雙擎卡羅拉THS技術(shù)解析—控制篇(三)

◆文/江蘇 高惠民

雙擎卡羅拉THS技術(shù)解析—控制篇(三)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會委員)

現(xiàn)任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學(xué)院、常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

(接上期)

⑴駕駛員請求扭矩計算

根據(jù)加速踏板位置和車速計算目標(biāo)軸驅(qū)動扭矩。

⑵駕駛員請求輸出功率計算

根據(jù)駕駛員請求扭矩和車速計算目標(biāo)功率輸出，與⑴的計算方法類似。

⑶所需發(fā)動機輸出功率計算

所需HV蓄電池充電功率與⑵計算所得的駕駛員請求輸出功率相加即可確定所需發(fā)動機輸出功率。

⑷發(fā)動機啟動判斷

根據(jù)工作狀況和所需發(fā)動機輸出功率⑶，判斷是否需要啟動發(fā)動機。

⑸目標(biāo)發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算

THS-II發(fā)動機以高效發(fā)動機工作線工作。發(fā)動機工作線與發(fā)動機輸出功率(所需發(fā)動機輸出功率)的交點為目標(biāo)發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

⑹發(fā)動機控制

根據(jù)所需發(fā)動機輸出功率⑶和目標(biāo)發(fā)動機轉(zhuǎn)速⑸的計算結(jié)果執(zhí)行發(fā)動機噴油、點火、ETCS-i和VVT-i控制等。

⑺目標(biāo)MG1轉(zhuǎn)速計算

根據(jù)MG2轉(zhuǎn)速和目標(biāo)發(fā)動機轉(zhuǎn)速⑸計算目標(biāo)MG1轉(zhuǎn)速。

⑻MG1扭矩控制

根據(jù)MG1轉(zhuǎn)速傳感器(解析器)信號，控制MG1扭矩以達到MG1目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

⑼直接發(fā)動機轉(zhuǎn)矩計算

根據(jù)⑻計算所得的MG1扭矩計算發(fā)動機輸出的驅(qū)動扭矩(根據(jù)列線表，基于MG1扭矩可得知車橋處的直接發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩)。

⑽MG2扭矩指令值計算

根據(jù)駕駛員請求扭矩⑴和直接發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩⑼計算MG2扭矩指令值。如果電動機的轉(zhuǎn)矩大于車輛需要的驅(qū)動扭矩，發(fā)動機就會停止工作，車輛僅靠HV蓄電池的能量輸出完成行駛(EV行駛模式)，如果電動機轉(zhuǎn)矩小于車輛需要的驅(qū)動扭矩，發(fā)動機就會啟動運轉(zhuǎn)，獨立驅(qū)動，或者在車輛需要更大扭矩時，發(fā)動機與電動機并行運轉(zhuǎn)驅(qū)動。

2.發(fā)動機啟?？刂?/p>

混合動力系統(tǒng)對發(fā)動機進行啟動/停止的切換控制，使發(fā)動機工作在最佳效率工況范圍內(nèi)，目的是改善燃油消耗，發(fā)動機啟動運轉(zhuǎn)條件如表2所示。

表2 發(fā)動機運轉(zhuǎn)條件(車輛停止時)

但曲軸回轉(zhuǎn)時，在特定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，發(fā)動機扭矩脈沖與傳動橋產(chǎn)生共振，導(dǎo)致車輛振動。通過下列控制措施可以減小發(fā)動機啟停的振動問題。

(1)通過縮短動力重心與轉(zhuǎn)動彈性軸之間的距離，增加扭振減振阻尼器等方法，改進發(fā)動機的懸置問題。

(2)采用電子控制技術(shù)，推遲點火提前角，延遲進氣門關(guān)閉時間，控制燃油噴射量等措施來改善發(fā)動機的燃燒，從而降低振動和噪聲。

(3)發(fā)動機扭矩脈沖補償控制。根據(jù)發(fā)動機的扭矩脈沖，設(shè)計MG1電機和HV電池有足夠的輸出功率，短時間迅速拖動發(fā)動機啟動(發(fā)動機轉(zhuǎn)速被拖到1 000～1 200r/min時開始噴油啟動)。發(fā)動機在低速轉(zhuǎn)動時的扭矩脈沖中，與慣性力脈沖相比，壓縮/膨脹空氣過程的脈沖起主要作用。因此只要在發(fā)動機熄火時，通過控制電機MG1的旋轉(zhuǎn)角度，把活塞停止位置控制在進氣門關(guān)閉的上止點曲軸轉(zhuǎn)角位置，能較好地控制發(fā)動機啟動時的振動。

