豐田THS-II(TOYOTA HYBRID SYSTEM-II)屬功率分流型混合動(dòng)力架構(gòu)(圖1)，其關(guān)鍵部件是動(dòng)力分配行星齒輪(Power Split Device簡(jiǎn)稱(chēng)PSD)，在行星齒輪排中已知兩根軸的轉(zhuǎn)速就能確定第三根軸的轉(zhuǎn)速(基于行星齒輪排的傳動(dòng)特性)，類(lèi)似的也可以由此確定三根軸之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系(行星齒輪排杠桿扭矩受力平衡特性)。因此，只有當(dāng)MG1吸收機(jī)械功率并且將其轉(zhuǎn)換為電功率時(shí)，才可實(shí)現(xiàn)沿機(jī)械路徑的功率傳輸，通過(guò)這種方式會(huì)持續(xù)產(chǎn)生電功率，因不可能將其全部存儲(chǔ)到HV蓄電池中，并且出于效率原因的考慮，這樣做也沒(méi)有意義。通過(guò)使用直接位于輸出軸上的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2可形成一條電力路徑，可將產(chǎn)生的電功率再次直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械驅(qū)動(dòng)功率，根據(jù)由輪速和期望車(chē)輪驅(qū)動(dòng)扭矩構(gòu)成的行駛需求產(chǎn)生一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選轉(zhuǎn)速，并通過(guò)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到該轉(zhuǎn)速。車(chē)輪所需的驅(qū)動(dòng)扭矩由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，其中一部分通過(guò)機(jī)械路徑，另一部分通過(guò)電力路徑傳輸至車(chē)輪。

圖1 THS-II混合動(dòng)力架構(gòu)

同其他混合動(dòng)力汽車(chē)一樣，HV蓄電池通常被用于對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生有針對(duì)性的影響，借助于HV蓄電池的幫助，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在期望的車(chē)輪扭矩下不工作在過(guò)高或過(guò)低的負(fù)荷狀態(tài)下，利用存儲(chǔ)在HV蓄電池里的能量可實(shí)現(xiàn)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，僅由電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2單獨(dú)用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作于極差的工作區(qū)域。THS-II通過(guò)2條路徑使串聯(lián)和并聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)的基本原理得到組合，因此功率分流也被稱(chēng)為串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該方案的一大優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)級(jí)可調(diào)的傳動(dòng)比(E-CVT)和與此相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)的自由選擇。此外，傳動(dòng)系統(tǒng)可以在沒(méi)有傳統(tǒng)變速器，特別是沒(méi)有換擋與離合元件的情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，且變速時(shí)沒(méi)有牽引力中斷，從而保證了較高的行駛舒適性，此外還可以省去某些機(jī)械部件。早在94年，豐田公司就已對(duì)該架構(gòu)申請(qǐng)了產(chǎn)權(quán)專(zhuān)利，當(dāng)前該混合動(dòng)力架構(gòu)搭載于國(guó)內(nèi)的一豐、廣豐部分混合動(dòng)力車(chē)型，諸如：卡羅拉、雷凌、亞洲龍、凱美瑞、RAV4，以及Lexus的全系混合動(dòng)力車(chē)型，諸如：CT200h、UX260h、ES300h、RX450h、LS500h等。

THS-II的運(yùn)行主要由運(yùn)行控制策略決定，根據(jù)降低排放和節(jié)約燃料的優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)行控制策略隨時(shí)確定所需的總驅(qū)動(dòng)扭矩和分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，并使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能工作于最佳的工作點(diǎn)，此外，運(yùn)行控制策略還要控制電能的產(chǎn)生，以給HV蓄電池充電。其所帶來(lái)的高效率除與其功率分流型的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要還取決于系統(tǒng)上層的混合動(dòng)力控制策略，以Lexus CT200h車(chē)型為例，圖2為HV系統(tǒng)控制、圖3為HV輸出計(jì)算，分別給出了動(dòng)力系統(tǒng)各部件及控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接和HV CPU內(nèi)部運(yùn)行控制策略的運(yùn)算邏輯示意。

圖2 HV系統(tǒng)控制

圖3 HV輸出計(jì)算

系統(tǒng)中各子系統(tǒng)通過(guò)自身的控制實(shí)現(xiàn)各自的控制功能，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制、啟停控制、驅(qū)動(dòng)力控制、再生制動(dòng)控制、帶轉(zhuǎn)換器的逆變器控制、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)控制、DC/DC轉(zhuǎn)換器控制、HV蓄電池充電控制等，而處于核心的動(dòng)力管理控制策略(HV CPU)協(xié)調(diào)控制整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)。下面我們將以Lexus CT200h車(chē)型為例對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的工作原理和控制策略一一進(jìn)行深入研習(xí)。

一、驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)

