混合动力汽车实训台架设计分析

　1.前言
当今世界，随着石油资源的匮乏和环境污染的日趋严重，能源和环保问题已经成为全球关注的焦点，节能减排也成为汽车开发研究的首要目标。由于纯电动汽车电池技术尚未成熟，混合动力汽车应运而生。混合动力汽车既保持了纯电动汽车低排放的优点，又发挥了比传统内燃机更高性能和更低排放的优势，是目前有效缓解两大问题的主要方法之一。学院顺应时代技术的发展，增设了新能源汽车技术这一专业。但学院关于新能源汽车的实验设备很少，教学用的混合动力汽车试验台极其需要，虽然现市面上也有一些混合动力汽车试验台架，但是价格昂贵，结构复杂，学生不容易理解，不利于教学。因此，研究出结构简单，易于操作，价格低廉又能满足教学需要的混合动力汽车实训台架具有重大实际意义。
2.混合动力汽车实训台架的功能
为满足教学需要，混合动力汽车实训台架应具备以下功能：
2.1 学生可直观认识和分析混合动力系统的基本构造及工作原理，通过实物认识各传感器及执行器的位置及工作原理。
2.2 操纵点火开关与调节控制开关，可模拟演示汽车混合动力系统不同工况的工作过程：
a.模拟混合动力系统启动工作过程
b.模拟混合动力系统低速行驶工作过程
c.模拟混合动力系统一般行驶工作过程
d.模拟混合动力系统高速行驶工作过程
e.模拟混合动力系统加速行驶工作过程
f.模拟混合动力系统减速行驶工作过程
g.模拟混合动力系统制动回收工作过程
2.3 设置发动机常见故障，通过故障显示，进行学生故障分析、检测诊断实训，培养学生故障分析检测诊断思维能力.
2.4 起步时无需模拟发动机运转，可直接利用电动机起动，可达到零排量效果。
2.5 可在制动时使剩余能量回冲电池组。
3.混合动力驱动系统的结构设计
混合动力驱动系统主要由三台模拟装置电机、动力合成装置、变速器、离合器、主减速器、控制单元、电池组等组成，其中三台电机分别演示模拟发动机，电机I 和电机2 的工作状态。
如图1 所示，这种混合动力驱动系统采用的是混联驱动方式。模拟发动机和电机2 通过动力合成装置进行动力传输和动力切换，相辅相成。两电机采用电气连接，经电机控制器连接电池组，能量不足时由电池组补充，两电机之间有能量交流。常规状态下，混合动力系统以纯电动模式运行，实现零排放行驶，当电池组的电量低于某设定值时，开启模拟发电机组，以混合驱动模式行驶同时向电机1 输出电能，用以平衡部分电池组电量的损失，从而适当延长行驶里程。

图1 混合动力驱动系统结构示意简图
4.混合动力实训台架整体结构设计
实训台架整体结构又动力机架和控制演示面板两大部分组成。动力机架里固体驱动系统的所有部件，采用方管焊接成框架结构，尺寸根据驱动系统部件大小决定，尽量在空间允许的情况下分布距离大一些，便于学生直接观察各个零部件。采用万向自锁脚轮装置固体台架，便于移动和随时固定。动力机架后侧固定安装控制演示面板，其中面板采用面板图形、开关按钮和灯光闪烁的方式构成。包含启动开关、工况选择按钮、混合动力原理图、发光二极管组件等，如图2 所示。

图2 混合动力系统控制面板示意图
5.模拟不同工况时动力传输设计
5.1 启动和怠速工况
当启动发动机时，如图2 所示，启动时通过发电机MG1 驱动模拟发电机启动，模拟发电机启动后采用电气分离使其处在怠速状态。
5.2 正常行驶工况
当系统处于正常行驶工况时，如图3 所示，完全由电动机MG2 向驱动轮提供动力。
5.3 加速工况
当汽车轻微加速或者满负荷全力加速工况时，如图4 所示，一方面由模拟发电机向驱动轮提供动力，另一方面由发电机MG1和蓄电池同时向电动机MG2 提供电能，再通过MG2 输出动力。
5.4 减速工况
对于减速工况，如图5 所示，模拟发电机和电动机都采用电气分离，处于停止输出动力状态，此时由于地面对车轮有反向阻力作用，使它反作用于电动机MG2，通过MG2 向蓄电池充电，达到制动时使剩余能量回冲电池组的效果。

图2 启动工况                      图3 正常行驶工况

图4 加速工况                       图5 减速工况
6.电机和蓄电池的选择
6.1 电机选择
混合动力汽车电器部分主要由驱动电机、电机控制器、蓄电池等零散电器组成。其中核心是电机，电机的选择决定了控制器的配套，电机工作电流的大小直接影响蓄电池的使用寿命。而对于驱动电机的选择，由于车辆频繁要求启动/停止、加速/减速、制动等不同工作状态，因此电机的起动性能（起动转矩/起动电流）、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、电机的过载能力、能量密度、可靠性对混合动力汽车尤为重要。虽然电机在这里用作实训台架并非真正汽车上，但是为了模拟汽车真实的行驶工况，驱动电机的选择要求既要符合电池充放电特性，又要符合汽车的负载特性。但输出功率不要太高。因此选择无刷直流电机，体积小、重量轻、对外特性好、效率高、速度范围宽、再生制动效果好，具体参数如下表：

额定转速（r/min）	2500	额定功率（kW）	3
最大转速（r/min）	3600	最大功率（kW）	8
额定扭矩（N.m）	12	额定电压（V）	60
最大扭矩（N.m）	38	额定相电流（A）	72

6.2 蓄电池选择
对于混合动力汽车，行驶期间需要对电池进行反复充放电，电池寿命、电池放电深度，再生制动反馈性能要求比较高，因此选择适于反复充放电的铅酸电池。铅酸电池技术可靠，生产工艺成熟，成本低，单体电池电压高，适合电动汽车使用的良好的大电流输出性能，良好的高温和低温性能，高的能量效率。
7.控制策略

图6 实训台电路接线示意图
由于实训台架采用的是模拟发动机，即电机代替实际发动机，那么部件之间的连接就简化了很多，采用51 单片机作为核心控制器，编写程序进行模拟控制。实训台架的接线电路主要由51 单片机、电路转化器、点火开关、代表不同工况的按钮、保险丝、LED 等组成，接线电路如图6 所示。
混合动力汽车实训台架的研究设计，虽然所设计的实训台架可能还存在很多不足，但随着进一步的研究交流学习，争取在后续自行研制项目中进一步修改完善。更好地为新能源技术专业的学生学习理解混合动力汽车。


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