基于杠桿法的普銳斯混合動力驅(qū)動系統(tǒng)工作狀態(tài)分析*

王夢瑤，尤明福，侯國強

(天津職業(yè)技術師范大學，天津 300222)

0 引言

在人們?nèi)找骊P注環(huán)保的今天，普銳斯因革命性地降低了車輛的燃油消耗和尾氣排放，成為了全球第一款最成功的環(huán)保車型。首先介紹了豐田第二代混合動力系統(tǒng)的組成和功能及普銳斯混合驅(qū)動橋的結構特點，然后運用形象直觀、易于理解的杠桿法詳細分析了普銳斯混合驅(qū)動系統(tǒng)在6種代表性工況下的驅(qū)動狀態(tài)。

1 豐田第二代混合動力系統(tǒng)的組成及功能

豐田普銳斯是一種由發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動的混聯(lián)型混合動力汽車，它采用了豐田第二代混合動力系統(tǒng)THS－II，其主要是由發(fā)動機、HV蓄電池、兩臺電動發(fā)電機、動力分配行星組件、變頻器總成等五大部分組成［1］。

該系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)靈活地在電動機和發(fā)動機兩種動力源之間進行轉(zhuǎn)換［2］。當車輛怠速或低負荷行駛時，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為純電動模式(EV模式)使發(fā)動機停機僅依靠HV蓄電池為電動機提供動力，從而減少燃油消耗。當車輛正常行駛時，該系統(tǒng)能使發(fā)動機一直處于最佳工況，從而改善傳統(tǒng)汽車發(fā)動機因工況變化頻繁而導致的消耗燃油增多、排放惡化、升功率不穩(wěn)定等不良情況，同時還能向HV蓄電池儲備剩余能量。當車輛減速或制動時，該系統(tǒng)能使發(fā)動機停機同時利用車輪此時的轉(zhuǎn)動反向驅(qū)動電動發(fā)電機產(chǎn)生電能向HV蓄電池充電從而達到回收能量的目的。因此，該系統(tǒng)一方面使發(fā)動機始終處于最佳工況以便于有效地應用來自汽油的能量;另一方面能夠在減速和制動過程中回收能量并存儲到HV蓄電池中，從而提高能量的利用率、減小尾氣排放。

2 普銳斯混合驅(qū)動橋的結構特點

普銳斯混合動力系統(tǒng)采用P410混合驅(qū)動橋，其主要是由發(fā)動機、兩臺電動發(fā)電機MG1、MG2和動力分配行星組件組成，如圖1所示［3］。動力分配行星組件既巧妙地將發(fā)動機和兩臺電動發(fā)電機連接起來又能夠完成發(fā)動機與電動發(fā)電機MG1、MG2運行時的動力分配和發(fā)動機啟動的功能，是系統(tǒng)運行的核心部分。

豐田第二代混合動力驅(qū)動橋總成結構示意圖

3 利用杠桿法對動力分配行星組件的簡化

由圖1可知，電動發(fā)電機MG1驅(qū)動動力分配行星組件的太陽輪，發(fā)動機驅(qū)動其行星架，動力分配行星組件和電機減速行星組件共用同一齒圈。電機減速行星組件的行星架固定，電動發(fā)電機MG2驅(qū)動電機減速行星組件的太陽輪，為便于分析，可以看作電動發(fā)電機MG2經(jīng)過一次減速增扭后驅(qū)動動力分配行星組件的齒圈。因此混合動力驅(qū)動橋總成各組件之間的轉(zhuǎn)速關系經(jīng)簡化可以用一個單行星排的模擬杠桿來表示。一個單行星排由太陽輪、行星架、齒圈等三個基本構件和行星輪組成。根據(jù)單行星排的結構特點，可以將其等效成一個垂直的杠桿和3個節(jié)點，杠桿3個節(jié)點的相對位置由齒圈齒數(shù)和太陽輪齒數(shù)之比K確定［4］。如圖2(a)所示，其中過節(jié)點的水平線段的長度表示構件的轉(zhuǎn)速，線段相對于垂直杠桿的位置表示構件的轉(zhuǎn)向，當線段位于杠桿右側(cè)時表示構件正轉(zhuǎn)，反之。

