雙擎卡羅拉THS技術解析—控制篇(一)

◆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)

現任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務有限公司技術總監，江蘇技術師范學院、常州機電職業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，其性能受到很多學科交叉又內在聯系的因素的影響，如現代控制技術和控制策略在混合動力技術中起著重要作用。混合動力汽車的總體目標就是盡可能的提高燃油經濟性和減少排放量，為了實現這個目標，一些關鍵的系統變量必須進行最優化的管理，包括系統主要的能量流、能量功率的可用性、子系統的溫度以及發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工作狀況

雙擎卡羅拉THS-II系統屬于混聯式輸入功率分流型混合動力系統。該系統采用了豐田汽車公司具有發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為三軸結構，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，K2表示電機MG2減速行星齒輪機構的特征參數。

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(駕駛工況)，并且根據故障發生時存儲的FFD(定格數據)，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，則系統處于放電狀態，作為電動機工作。如果方向相反，則系統處于充電狀態，作為發電機工作)。

了便于對混合動力系統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據。

1.發動機啟動

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，發動機處于停止狀態。如果HV蓄電池放電(如使用空調等電負荷)，SOC降到40%以下，MG1作為電動機拖動發動機到1 200r/min左右，發動機開始噴油啟動，發動機啟動后，發動機動力用于驅動MG1運轉發電，對HV蓄電池進行充電，SOC達到50%以上狀態，發動機停止工作。發動機啟動充電動力流分配(圖4)，圖5為發動機啟動充電時的數據流。2.車輛起步

圖4 發動機啟動充電工況動力流分配圖

圖5 發動機啟動充電工況的數據流

車輛起步時，發動機停止工作，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，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，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立即拖動發動機啟動。然后MG1發電供給MG2電能或向HV電池充電。根據電池SOC的不同，發動機啟動的時刻也不同。車輛起步工況，THS處于串聯模式。動力流分配如圖7所示，圖8是車輛起步時的數據流。

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，在發動機轉速突變的過程中基本不存在瞬態加濃過程，仍舊運行的最佳油耗線上，在而MG1一直處于發電狀態，增加MG2的扭矩。車輛加速，THS處于并聯模式。動力流分配如圖9所示，圖10是車輛加速時的數據流。

圖8 車輛起步純電動行駛工況數據流

圖9 車輛加速工況動力流分配圖

圖10 車輛加速工況數據流

4.勻速

圖11是車輛100km/h勻速工況數據流。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動機的工況點和扭矩分配。而MG2正向旋轉為發電機，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 車輛勻速工況數據流

圖12 車輛勻速工況動力流分配圖

(未完待續)