豐田卡羅拉雙擎混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和故障案例分析（4）

2.不同工況工作原理

為了實現(xiàn)最低油耗和低排放的目標(biāo)，豐田卡羅拉混合動力系統(tǒng)發(fā)揮電動機(jī)和發(fā)動機(jī)的各自特點。在起動及低速行駛時，豐田卡羅拉混合動力系統(tǒng)僅利用電動機(jī)產(chǎn)生的動力來行駛。因為此時發(fā)動機(jī)的效率不高，通過蓄電池的電力起動車輛后，電動機(jī)就可以提供給車輛所需的動力。車輛在中高速行駛時，發(fā)動機(jī)效率很高，產(chǎn)生的動力不僅驅(qū)動車輪，同時也帶動發(fā)電機(jī)給HV蓄電池充電，保持蓄電池的電量在接近滿格的狀態(tài)。在減速或制動時，豐田卡羅拉混合動力系統(tǒng)以車輪的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將產(chǎn)生的能量回收到HV蓄電池中，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。從起動到制動的工作原理（圖38）。

（1）起動工況

①低速時僅電動機(jī)工作

當(dāng)汽車起動時，豐田卡羅拉混合動力系統(tǒng)僅使用蓄電池提供的電能來工作，這時發(fā)動機(jī)并不運轉(zhuǎn)。因為發(fā)動機(jī)不能在低轉(zhuǎn)速時輸出大扭矩，而電動機(jī)可以靈敏、順暢以及高效地輸出大扭矩。從而在起步時充分利用電動機(jī)的低速扭矩，降低油耗和排放。

圖38 工作原理

圖39 車輛起步時

車輛起步時，PCU動力控制單元會向MG2通電，MG2電機(jī)逆向旋轉(zhuǎn)，帶動車輪正向轉(zhuǎn)動（圖39），車輛緩慢前進(jìn)。當(dāng)稍微用力踩下加速踏板時，MG2會獲得更大的電力，加快齒輪轉(zhuǎn)速，車輛就會加速前進(jìn)。由于MG2功率很大（53 kW），低速扭矩也很大（400 N·m）。在PCU的控制下，車輛加速性能很好，即便只靠MG2也可以把車輛加速到一個比較高的速度。起步過程中充分發(fā)揮了MG2低速高扭的特性，以彌補阿特金森發(fā)動機(jī)低速扭矩不足的特性。

②中高速發(fā)動機(jī)起動

PCU向MG1通電，MG1電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動，并帶動發(fā)動機(jī)起動，整個過程快速且平順。發(fā)動機(jī)起動后，怠速運轉(zhuǎn)，帶動行星齒輪架正向旋轉(zhuǎn)，從而帶動太陽齒輪（MG1）正向旋轉(zhuǎn)（圖40）。MG1產(chǎn)生交流電，經(jīng)PCU里的逆變器和電壓變換器變成低壓直流電并給HV蓄電池充電。怠速時，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的功率將全部用來為HV蓄電池充電。

圖40 發(fā)動機(jī)起動時

圖41 小負(fù)荷加速時

圖42 大負(fù)荷加速時

（2）加速工況

①小負(fù)荷加速

此時，主要靠MG2電機(jī)推動車輪（圖41）。MG1繼續(xù)向MG2供電，并通過PCU向動力HV蓄電池充電。此后，MG2速度繼續(xù)提升，直到車輛達(dá)到目標(biāo)速度。

②大負(fù)荷加速

面對大負(fù)荷加速（如載重起動）等需要大動力的情況?？刂葡到y(tǒng)感知加速踏板的信號，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高，使發(fā)動機(jī)進(jìn)入其動力區(qū)間，輸出功率快速提升。發(fā)動機(jī)的扭矩提升帶動了外齒圈獲得更多動力（圖42）。同時，HV蓄電池也會向MG2電機(jī)供電，使其以最大功率輸出。車輛的加速性能明顯提升。

在重負(fù)載下加速時，發(fā)動機(jī)驅(qū)動MG1發(fā)電并提供驅(qū)動MG2的電能。MG2提供附加的驅(qū)動力用以補充發(fā)動機(jī)動力。HV蓄電池會根據(jù)加速程度給MG2提供電流。

（3）減速工況

在踩下制動踏板和松開加速踏板時，豐田卡羅拉混合動力系統(tǒng)使車輪的旋轉(zhuǎn)力帶動MG2運轉(zhuǎn)，將其作為發(fā)電機(jī)使用。減速時通常作為摩擦熱釋放的能量，在此被轉(zhuǎn)換成電能，回收到HV蓄電池中進(jìn)行再利用。

四、豐田卡羅拉混合動力系統(tǒng)故障案例分析

故障1

故障現(xiàn)象：一輛2016年產(chǎn)豐田卡羅拉混合動力轎車，因偶爾無法行駛而進(jìn)店報修，該車搭載8ZR-FE發(fā)動機(jī)，行駛里程32 100 km。用戶反映該車偶爾出現(xiàn)無法行駛的故障，同時組合儀表上的主警告燈、發(fā)動機(jī)故障燈等多個故障指示燈點亮，且多功能顯示屏提示“混合動力系統(tǒng)故障，換至P擋”（圖43）。

檢查分析：維修人員接車后，首先試車驗證故障現(xiàn)象。踩下制動踏板，按下電源開關(guān)，儀表板上的“READY”指示燈正常點亮，觀察組合儀表，無任何故障指示燈點亮。將擋位置于D擋，車輛能夠正常行駛。與用戶溝通得知，該車半年前發(fā)生過一次碰撞事故，事故維修中曾更換了前保險杠和左前翼子板，自從做過事故維修后，車輛經(jīng)常會出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象，且故障具有一定的偶發(fā)性。