普銳斯混合動力系統(tǒng)采用兩個電動發(fā)電機和發(fā)動機協(xié)同驅(qū)動車輛，所以動力分配行星組件中存在著雙輸入的情況，打破了傳統(tǒng)自動變速器行星排中始終有一個構件被鎖止的慣例。因此本文在傳統(tǒng)杠桿法的基礎上添加一些箭頭來說明電動發(fā)電機MG1、MG2的充放電狀態(tài)以及與發(fā)動機之間的主從動關系。箭頭方向指向垂直杠桿時表示主動輸入，箭頭方向背向垂直杠桿時表示從動輸出。電動發(fā)電機MG1、MG2主動輸入時作為電動機消耗電能，從動時作為發(fā)電機產(chǎn)生電能。如圖2(b)清楚的表示了三構件轉(zhuǎn)速方向相同，且齒圈與行星架主動輸入(即電動發(fā)電機MG2作為電動機和發(fā)動機共同驅(qū)動車輛)，同時太陽輪被動輸出(即電動發(fā)電機MG1作為發(fā)電機產(chǎn)生電能)。

圖2 混合動力驅(qū)動橋模擬杠桿圖

4 普銳斯混合動力系統(tǒng)工作狀態(tài)的分析

4.1 車輛停止發(fā)動機被啟動工況

車輛停止時電動發(fā)電機MG2處于靜止狀態(tài)，此時發(fā)動機停機不工作。當電源控制ECU模塊監(jiān)測到SOC充電狀態(tài)過低或電載荷過大不符合條件需要啟動發(fā)動機時，電源控制ECU模塊向主ECU發(fā)出信號控制電動發(fā)電機MG1運轉(zhuǎn)從而啟動發(fā)動機。因為電動發(fā)電機MG2處于靜止狀態(tài)電動發(fā)電機MG1驅(qū)動太陽輪正向旋轉(zhuǎn)，所以行星架連接發(fā)動機作正向減速輸出運動即發(fā)動機被啟動，如圖3(a)所示。在發(fā)動機被啟動的期間，為防止電動發(fā)電機MG2運轉(zhuǎn)，此時電動發(fā)電機MG2將接收電流以施加制動。當發(fā)動機啟動完成后電動發(fā)電機MG1的驅(qū)動電流會立即被切斷，此時電動發(fā)電機MG2仍然靜止，發(fā)動機帶動行星架輸入太陽輪正向增速輸出，即電動發(fā)電機MG1被驅(qū)動并作為發(fā)電機對HV蓄電池進行充電，如圖3(b)所示。

圖3 車輛停止發(fā)動機被啟動工況

4.2 車輛低負荷工況

車輛發(fā)動機在低負荷工況時處在高油耗、高排放污染區(qū)域，而普銳斯混合動力汽車的EV模式能夠僅利用由HV蓄電池向電動發(fā)電機MG2提供的電能驅(qū)動車輛行駛。此時發(fā)動機停機不運行加速踏板開度不大，電動發(fā)電機MG1反向旋轉(zhuǎn)但不發(fā)電，如圖4所示。當電源控制ECU模塊監(jiān)測的項目與規(guī)定范圍有偏差或加速踏板開度加大需要啟動發(fā)動機提供更多的驅(qū)動扭矩時，主ECU便控制HV蓄電池向電動發(fā)電機MG1供電使其以較低轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)從而啟動發(fā)動機，如圖5所示。首先電動發(fā)電機MG1的驅(qū)動電流會使其停止轉(zhuǎn)動，根據(jù)圖示此時發(fā)動機已經(jīng)正向旋轉(zhuǎn)，車速的高低決定了電動發(fā)動機MG1正向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速大小;然后當電源控制ECU模塊接收到發(fā)動機已經(jīng)運轉(zhuǎn)的信號后會立即切斷電動發(fā)電機MG1的驅(qū)動電流，已經(jīng)啟動的發(fā)動機帶動電動發(fā)電機MG1正向旋轉(zhuǎn)從而將其轉(zhuǎn)換成發(fā)電機對HV蓄電池進行充電。

