（4）全加速工况：这一模式发动机向驱动轮和MG1传递功率，MG2不仅接收MG1发出的电能还接收高压蓄电池的电能，故蓄电池荷电状态下降，如图6所示。

图6 全加速情况杠杆模拟图

（5）高速巡航：在这一模式中，MG1的轴被定位在车辆静止的车梁上，驱动系运行在纯转矩耦合模式，发动机和MG2共同牵引车辆，如图7所示。

图7 高速巡航杠杆模拟图

三．实验过程与数据记录

实验主要采用仿真的方法进行，利用Matlab/simulink中的SimDriveline模块建立了动力系统模型，如图8所示。仿真过程模拟车辆以15m/s的初速度在ECVT 模式下加速的过程，整个过程中发动机为唯一动力源，恒功率、恒转速、恒转矩运行；MG1调节发动机转速使其维持不变，MG1做发电机，输出的功率全部提供给MG2使用；MG2做电动机使用，其转速由车速决定，转矩由MG1提供的功率决定；电池不充电也不供电。最后根据仿真结果对发动机、MG1和MG2的转速、转矩、功率等数据进行分析与验证。

图8 动力分配传动系统模型

本次实验用到的数据主要有转速、转矩及功率，具体仿真结果如下图所示。

图6 有效功率图7 转速

图8 转矩发动机功率电动机功率电池功率

发电机功率

发电机转速

发动机转速电动机转速

总转矩

电动机转矩发动机转矩发电机转矩

四．数据处理

1.转速关系验证：在图7的仿真结果中，各部件转速关系稳定后，在t=70s 时刻取发动机、MG1和MG2的转速，n ICE =n C =2160rpm ，n MG1=n S =5320rpm,n MG2=n R =943rpm,将以上数据带入行星齿轮特性方程（1）可得：

c s r n n n )1(+-+ββ=-4rpm

由计算结果可知，实验数据基本符合行星齿轮特性方程，故三者的转速关系满足方程式0)1(c =+-+ωβωβωs r

2.转矩关系验证：在图8的仿真结果中，各部件转矩关系稳定后，取t=70s 时刻三者的转矩，T MG1=23 N*m ，T ICE =86 N*m ，T MG2= N*m ，T total =192 N*m 根据行星齿轮转矩关系式S R T T β=可计算出T R =59.8 N*m ，然后进行转矩分配关系验证：

T MG1+T R =82.8 N*m ≈T ICE =86 N*m T R +T MG2=188.8 N*m ≈T total =192 N*m

由计算结果可知，转矩分配关系基本符合理论状况，仿真过程比较接近实际。 3.功率分配关系验证：在图6的仿真结果中，取t=70s 时刻三者的功率，P MG1=-12.74kw ，P battery =0.16kw ，P MG2=12.74kw ，()

battery MG MG P P P +-12=0.16kw,误差较小，故仿真结果功率分配关系与理论状态基本符合。

五．实验总结