本著科學(xué)診斷的原則，連接診斷儀（GTS）讀取故障碼，無任何故障碼存儲。接著使用多種測試方法讓故障現(xiàn)象重現(xiàn)，在使用高壓水槍對車輛進(jìn)行淋雨測試時，組合儀表上的多個故障指示燈點亮，并且車輛出現(xiàn)無法行駛的故障。

用診斷儀進(jìn)行檢測，讀取的故障碼有：“P0A3F21—電動機(jī)A位置傳感器信號振幅最小”；“P1CAD49電動機(jī)A位置傳感器內(nèi)部電子故障”。經(jīng)查閱維修手冊，得知2個故障碼的設(shè)置條件及故障可能部位，如表1所示。

圖43 組合儀表多功能顯示屏的信息提示

分析表1可知，這2個故障碼均與電機(jī)解析器有關(guān)。查閱維修資料得知，卡羅拉混合動力車的混合動力驅(qū)動橋內(nèi)安裝了2個解析器（圖44），分別監(jiān)測MG1和MG2的轉(zhuǎn)子磁極位置、速度和旋轉(zhuǎn)方向。

圖44 MG1解析器和MG2解析器安裝位置圖

解析器的定子包括3種線圈：勵磁線圈、檢測線圈S和檢測線圈C。解析器的轉(zhuǎn)子呈橢圓形，與MG1、MG2的永磁轉(zhuǎn)子相連接，同步轉(zhuǎn)動，橢圓形轉(zhuǎn)子外圓曲線代表永磁轉(zhuǎn)子磁極位置。帶轉(zhuǎn)換器的MG ECU 將預(yù)定頻率的交流電流輸入勵磁線圈，隨著橢圓形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子的間隙發(fā)生變化，就會在檢測線圈S和檢測線圈C 上感應(yīng)出相位差為90°的正弦、余弦感應(yīng)電流。MG ECU根據(jù)檢測線圈S和檢測線圈C感應(yīng)電流的波形相位、幅值及脈沖次數(shù)，計算出MG1和MG2永磁轉(zhuǎn)子的磁極位置和轉(zhuǎn)速信號，作為MG ECU 對MG1、MG2矢量控制的基礎(chǔ)信號。

當(dāng)轉(zhuǎn)子從特定位置正向旋轉(zhuǎn)180 °時，勵磁線圈、檢測線圈S和檢測線圈C的輸出波形如圖45所示。

根據(jù)上述解析器的工作原理，結(jié)合該車的故障現(xiàn)象分析，當(dāng)MG2解析器輸出信號錯誤時，MG ECU 無法識別MG2的具體位置和轉(zhuǎn)速，使得MG2無法轉(zhuǎn)動，車輛出現(xiàn)無法行駛的故障。

表1 故障碼P0A3F21和故障碼P1CAD49的設(shè)置條件及故障部位

圖45 解析器內(nèi)勵磁線圈、檢測線圈S和檢測線圈C 布局圖及其輸出波形

鑒于車輛之前發(fā)生過碰撞事故，且為間歇性故障，綜合分析，判斷故障可能出在MG2解析器及其相關(guān)的線路上。根據(jù)相關(guān)電路圖（圖46），拆下維修服務(wù)插銷，等待10 min，斷開蓄電池負(fù)極電纜，斷開MG ECU線束插接器B27，用萬用表測量端子5與端子6 之間的電阻（即MG2解析器勵磁線圈的電阻），為13.0 Ω。測量端子1與端子2（檢測線圈S）之間的電阻，為20.5 Ω。測量端子4與端子3（檢測線圈C）之間的電阻，為20.5 Ω，與維修手冊的標(biāo)準(zhǔn)值基本相符。

圖46 MG2解析器相關(guān)電路圖

依次測量MG ECU線束插接器B27端子1、端子2、端子3、端子4、端子5、端子6與車身搭鐵之間的電阻，均大于1.0×106Ω，正常。將插接器B27 復(fù)位，連接蓄電池負(fù)極電纜，插上維修服務(wù)插銷，按下電源開關(guān)，組合儀表上的多個故障指示燈熄滅，車輛又能夠正常行駛。

重新整理之前的維修思路，決定再次使用高壓水槍對車輛進(jìn)行淋雨測試，故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)。立即用高壓氣槍將發(fā)動機(jī)艙內(nèi)及底盤部件上的水進(jìn)行局部吹干，從而劃分區(qū)域進(jìn)行排查。當(dāng)清理MG 2解析器線束插接器上的水時，發(fā)現(xiàn)插接器內(nèi)部滲水，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)防水密封套已缺失，懷疑與之前的事故維修有關(guān)。

推測在下雨天，雨水順著線束慢慢滲入到MG2解析器的插接器內(nèi)部，使得解析器信號線出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致車輛無法行駛。仔細(xì)檢查MG2解析器端子，發(fā)現(xiàn)端子已經(jīng)出現(xiàn)輕微的氧化腐蝕。

故障排除：使用除銹劑清理MG2解析器端子上的氧化物，并更換MG2解析器插接器。用診斷儀清除故障碼，再次使用高壓水槍對車輛進(jìn)行淋雨測試，故障現(xiàn)象不再出現(xiàn)，于是將車輛交還給用戶。1個月后對用戶進(jìn)行電話回訪，用戶反映車輛一切正常，至此，故障徹底排除。

（待續(xù)）