圖4 車輛低負荷工況

圖5 車輛低負荷工況行駛中發(fā)動機被啟動

4.3 車輛正常行駛工況

車輛在正常行駛狀態(tài)時，發(fā)動機和電動發(fā)電機MG2一同驅(qū)動。此時發(fā)動機能夠在最佳工況下運轉(zhuǎn)，一部分動力直接輸出到驅(qū)動車輪，剩余的動力帶動電動發(fā)電機MG1作為發(fā)電機發(fā)電，通過變頻器總成一系列的調(diào)整和轉(zhuǎn)換電能驅(qū)動電動發(fā)電機MG2從而輸出動力［5］，如圖6所示。當HV蓄電池的電量少時，發(fā)動機輸出功率會被提高帶動電動發(fā)電機MG1加大發(fā)電量向HV蓄電池充電。當車輛由正常行駛狀態(tài)進入巡航狀態(tài)時，電動發(fā)電機MG1的轉(zhuǎn)速可以有所下降，這樣發(fā)動機可以在較低的經(jīng)濟轉(zhuǎn)速下工作從而提高了車輛的經(jīng)濟性，如圖6中虛線所示。

4.4 車輛大負荷行駛工況

如圖7所示，系統(tǒng)將在車輛正常行駛工況的控制基礎上額外增加HV蓄電池的電力。在車輛的這種使用狀態(tài)下發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)升高是車輛的主要動力來源，同時電動發(fā)電機MG1和電動發(fā)電機MG2的轉(zhuǎn)速也將增加。此時電動發(fā)電機MG1在增速狀態(tài)下發(fā)電量增大，電動發(fā)電機MG2消耗的電量也會增大其能量消耗加劇的結果還是加大了發(fā)動機的負荷。對于混合動力車輛來說，在這種狀態(tài)運轉(zhuǎn)車輛的油耗是最大的并不是混合動力汽車的優(yōu)勢所在。

圖6 車輛正常行駛工況

圖7 車輛大負荷行駛工況

4.5 車輛制動減速行駛工況

當車輛以D擋位減速行駛時，車輪將驅(qū)動電動發(fā)電機MG2作為發(fā)電機向HV蓄電池充電，車速越高發(fā)電量越大。當車輛從較低速度開始減速時，發(fā)動機停止工作動力為零，電動發(fā)電機MG1反向增速旋轉(zhuǎn)但不發(fā)電;當車輛從較高速度開始減速時，發(fā)動機將會以預定轉(zhuǎn)速繼續(xù)運轉(zhuǎn)防止太陽輪轉(zhuǎn)速過高從而保護行星齒輪組件，如圖8所示，其中虛線表示車速較高時若發(fā)動機停止工作各部件的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。

4.6 車輛倒車行駛工況

車輛倒車時，若SOC充電狀態(tài)正常，發(fā)動機將停機僅由HV蓄電池驅(qū)動電動發(fā)電機MG2反向轉(zhuǎn)動為車輛提供動力，同時帶動電動發(fā)電機MG1正向增速旋轉(zhuǎn)但并不對外發(fā)電否則電動發(fā)電機MG2就受到很大的負載從而加劇HV蓄電池能量的消耗這樣并不劃算。若電源控制模塊監(jiān)測的任何項目與規(guī)定值有偏差，電動發(fā)電機MG1將從正向增速的空轉(zhuǎn)狀態(tài)提高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動狀態(tài)進而啟動發(fā)動機，如圖9虛線所示。發(fā)動機啟動后電動發(fā)電機MG1的驅(qū)動電流立即被切斷轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，由于齒圈處于反向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不用很高就可以帶動電動發(fā)電機MG1作為發(fā)電機以正向高轉(zhuǎn)速向HV蓄電池充電。

圖8 車輛在D檔位減速工況

圖9 車輛倒車行駛工況

5 總結

杠桿分析法是分析行星齒輪的最簡單有效的方法，通過此方法詳細分析了豐田普銳斯在6種代表工況下的動力分配行星組件各部件之間的轉(zhuǎn)速以及主從動關系，并且清楚的表示出發(fā)動機和電動發(fā)電機MG1、MG2的工作狀態(tài)，從而更有效的幫助我們理解豐田普銳斯的工作原理。

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［3］ 徐禮財.豐田普銳斯油電混合動力系統(tǒng)概述［J］.汽車與配件，2006(25):36－37.

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