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

趙寶平 劉靜 武文娟

編者按：在能源危機(jī)和環(huán)保要求的壓力下，社會(huì)對(duì)汽車(chē)燃料和排放的要求越來(lái)越高，很多國(guó)家部在大力發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)，但是純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)目前還不成熟。而混合動(dòng)力汽車(chē)既能減少能源的消耗，又可以達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，所以很多車(chē)企也在研究混合動(dòng)力技術(shù)。目前豐田的混動(dòng)技術(shù)得到了汽車(chē)界的認(rèn)可，本文介紹卡羅拉混合動(dòng)力車(chē)型的混動(dòng)技術(shù)。

2.不同工況工作原理

為了實(shí)現(xiàn)最低油耗和低排放的目標(biāo)，豐田卡羅拉混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)揮電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的各自特點(diǎn)。在起動(dòng)及低速行駛時(shí)，豐田卡羅拉混合動(dòng)力系統(tǒng)僅利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)行駛。因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率不高，通過(guò)蓄電池的電力起動(dòng)車(chē)輛后，電動(dòng)機(jī)就可以提供給車(chē)輛所需的動(dòng)力。車(chē)輛在中高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)效率很高，產(chǎn)生的動(dòng)力不僅驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，同時(shí)也帶動(dòng)發(fā)電機(jī)給HV蓄電池充電，保持蓄電池的電量在接近滿(mǎn)格的狀態(tài)。在減速或制動(dòng)時(shí)，豐田卡羅拉混合動(dòng)力系統(tǒng)以車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)到制動(dòng)的工作原理（圖38）。

（1）起動(dòng)工況

①低速時(shí)僅電動(dòng)機(jī)工作

當(dāng)汽車(chē)起動(dòng)時(shí)，豐田卡羅拉混合動(dòng)力系統(tǒng)僅使用蓄電池提供的電能來(lái)工作，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)并不運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)不能在低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出大扭矩，而電動(dòng)機(jī)可以靈敏、順暢以及高效地輸出大扭矩。從而在起步時(shí)充分利用電動(dòng)機(jī)的低速扭矩，降低油耗和排放。

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

②中高速發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)

PCU向MGl通電，MGl電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，整個(gè)過(guò)程快速且平順。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)行星齒輪架正向旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)太陽(yáng)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率將全部用來(lái)為HV蓄電池充電。

（2）加速工況

①小負(fù)荷加速

此時(shí)，主要靠MG2電機(jī)推動(dòng)車(chē)輪（圖41）。MG1繼續(xù)向MG2供電，并通過(guò)PCU向動(dòng)力HV蓄電池充電。此后，MG2速度繼續(xù)提升，直到車(chē)輛達(dá)到目標(biāo)速度。

②大負(fù)荷加速

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

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

（3）減速工況

在踩下制動(dòng)踏板和松開(kāi)加速踏板時(shí)，豐田卡羅拉混合動(dòng)力系統(tǒng)使車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)力帶動(dòng)MG2運(yùn)轉(zhuǎn)，將其作為發(fā)電機(jī)使用。減速時(shí)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(dòng)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(dòng)力轎車(chē)，因偶爾無(wú)法行駛而進(jìn)店報(bào)修，該車(chē)搭載8ZR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)，行駛里程32100km。用戶(hù)反映該車(chē)偶爾出現(xiàn)無(wú)法行駛的故障，同時(shí)組合儀表上的主警告燈、發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈等多個(gè)故障指示燈點(diǎn)亮，且多功能顯示屏提示“混合動(dòng)力系統(tǒng)故障，換至P擋”（圖43）。

檢查分析：維修人員接車(chē)后，首先試車(chē)驗(yàn)證故障現(xiàn)象。踩下制動(dòng)踏板，按下電源開(kāi)關(guān)，儀表板上的“READY”指示燈正常點(diǎn)亮，觀察組合儀表，無(wú)任何故障指示燈點(diǎn)亮。將擋位置于D擋，車(chē)輛能夠正常行駛。與用戶(hù)溝通得知，該車(chē)半年前發(fā)生過(guò)一次碰撞事故，事故維修中曾更換了前保險(xiǎn)杠和左前翼子板，自從做過(guò)事故維修后，車(chē)輛經(jīng)常會(huì)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(wú)任何故障碼存儲(chǔ)。接著使用多種測(cè)試方法讓故障現(xiàn)象重現(xiàn)，在使用高壓水槍對(duì)車(chē)輛進(jìn)行淋雨測(cè)試時(shí)，組合儀表上的多個(gè)故障指示燈點(diǎn)亮，并且車(chē)輛出現(xiàn)無(wú)法行駛的故障。