(4)驅(qū)動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動補償。用速度傳感器測得車輪轉(zhuǎn)速，通過與傳動橋的輸出軸轉(zhuǎn)速比較作差，反饋進行電動機MG2扭矩控制從而抑制驅(qū)動系統(tǒng)的扭矩振動。圖21為混合動力車輛減振控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成。與普通控制器結(jié)合使用實現(xiàn)減振控制。從圖22看得出混合動力車輛在純電動行駛中，快速踩下加速踏板，發(fā)動機啟動時，減振控制能很大程度地改善驅(qū)動系統(tǒng)振動的效果。

圖21 混合動力車輛減振控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成

圖22 快速踩下加速踏板時驅(qū)動系統(tǒng)振動抑制效果

三、再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制

再生制動是混合動力汽車的重要工作模式，它能在汽車減速或下坡時，根據(jù)油門踏板與制動踏板信號，保證車輛制動能性不變前提下，通過驅(qū)動電機當(dāng)作發(fā)電機運行。再生制動的作用是：

(1)將汽車的動能和位能變成電能回收到混合動力系統(tǒng)的儲能裝置中。

(2)利用驅(qū)動電機當(dāng)作發(fā)電機運行時產(chǎn)生的電磁阻力用來制動減速，起到減少制動摩擦片的磨損和節(jié)能的效果，雙擎卡羅拉可以回收大約30%的再生制動能量。圖23為再生制動系統(tǒng)控制。

圖23 車輛再生制動系統(tǒng)圖

當(dāng)駕駛員踩制動踏板，希望減速時，制動防滑控制ECU，根據(jù)制動踏板位置和踏板力的大小(制動主缸油壓的大小)指令液壓制動執(zhí)行器實時對前后車輪進行制動力的分配，使車輛減速。緊接著再生制動系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，輸出大部分再生制動力矩，當(dāng)車輛減速到要停止時，再生制動矩下降到接近零，此時，液壓制動力又起主要作用，使車輛停止行駛。圖24所示為液壓制動和再生制動之間的制動力分配。

再生制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制還必須滿足如下要求：

(1)發(fā)動機停止工作不影響制動力；

(2)車輛制動時需要實時調(diào)整液壓缸的油壓，液壓制動時要盡量避免振動和噪聲的產(chǎn)生；

(3)液壓制動時，對制動踏板行程感覺沒有影響；

(4)由于要實時進行電子制動力控制，要求系統(tǒng)具有故障警告功能和系統(tǒng)失效保護功能。

圖24 車輛液壓制動和再生制動之間的制動力分配

四、HVECU控制功能

雙擎卡羅拉混合動力系統(tǒng)的電子控制單元(ECU)構(gòu)成(圖25)。

HV ECU的功能包括驅(qū)動力指令、診斷、安全警示等?；旌蟿恿刂葡到y(tǒng)是一套線控(ByWire)系統(tǒng)。當(dāng)構(gòu)成的零部件發(fā)生故障時，為了防止駕駛員的意愿與車輛發(fā)生沖突，需要及時、準(zhǔn)確的安全警示，具體要求如下：

(1)系統(tǒng)的構(gòu)成要充分考慮安全警示的功能；

(2)檢測異常情況的功能；

(3)發(fā)生異常情況時系統(tǒng)限制輸出或停止運行。

圖25 雙擎卡羅拉混合動力ECU構(gòu)成圖

1.輸出限制控制

HV ECU限制輸出項目如表3所示。

表3 HV ECU限制輸出項目

(1)HV蓄電池輸出受限時的行駛性能

如果HV蓄電池輸出受限，則行駛性能明顯低于正常水平。特別是在駕駛過程中完全踩下加速踏板時會感到行駛性能下降(圖26)。

圖26 限制驅(qū)動力輸出示意圖

①SOC低時

SOC低時，WOUT(放電功率最大值)將會降低以限制HV蓄電池輸出。WIN(功率輸入)：充電功率最大值。WOUT(功率輸出)：放電功率最大值(圖27)。

圖27 HV蓄電池SOC低值時限制驅(qū)動力輸出示意圖

②HV蓄電池溫度高或低

HV蓄電池溫度低或高時，HV蓄電池輸出受到限制。高負(fù)載行駛可能會導(dǎo)致HV蓄電池溫度升高，但這并不表示故障。發(fā)動機冷機時，將車輛電源開關(guān)剛置于READY-ON狀態(tài)后，HV蓄電池溫度變低，其輸出將降低。HV蓄電池溫度過高可能是由于冷卻風(fēng)扇故障或冷氣進氣口阻塞所致(圖28)。

