混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)一體化實驗教學系統(tǒng)開發(fā)*

閻文兵，李曉霖，左姍姍，王文安

混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)一體化實驗教學系統(tǒng)開發(fā)*

閻文兵1，李曉霖1，左姍姍1，王文安2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學，天津 300222；2.天津圣納科技有限公司，天津 300384）

動力驅(qū)動系統(tǒng)作為混合動力汽車的重要組成部分，如何將該部分的重要結(jié)構(gòu)、工作原理教給學生，提升學生對所學知識的掌握及應用具有重要的意義。基于此，文章進行了混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)一體化實驗教學系統(tǒng)的開發(fā)，該系統(tǒng)不僅能直觀地反映油電混合動力汽車動力驅(qū)動總成的結(jié)構(gòu)、組成，而且能夠直觀對照電路圖分析控制系統(tǒng)的工作原理，便于學生學習，幫助學生理解掌握，有助于提升教學質(zhì)量。

混合動力汽車；動力驅(qū)動系統(tǒng)；實驗教學

引言

隨著燃油汽車排放所造成空氣質(zhì)量的日益惡化和石油資源的漸趨匱乏，開發(fā)低排放、低油耗的新型汽車成為當今汽車工業(yè)界的緊迫任務。作為純電動汽車的關鍵部件之一的電池在能量密度、壽命、價格等方面的問題，使得純電動汽車的性價比無法與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相抗衡[1]。燃料電池汽車具有效率高、排放低、噪聲小的優(yōu)點，但產(chǎn)業(yè)化仍需較長時間。在這種環(huán)境下，融合內(nèi)燃機汽車和電動汽車優(yōu)點的混合動力汽車成為新型汽車開發(fā)的熱點[2]。開設汽車專業(yè)的高等院校以及汽車企業(yè)科技人員不僅需要學習混合動力汽車的結(jié)構(gòu)、組成及工作原理，還需要了解混合動力汽車動力驅(qū)動總成控制系統(tǒng)的工作原理，因此開發(fā)設計適合教學研究用的混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)一體化實驗教學系統(tǒng)，將極大地促進混合動力汽車技術(shù)的學習和研究。

1 開發(fā)要求

混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)一體化實驗教學系統(tǒng)的開發(fā)要求為以下四點：

1）要真實可運行的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)實物，充分展示油電混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作過程；

2）要求能模擬汽車的實際工作情況以及制動能量回收情況，實時顯示動力傳遞過程、車速、電控系統(tǒng)工作過程等變化情況；

3）有混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)電路圖，并實現(xiàn)控制系統(tǒng)電路圖的認知和各傳感器、執(zhí)行器、混合動力單元、電源控制單元管腳的電信號，如電阻、電壓、電流、頻率信號等的檢測；

4）有可連接專用汽車解碼器，實現(xiàn)對混合動力驅(qū)動、電源等電控系統(tǒng)讀取故障碼、清除故障碼、讀取數(shù)據(jù)流等自診斷功能。

2 混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)一體化實驗教學系統(tǒng)設計

2.1 實驗系統(tǒng)臺架

將卡羅拉雙擎混合動力驅(qū)動系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、原裝線束、保險盒電器系統(tǒng)等零部件合理布置于臺架上且使各部分均可正常工作。設計了模擬加載系統(tǒng)，可以相對真實模擬混合動力汽車實際工作情況以及制動能量回收情況。加載裝置與動力驅(qū)動總成變速驅(qū)動橋的輸出軸相連，加載控制器對其加載的大小進行調(diào)節(jié)。考慮到混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的高壓，為了保證操作人員的安全，在臺架零部件和動力電池的底層布置絕緣地膠。臺架主體框架設計兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作方便、外形美觀等原則，臺架采用45#方剛焊接制作成型，表面防腐、防銹處理。臺架前部是發(fā)動機護欄板和操作臺。實驗系統(tǒng)臺架總體布置如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)臺架

2.2 實驗系統(tǒng)面板

實驗臺的面板是進行實訓教學的平臺，是實驗臺總體設計中的極其重要和關鍵的一環(huán)。實驗臺的面板分為實驗臺標題、混合動力驅(qū)動系統(tǒng)電路圖、數(shù)字式電壓電流顯示表、加載按鈕等部分。在臺架的面板上繪有混合動力控制系統(tǒng)電路原理圖，該圖是在原車電路圖的基礎之上，刪減了如電器燈光系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)等電路，直觀地表示混合動力驅(qū)動系統(tǒng)控制電路原理、控制單元連接、元器件組成、電源電路走向。面板上還設置有檢測端子，可方便地通過端子引出口上的裸露部分進行電壓和電阻的測量，以便獲取各種參數(shù)值進行有故障碼的故障分析。實驗系統(tǒng)面板臺架用方管作為支承骨架，表面用厚度為0.6mm的Q235鋼板包裹，中部有一個平面操作臺，鑲嵌有顯示器，在檢測過程中可以放一些儀器，如萬用表、解碼器等，如圖2所示。

