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,豐田卡羅拉混合動力系統(tǒng)發(fā)揮電動機和發(fā)動機的各自特點。在起動及低速行駛時,豐田卡羅拉混合動力系統(tǒng)僅利用電動機產(chǎn)生的動力來行駛。因為此時發(fā)動機的效率不高,通過蓄電池的電力起動車輛后,電動機就可以提供給車輛所需的動力。車輛在中高速行駛時,發(fā)動機效率很高,產(chǎn)生的動力不僅驅動車輪,同時也帶動發(fā)電機給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)以車輪的旋轉力驅動發(fā)電機發(fā)電,將產(chǎn)生的能量回收到HV蓄電池中,從而達到節(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低速時僅電動機工作
當汽車起動時,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)動機并不運轉。因為發(fā)動機不能在低轉速時輸出大扭矩,而電動機可以靈敏、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電機逆向旋轉,帶動車輪正向轉動(圖39),車輛緩慢前進。當稍微用力踩下加速踏板時,MG2會獲得更大的電力,加快齒輪轉速,車輛就會加速前進。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)動機低速扭矩不足的特性。
②中高速發(fā)動機起動
PCU向MG1通電,MG1電機順時針轉動,并帶動發(fā)動機起動,整個過程快速且平順。發(fā)動機起動后,怠速運轉,帶動行星齒輪架正向旋轉,從而帶動太陽齒輪(MG1)正向旋轉(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)動機產(chǎn)生的功率將全部用來為HV蓄電池充電。
圖40 發(fā)動機起動時
圖41 小負荷加速時
圖42 大負荷加速時
(2)加速工況
①小負荷加速
此時,主要靠MG2電機推動車輪(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,直到車輛達到目標速度。
②大負荷加速
面對大負荷加速(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)動機轉速提高,使發(fā)動機進入其動力區(qū)間,輸出功率快速提升。發(fā)動機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。
在重負載下加速時,發(fā)動機驅動MG1發(fā)電并提供驅動MG2的電能。MG2提供附加的驅動力用以補充發(fā)動機動力。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)使車輪的旋轉力帶動MG2運轉,將其作為發(fā)電機使用。減速時通常作為摩擦熱釋放的能量,在此被轉換成電能,回收到HV蓄電池中進行再利用。
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店報修,該車搭載8ZR-FE發(fā)動機,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,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。
用診斷儀進行檢測,讀取的故障碼有:“P0A3F21—電動機A位置傳感器信號振幅最小”;“P1CAD49電動機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個故障碼均與電機解析器有關。查閱維修資料得知,卡羅拉混合動力車的混合動力驅動橋內(nèi)安裝了2個解析器(圖44),分別監(jiān)測MG1和MG2的轉子磁極位置、速度和旋轉方向。
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。解析器的轉子呈橢圓形,與MG1、MG2的永磁轉子相連接,同步轉動,橢圓形轉子外圓曲線代表永磁轉子磁極位置。帶轉換器的MG ECU 將預定頻率的交流電流輸入勵磁線圈,隨著橢圓形轉子的旋轉,轉子和定子的間隙發(fā)生變化,就會在檢測線圈S和檢測線圈C 上感應出相位差為90°的正弦、余弦感應電流。MG ECU根據(jù)檢測線圈S和檢測線圈C感應電流的波形相位、幅值及脈沖次數(shù),計算出MG1和MG2永磁轉子的磁極位置和轉速信號,作為MG ECU 對MG1、MG2矢量控制的基礎信號。
當轉子從特定位置正向旋轉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,結合該車的故障現(xiàn)象分析,當MG2解析器輸出信號錯誤時,MG ECU 無法識別MG2的具體位置和轉速,使得MG2無法轉動,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解析器及其相關的線路上。根據(jù)相關電路圖(圖46),拆下維修服務插銷,等待10 min,斷開蓄電池負極電纜,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,與維修手冊的標準值基本相符。
圖46 MG2解析器相關電路圖
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 復位,連接蓄電池負極電纜,插上維修服務插銷,按下電源開關,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)動機艙內(nèi)及底盤部件上的水進行局部吹干,從而劃分區(qū)域進行排查。當清理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。
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,導致車輛無法行駛。仔細檢查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))