prius混合动力系统分析

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1、Prius混合动力系统分析Prius简介1997年12月第一代Prius在日本上市；2000年小改款后面向北美和欧洲销售；2003年9月推出了第2代车型。该车所采用的发动机专门为混合动力系统设计，并采用电动助力转向等技术以尽量降低能耗。表1给出了两代Prius的主要参数。与第1代相比，第2代Prius增加了电动空调、一键式起动等功能。本文的主要研究对象为2001款Prius，但未考虑空调工作状态对控制策略的影响，也未考虑电机和电池的工作效率。Prius混合动力系统结构Prius采用混联式的机械结构，包括2个电机，即MG1（用于调速）和MG2（作为驱动电机）

2、，均可以作为发电机和电动机。电机和发动机通过一套行星齿轮组连接实现动力分配。如图1所示，发动机与行星架相连，MGl和太阳轮相连，MG2连接在齿圈上，齿圈再通过齿形带和主减速器相连。电机和发动机之间具有以下的转速关系：nMG1+inMG2=(1+i)·ne                      (1)发动机输出的转矩一部分通过太阳轮作用在MGl上，一部分作用在齿圈上，且存在：其中：i=zring/zsun说的具体点就是Prius混合动力汽车结构的核心部分是行星轮机构，丰田称之为动力分配装置(PSD，PowerSplitDevice)。结构示意图如下图：该

3、行星轮系有两个自由度，在此结构中，发动机和行星架相联，通过行星齿轮将动力传递给外圈的齿圈和内圈的太阳轮，齿圈轴与电机和传动轴相联，太阳轮轴和发电机相联。PSD将发动机大约70％的转矩直接传递到驱动轴上，将另一部分转矩传送到发电机上，并且发电机、电机和发动机的转速存在一线性关系。在驱动轴转速(即电机转速)不变的情况下，通过调节发电机来调整发动机转速。同时，发动机和电机转矩可以直接叠加。但是结构上较为复杂，给制造和控制带来了一定的困难。不同工况下混合动力系统工作状况1)发动机起动发动机起动分为热起动、冷起动。热机状态下，MGl作为电动机拖动发动机达到1000r

4、/min以上后，发动机开始喷油，同时MGl进入发电模式，如图2所示，如果电池的充电需求为零，则发动机在运行约2s后停机。图3为发动机冷起动时系统工作状况。发动机被MGl拖动到1200r/min左右后约2s才开始工作，这实际上包含了发动机的暖机过程。2)车辆起步车辆起步时，发动机静止，由MG2拖动车辆，MGl随动，当功率需求达到一定值时，MGl立即拖动发动机起动。根据电池SOC的不同，发动机起动的时刻也不同。图4为车辆起步工况。3)车辆加速分别对全油门加速和部分油门加速情况进行试验测试。全油门加速试验时，MG2电流迅速增加，拖动车辆加速，MGl也迅速拖动发动

5、机到较高转速，在发动机转速突变的过程中基本不存在瞬态加浓过程。部分油门时，由于电机MG2的助力作用，发动机的喷油脉宽不存在瞬间增加的情况，而MGl一直作为发电机。4）车辆匀速在车辆匀速行驶时，电池是否充电首先取决于SOC，另外与MG2转速和输出电压有关。图5为120km/h匀速工况，由于此时的电池SOC为60%，电池充电需求为零，车辆功率需求恒定，发动机工作点比较优化。MG2正向旋转为发电机，而MGl作为调速电机调整发动机的工况点。当车辆的功率需求较小时，可以以纯电动工况行驶，发动机静止，MG2拖动车辆，MGl随动。经观察，纯电动运行最高车速为40km/h

6、，当电池SOC降低到45%时，发动机必须重新起动。5）滑行和制动加速踏板松开后，车辆开始滑行，图6为D档滑行情况，初始SOC为60%，发动机喷油脉宽逐渐减小直至断油，MGl立刻作为电动机调速使发动机停转，这样减小了滑行过程中的摩擦损失，而MG2一直进行能量回收。车速较高时，为了防止MGl逆向旋转超速，必须对MGl进行转速控制。若电池SOC较低，发动机断油，转速逐渐下降，当降到1000r/min时，发动机恢复喷油。车辆制动时的工作状况和滑行工况相差不大，不同的是制动时ECU会根据制动功率需求进行液压制动和电机制动的功率分配。图7为初速100km/h的B档制动

7、，B档制动时，发动机转速降到1000r/min，车速降到15km/h时，发动机停转，不再恢复喷油。B档时利用发动机制动，不管SOC状态如何，发动机必须旋转，MGl作为电动机调速。控制策略分析整车ECU采集多个信号进行判断，决定系统的工作模式，系统将驾驶员的输入作为一级指令，图8所示为控制系统参数。影响整车控制策略的参数主要包括车辆的驱动功率需求Pv_req、驱动转矩需求Tv_req、车辆制动功率需求户Pbrake_req、电池充电功率需求Pch_req、可供电功率PB_a及可充电功率PB_ch_a。电池充电功率需求取决于SOC，而电池的可充电功率和可供电功

8、率与SOC和充放电电压相关。根据试验观察，电池SOC的变化范围为4