圖2 混合動力驅(qū)動系統(tǒng)控制電路檢測臺

2.3 加載系統(tǒng)

將混合動力總成和變速驅(qū)動橋固定在實驗臺上，變速驅(qū)動橋輸出軸與電渦流測功機同軸。電渦流加載器的加載系統(tǒng)采用微型計算機技術(shù)實現(xiàn)自動加載，加載模型存于計算機，測功機要給出的是路面阻力、空氣阻力、滾動阻力對應的阻力矩。只要設定路面坡度、滾動阻力系數(shù)，檢測當前輸出軸轉(zhuǎn)速就可得到加載力矩值，根據(jù)加載模型得到對應的加載勵磁電流值。為了實時檢測電渦流測功機的加載量，并對加載量實施反饋控制，在電渦流加載器的定子部分加裝壓力傳感器，將壓力傳感器的信號作為扭矩的反饋信號輸入控制電腦。在電渦流加載器的轉(zhuǎn)子部分加裝光電轉(zhuǎn)速傳感器，其信號經(jīng)數(shù)字處理輸入到單片機中，通過采集轉(zhuǎn)速信號，精確計算出需施加的阻力，精確控制電渦流加載器進行阻力加載。從而產(chǎn)生與路試相符合的在各種車速下的滾動阻力，風阻，坡道阻力等，信號的傳遞和反饋過程如圖3所示。

圖3 信號的傳遞和反饋控制

2.4 實驗臺故障檢測點的設置

配備無線智能故障設置系統(tǒng)，可以對故障點進行設置或復位，設置系統(tǒng)常見故障27個，在一體機內(nèi)嵌軟件可進行故障設置和考核。故障設置采用無損連接方式，在不破壞原車線束的基礎上實現(xiàn)低壓故障設置，利用Wi-Fi網(wǎng)絡使用教學軟件（基于Windows平臺）輸入故障代碼完成故障設置；配備無線數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，信號數(shù)據(jù)顯示在教學終端。

3 一體化教學資源開發(fā)

為了使所開發(fā)的實驗系統(tǒng)更好地服務于教學，制作了多媒體教學課件，配以動態(tài)輔助系統(tǒng)工作過程的教學演示。應用Solidworks機械建模軟件和3D VIA composer軟件完成變速驅(qū)動橋三維模擬拆裝，便于了解混合動力汽車變速驅(qū)動橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部分課件和三維模擬拆裝見圖4所示。

圖4 一體化教學資源

4 結(jié)語

混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)一體化實驗教學系統(tǒng)作為教學培訓準備，可以協(xié)助教師完成實驗實訓教學目標，學生通過使用該實驗臺，可以扎實的掌握混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，通過在實驗系統(tǒng)上設置故障，可以運用檢測儀器和設備對故障進行檢測和排除，從而達到高效學習的目的[3]。

[1] 肖艷.國外汽車的電子技術(shù)與電子控制(二)[J].城市車輛,2008(01).

[2] 潘文軍.中度混合動力汽車再生制動模型預測控制策略[D].重慶:重慶大學,2010.

[3] 姜山.大眾0AM自動變速器實驗臺設計[J].實驗室科學,2018(2): 190-192.

Development of Integrated Experimental Teaching System for Hybrid Electric Vehicle Power Drive System*

Yan Wenbing1, Li Xiaolin1, Zuo Shanshan1, Wang Wenan2

( 1.Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222;2.Tianjin Shengna Technology Co., Ltd., Tianjin 300384 )

Power drive system is an important part of hybrid electric vehicles. It is of great significance to teach students the important structure and working principle of this part, and to improve students' mastery and application of knowledge. Based on this, this article has carried out the development of an integrated experimental teaching system for the hybrid electric vehicle power drive system. The system can not only directly reflect the structure and composition of the hybrid electric vehicle power drive assembly, but also can intuitively compare the circuit diagram to analyze the control system. Therefore, it is convenient for students to learn, help students understand and master, and help improve the quality of teaching.

Hybrid car;Power drive system;Experimental teaching

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.057

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閻文兵（1968-），女，教授，就職于天津職業(yè)技術(shù)師范大學汽車與交通學院，主要研究方向為新能源汽車技術(shù)、汽車職業(yè)教育。

天津市科技局“某雙擎汽車油電控制策略模擬裝置研究”（19JCTPJC5300）。