◆文/江蘇 高惠民

雙擎卡羅拉THS技術解析—控制篇(一)

◆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有限公司技術總監(jiān)，江蘇技術師范學院、常州機電職業(yè)技術學院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

混合動力汽車是由機電部件組成的復雜系統(tǒng)，其性能受到很多學科交叉又內在聯(lián)系的因素的影響，如現(xiàn)代控制技術和控制策略在混合動力技術中起著重要作用?；旌蟿恿ζ嚨目傮w目標就是盡可能的提高燃油經濟性和減少排放量，為了實現(xiàn)這個目標，一些關鍵的系統(tǒng)變量必須進行最優(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)動機和電動機的動力學特性。本文將以豐田雙擎卡羅拉THS-II系統(tǒng)為例，對混合動力汽車的一些典型工況和控制問題進行分析介紹。

一、不同工況下混合動力系統(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構的混合動力車輛傳動橋，傳動橋能實現(xiàn)電動無級變速功能CVT -(Eleetriccontinuously Variable TransmissionE)，構型簡圖如圖1所示。

圖1 THS-II雙排行星齒輪傳動橋構型圖

從構型圖中可以看出，發(fā)動機通過扭轉減振阻尼器與前排行星架相連，前排太陽輪與電機MG1相連，后排太陽輪與電機MG2相連，后排行星架固定，因此電機MG2將動力以固定傳動比傳輸給后排齒圈。而前排齒圈與后排齒圈相連為復合齒圈，動力在此處實現(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

這種傳動橋在上一代THS傳動橋的基礎上增加了一個后排行星齒輪機構，由原來的四軸結構變?yōu)槿S結構，結構更加緊湊。MG2輸出扭矩通過后排行星齒輪機構減速增扭作用，顯著提高了驅動電機的扭矩輸出能力。

傳動橋復合齒輪處的輸出轉速和扭矩可以用列線圖(杠桿圖)來表示，如圖3傳動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表示動力分配行星齒輪機構的特征參數(shù)，K2表示電機MG2減速行星齒輪機構的特征參數(shù)。

通過列線圖直觀地反映行星齒輪機構的轉速和扭矩的矢量關系，從而可以判斷電機MG1、MG2的工作狀態(tài)(駕駛工況)，并且根據(jù)故障發(fā)生時存儲的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方向和轉速，縱軸的間距表示傳動比。箭頭表示扭矩方向(如果MG1和MG2的旋轉方向和扭矩方向相同，則系統(tǒng)處于放電狀態(tài)，作為電動機工作。如果方向相反，則系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，作為發(fā)電機工作)。

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

1.發(fā)動機啟動

將車輛選擋桿置于P擋位，電源開關處于ON位置，儀表顯示屏上綠色READY指示燈點亮，此時如果HV蓄電池SOC在目標控制值范圍，發(fā)動機處于停止狀態(tài)。如果HV蓄電池放電(如使用空調等電負荷)，SOC降到40%以下，MG1作為電動機拖動發(fā)動機到1 200r/min左右，發(fā)動機開始噴油啟動，發(fā)動機啟動后，發(fā)動機動力用于驅動MG1運轉發(fā)電，對HV蓄電池進行充電，SOC達到50%以上狀態(tài)，發(fā)動機停止工作。發(fā)動機啟動充電動力流分配(圖4)，圖5為發(fā)動機啟動充電時的數(shù)據(jù)流。2.車輛起步

圖4 發(fā)動機啟動充電工況動力流分配圖

圖5 發(fā)動機啟動充電工況的數(shù)據(jù)流

車輛起步時，發(fā)動機停止工作，由MG2拖動車輛，MG1隨動不產生扭矩(電機零扭矩控制如圖6所示，由于電機MG1處于旋轉狀態(tài)，會產生電壓，如果電壓高于電源電壓，從而有電流流動，為使電機MG1產生的電壓偏置，逆變器將IGBT切換至ON狀態(tài)，防止電流流動，電機MG1無扭矩輸出)。

圖6 電機零扭矩控制

當功率需求達到一定值時，MG1立即拖動發(fā)動機啟動。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)動機啟動的時刻也不同。車輛起步工況，THS處于串聯(lián)模式。動力流分配如圖7所示，圖8是車輛起步時的數(shù)據(jù)流。

圖7 車輛起步純電動行駛工況動力流分配

3.加速

隨著加速踏板瞬間開度的加大，由發(fā)動機和MG2產生的動力共同拖動車輛加速。由于MG2的助力作用，在發(fā)動機轉速突變的過程中基本不存在瞬態(tài)加濃過程，仍舊運行的最佳油耗線上，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。動力流分配如圖9所示，圖10是車輛加速時的數(shù)據(jù)流。

圖8 車輛起步純電動行駛工況數(shù)據(jù)流

圖9 車輛加速工況動力流分配圖

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作為調速電動機調整發(fā)動機的工況點和扭矩分配。而MG2正向旋轉為發(fā)電機，產生電能供給MG1運轉。在車輛勻速行駛時，HV電池是否充電首先取決于SOC，另外與MG2轉速和輸出電壓有關，這是THS的“特異模式”。車輛勻速工況動力流分配如圖12所示。

圖11 車輛勻速工況數(shù)據(jù)流

圖12 車輛勻速工況動力流分配圖

(未完待續(xù))