雙擎卡羅拉THS技術(shù)解析—控制篇(一)

◆文/江蘇 高惠民

雙擎卡羅拉THS技術(shù)解析—控制篇(一)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會(huì)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(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運(yùn)用系專家委員，高級(jí)技師。

混合動(dòng)力汽車是由機(jī)電部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其性能受到很多學(xué)科交叉又內(nèi)在聯(lián)系的因素的影響，如現(xiàn)代控制技術(shù)和控制策略在混合動(dòng)力技術(shù)中起著重要作用?；旌蟿?dòng)力汽車的總體目標(biāo)就是盡可能的提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放量，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，一些關(guān)鍵的系統(tǒng)變量必須進(jìn)行最優(yōu)化的管理，包括系統(tǒng)主要的能量流、能量功率的可用性、子系統(tǒng)的溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。本文將以豐田雙擎卡羅拉THS-II系統(tǒng)為例，對(duì)混合動(dòng)力汽車的一些典型工況和控制問(wèn)題進(jìn)行分析介紹。

一、不同工況下混合動(dòng)力系統(tǒng)工作狀況

雙擎卡羅拉THS-II系統(tǒng)屬于混聯(lián)式輸入功率分流型混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了豐田汽車公司具有發(fā)明專利的雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力車輛傳動(dòng)橋，傳動(dòng)橋能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)無(wú)級(jí)變速功能CVT -(Eleetriccontinuously Variable TransmissionE)，構(gòu)型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 THS-II雙排行星齒輪傳動(dòng)橋構(gòu)型圖

從構(gòu)型圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)扭轉(zhuǎn)減振阻尼器與前排行星架相連，前排太陽(yáng)輪與電機(jī)MG1相連，后排太陽(yáng)輪與電機(jī)MG2相連，后排行星架固定，因此電機(jī)MG2將動(dòng)力以固定傳動(dòng)比傳輸給后排齒圈。而前排齒圈與后排齒圈相連為復(fù)合齒圈，動(dòng)力在此處實(shí)現(xiàn)耦合，然后一起輸出給中間軸減速齒輪組至車輪，圖2為THS-II雙排行星齒輪杠桿模型。

圖2 THS-II雙排行星齒輪杠桿模型

這種傳動(dòng)橋在上一代THS傳動(dòng)橋的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)后排行星齒輪機(jī)構(gòu)，由原來(lái)的四軸結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加緊湊。MG2輸出扭矩通過(guò)后排行星齒輪機(jī)構(gòu)減速增扭作用，顯著提高了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩輸出能力。

傳動(dòng)橋復(fù)合齒輪處的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩可以用列線圖(杠桿圖)來(lái)表示，如圖3傳動(dòng)橋行星齒輪列線圖所示。

圖3 THS-II行星齒輪列線圖

圖3 中K1表示動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的特征參數(shù)，K2表示電機(jī)MG2減速行星齒輪機(jī)構(gòu)的特征參數(shù)。

通過(guò)列線圖直觀地反映行星齒輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和扭矩的矢量關(guān)系，從而可以判斷電機(jī)MG1、MG2的工作狀態(tài)(駕駛工況)，并且根據(jù)故障發(fā)生時(shí)存儲(chǔ)的FFD(定格數(shù)據(jù))，分析在何種駕駛工況。列線圖的縱軸表示旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，縱軸的間距表示傳動(dòng)比。箭頭表示扭矩方向(如果MG1和MG2的旋轉(zhuǎn)方向和扭矩方向相同，則系統(tǒng)處于放電狀態(tài)，作為電動(dòng)機(jī)工作。如果方向相反，則系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，作為發(fā)電機(jī)工作)。

了便于對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略研究分析，下面按照車輛啟動(dòng)、起步、加速、勻速、滑行、減速/制動(dòng)和倒車駕駛工況進(jìn)行試驗(yàn)，獲得各動(dòng)力部件的工作狀況數(shù)據(jù)。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)

將車輛選擋桿置于P擋位，電源開關(guān)處于ON位置，儀表顯示屏上綠色READY指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)如果HV蓄電池SOC在目標(biāo)控制值范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。如果HV蓄電池放電(如使用空調(diào)等電負(fù)荷)，SOC降到40%以下，MG1作為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)到1 200r/min左右，發(fā)動(dòng)機(jī)開始噴油啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)MG1運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，對(duì)HV蓄電池進(jìn)行充電，SOC達(dá)到50%以上狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)充電動(dòng)力流分配(圖4)，圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)充電時(shí)的數(shù)據(jù)流。2.車輛起步

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)充電工況動(dòng)力流分配圖

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)充電工況的數(shù)據(jù)流

車輛起步時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，由MG2拖動(dòng)車輛，MG1隨動(dòng)不產(chǎn)生扭矩(電機(jī)零扭矩控制如圖6所示，由于電機(jī)MG1處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生電壓，如果電壓高于電源電壓，從而有電流流動(dòng)，為使電機(jī)MG1產(chǎn)生的電壓偏置，逆變器將IGBT切換至ON狀態(tài)，防止電流流動(dòng)，電機(jī)MG1無(wú)扭矩輸出)。

圖6 電機(jī)零扭矩控制

當(dāng)功率需求達(dá)到一定值時(shí)，MG1立即拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。然后MG1發(fā)電供給MG2電能或向HV電池充電。根據(jù)電池SOC的不同，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)刻也不同。車輛起步工況，THS處于串聯(lián)模式。動(dòng)力流分配如圖7所示，圖8是車輛起步時(shí)的數(shù)據(jù)流。

圖7 車輛起步純電動(dòng)行駛工況動(dòng)力流分配

3.加速

隨著加速踏板瞬間開度的加大，由發(fā)動(dòng)機(jī)和MG2產(chǎn)生的動(dòng)力共同拖動(dòng)車輛加速。由于MG2的助力作用，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突變的過(guò)程中基本不存在瞬態(tài)加濃過(guò)程，仍舊運(yùn)行的最佳油耗線上，在而MG1一直處于發(fā)電狀態(tài)，增加MG2的扭矩。車輛加速，THS處于并聯(lián)模式。動(dòng)力流分配如圖9所示，圖10是車輛加速時(shí)的數(shù)據(jù)流。

圖8 車輛起步純電動(dòng)行駛工況數(shù)據(jù)流

圖9 車輛加速工況動(dòng)力流分配圖

圖10 車輛加速工況數(shù)據(jù)流

4.勻速

圖11是車輛100km/h勻速工況數(shù)據(jù)流。由于此時(shí)的HV電池SOC為61.56%，電池充電需求為零，車輛功率需求恒定。而MG1作為調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工況點(diǎn)和扭矩分配。而MG2正向旋轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能供給MG1運(yùn)轉(zhuǎn)。在車輛勻速行駛時(shí)，HV電池是否充電首先取決于SOC，另外與MG2轉(zhuǎn)速和輸出電壓有關(guān)，這是THS的“特異模式”。車輛勻速工況動(dòng)力流分配如圖12所示。

圖11 車輛勻速工況數(shù)據(jù)流

圖12 車輛勻速工況動(dòng)力流分配圖

(未完待續(xù))