圖28 HV蓄電池溫度過高或低限制驅(qū)動力輸出示意圖

(2)逆變器、增壓轉(zhuǎn)換器、MG1或MG2溫度高

逆變器、增壓轉(zhuǎn)換器、MG1或MG2的溫度超過規(guī)定值時，HV蓄電池輸出或電機輸出扭矩受到限制。增壓轉(zhuǎn)換器溫度高時，HV蓄電池輸出受到限制。逆變器、MG1或MG2溫度高時，電機輸出扭矩受到限制(圖29)。輸出受限期間，多信息顯示屏上顯示“HYBRID SYSTEM OVERHEAT”(混合動力系統(tǒng)過熱)以告知駕駛員由于高溫而使輸出受到限制。

導(dǎo)致高溫的可能原因：低速爬坡或操作加速踏板以使車輛在斜坡上停止；極陡峭的上坡路或車速驟變；冷卻系統(tǒng)故障(帶電動機的HV水泵故障、冷卻液泄漏、堵塞等)。

2.失效保護控制

HV ECU根據(jù)混合動力系統(tǒng)發(fā)生的故障，執(zhí)行以下失效保護驅(qū)動模式(圖29)。

⑴MG1故障，依靠MG2驅(qū)動

如果MG1不能工作，則發(fā)動機無法啟動。在這種情況下，可通過MG2驅(qū)動車輛。如果發(fā)動機啟動后，MG1發(fā)生故障，則無法將來自發(fā)動機的動力傳輸至車輪(因為要將發(fā)動機的動力傳輸至輪胎，需要向MG1施加負(fù)扭矩)，導(dǎo)致發(fā)動機不能驅(qū)動車輛(圖30)。

⑵MG2故障，依靠發(fā)動機驅(qū)動

MG2無法工作時，可使用發(fā)動機驅(qū)動車輛，MG1發(fā)電運行(施加負(fù)扭矩)，將來自發(fā)動機的動力傳輸至車輪。但是，由于MG2不消耗電能，因此MG1持續(xù)對HV蓄電池充電。但HV蓄電池SOC達到上限值后，MG1進入零扭矩控制，發(fā)動機動力不可能再驅(qū)動車輛(圖31)。

五、驅(qū)動功率實例計算

下列是雙擎卡羅拉的瞬時加速工況數(shù)據(jù)(參考圖10車輛加速工況數(shù)據(jù)流)：

發(fā)動機轉(zhuǎn)速：2 944r/min發(fā)動機執(zhí)行功率：31.2kW

MG1轉(zhuǎn)速：6 116r/minMG1扭矩：-27.38N·m

MG2轉(zhuǎn)速：4 615r/minMG2扭矩33.5N·m

車輛主減速器傳動比3.267輪胎半徑0.316m(規(guī)格205/55R16)

求：1.發(fā)動機扭矩；2.輸出轉(zhuǎn)速；3.輸出扭矩；4.車輛瞬時速度。

2.輸出轉(zhuǎn)速：用列線圖求得(如圖32所示復(fù)合齒圈轉(zhuǎn)速)

公式中Tout：復(fù)合齒圈處輸出扭矩；Te：發(fā)動機扭矩。

公式中V：車輛瞬時速度(km)；r:輪胎半徑(m)；Ne：發(fā)動機轉(zhuǎn)速r/min；i：車輛主減速器傳動比。

圖29 逆變器、增壓轉(zhuǎn)換器、MG1或MG2溫度過高限制驅(qū)動力輸出示意圖

圖31 MG2故障失效保護

圖30 MG1故障失效保護

圖32 復(fù)合齒圈轉(zhuǎn)速計算列線圖

(全文完)