用診斷儀進(jìn)行檢測(cè)，讀取的故障碼有：“POA3F21——電動(dòng)機(jī)A位置傳感器信號(hào)振幅最小”;“P1CAD49電動(dòng)機(jī)A位置傳感器內(nèi)部電子故障”。經(jīng)查閱維修手冊(cè)，得知2個(gè)故障碼的設(shè)置條件及故障可能部位，如表1所示。

分析表1可知，這2個(gè)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(dòng)力車(chē)的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)安裝了2個(gè)解析器（圖44），分別監(jiān)測(cè)MG1和MG2的轉(zhuǎn)子磁極位置、速度和旋轉(zhuǎn)方向。

解析器的定子包括3種線(xiàn)圈：勵(lì)磁線(xiàn)圈、檢測(cè)線(xiàn)圈S和檢測(cè)線(xiàn)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(dòng)，橢圓形轉(zhuǎn)子外圓曲線(xiàn)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(lì)磁線(xiàn)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(huì)在檢測(cè)線(xiàn)圈S和檢測(cè)線(xiàn)圈C上感應(yīng)出相位差為90°的正弦、余弦感應(yīng)電流。MGECU根據(jù)檢測(cè)線(xiàn)圈S和檢測(cè)線(xiàn)圈C感應(yīng)電流的波形相位、幅值及脈沖次數(shù)，計(jì)算出MG1和MG2永磁轉(zhuǎn)子的磁極位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)，作為MGECU對(duì)MG1、MG2矢量控制的基礎(chǔ)信號(hào)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子從特定位置正向旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，勵(lì)磁線(xiàn)圈、檢測(cè)線(xiàn)圈S和檢測(cè)線(xiàn)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(chē)的故障現(xiàn)象分析，當(dāng)MG2解析器輸出信號(hào)錯(cuò)誤時(shí)，MG ECU無(wú)法識(shí)別MG2的具體位置和轉(zhuǎn)速，使得MG2無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輛出現(xiàn)無(wú)法行駛的故障。

鑒于車(chē)輛之前發(fā)生過(guò)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(xiàn)路上。根據(jù)相關(guān)電路圖（圖46），拆下維修服務(wù)插銷(xiāo)，等待10min，斷開(kāi)蓄電池負(fù)極電纜，斷開(kāi)MG ECU線(xiàn)束插接器B27，用萬(wàn)用表測(cè)量端子5與端子6之間的電阻（即MG2解析器勵(lì)磁線(xiàn)圈的電阻），為13.0Ω。測(cè)量端子1與端子2（檢測(cè)線(xiàn)圈S）之間的電阻，為20.5Ω。測(cè)量端子4與端子3（檢測(cè)線(xiàn)圈C）之間的電阻，為20.5Ω，與維修手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)值基本相符。

依次測(cè)量MG ECU線(xiàn)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(chē)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(xiāo)，按下電源開(kāi)關(guān)，組合儀表上的多個(gè)故障指示燈熄滅，車(chē)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(duì)車(chē)輛進(jìn)行淋雨測(cè)試，故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)。立即用高壓氣槍將發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)及底盤(pán)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M G 2解析器線(xiàn)束插接器上的水時(shí)，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(cè)在下雨天，雨水順著線(xiàn)束慢慢滲入到MG2解析器的插接器內(nèi)部，使得解析器信號(hào)線(xiàn)出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)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(duì)車(chē)輛進(jìn)行淋雨測(cè)試，故障現(xiàn)象不再出現(xiàn)，于是將車(chē)輛交還給用戶(hù)。1個(gè)月后對(duì)用戶(hù)進(jìn)行電話(huà)回訪，用戶(hù)反映車(chē)輛一切正常，至此，故障徹底排除。

（待續(xù)）