如圖3所示，驅(qū)動(dòng)力控制的輸入信號(hào)有加速踏板開(kāi)度、車(chē)速、換擋桿位置、HV蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)等控制輸出信號(hào)包括發(fā)動(dòng)機(jī)的要求動(dòng)力、發(fā)電機(jī)扭矩以及電動(dòng)機(jī)扭矩等。首先根據(jù)加速踏板開(kāi)度以及車(chē)速求得駕駛員請(qǐng)求的驅(qū)動(dòng)扭矩(圖4)，根據(jù)該扭矩和解析器傳感器所測(cè)得的MG2轉(zhuǎn)速(即輸出軸轉(zhuǎn)速)并結(jié)合系統(tǒng)的損失功率求得駕駛員請(qǐng)求輸出功率(如式1)。所需的HV蓄電池充電功率結(jié)合上述計(jì)算所得的駕駛員請(qǐng)求輸出功率的總和即可確定所需的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率(如式2)。

圖4 無(wú)級(jí)變速驅(qū)動(dòng)力及目標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率MAP圖

式1：駕駛員請(qǐng)求輸出功率=駕駛員請(qǐng)求扭矩×軸轉(zhuǎn)速(MG2 轉(zhuǎn)速)-系統(tǒng)損耗
式2：所需發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率=駕駛員請(qǐng)求輸出功率+所需HV 蓄電池充電功率

接下來(lái)要計(jì)算出為產(chǎn)生這一所需發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率而對(duì)應(yīng)的最佳效率時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩(節(jié)氣門(mén)開(kāi)度)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并將其作為發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)扭矩和目標(biāo)轉(zhuǎn)速。這里需要引入發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性的知識(shí)概述。即當(dāng)一款發(fā)動(dòng)機(jī)在被研發(fā)的過(guò)程中，技術(shù)人員會(huì)對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全域的速度特性和負(fù)荷特性的科學(xué)標(biāo)定進(jìn)而能夠分別繪制出二者各工況下的特性曲線，將兩者的特性曲線進(jìn)行融合，最終繪制出該款發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性(又稱(chēng)全特性)圖，它可以表示發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作范圍內(nèi)主要參數(shù)的變化關(guān)系，還可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)最經(jīng)濟(jì)高效的工作區(qū)域。在發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖中，利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合最佳發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性，標(biāo)定出發(fā)動(dòng)機(jī)各功率特性曲線中的最佳工作點(diǎn)，將這些工作點(diǎn)連接起來(lái)，由此繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性能工作線。也就是說(shuō)，任一發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率曲線都有與之對(duì)應(yīng)的唯一的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩(節(jié)氣門(mén)開(kāi)度)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳工作點(diǎn)(圖5)，再配合上THS-II的ECV-T混合動(dòng)力變速器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)傳動(dòng)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)要么不工作，要工作就在最經(jīng)濟(jì)高效的工作線上工作，由此可見(jiàn)，無(wú)論是整車(chē)的動(dòng)力性還是燃油經(jīng)濟(jì)性都能達(dá)到最佳狀態(tài)。

如圖5所示，通過(guò)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率曲線與最佳發(fā)動(dòng)機(jī)工作線的交點(diǎn)可以得出當(dāng)前工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳扭矩(節(jié)氣門(mén)開(kāi)度)Y軸和最佳轉(zhuǎn)速(X軸)，HV CPU將二者作為目標(biāo)參數(shù)發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)ECM，由發(fā)動(dòng)機(jī)ECM去控制燃油噴射量、點(diǎn)火正時(shí)、ETCS-i(電子節(jié)氣門(mén))和 VVT-i(智能配氣相位)等。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳動(dòng)力性能工作線

當(dāng)知曉發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2轉(zhuǎn)速(由解析器傳感器測(cè)得)后，HV CPU根據(jù)行星齒輪排的傳動(dòng)特性(圖6)，可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG1的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，再結(jié)合HV CPU內(nèi)存儲(chǔ)的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率脈譜圖，可以確定任一工況下的MG1發(fā)電功率、MG2用電功率、發(fā)動(dòng)機(jī)直接輸出功率及HV蓄電池補(bǔ)償功率的四者之間的協(xié)同關(guān)系。為方便理解，示例如下：當(dāng)HV蓄電池不介入工作時(shí)(既不放電也不充電)，MG1的發(fā)電/用電功率實(shí)時(shí)等于MG2的用電/發(fā)電功率，因此當(dāng)MG1充當(dāng)發(fā)電機(jī)為MG2供電時(shí)，HV CPU可通過(guò)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率脈譜圖和行星齒輪排的傳動(dòng)特性分別計(jì)算出MG1的發(fā)電功率和MG1的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，由此進(jìn)一步計(jì)算出MG1作為發(fā)電機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)扭矩大小，再結(jié)合行星齒輪排杠桿扭矩的受力平衡特性，進(jìn)而換算出發(fā)動(dòng)機(jī)的直接輸出扭矩，即：

圖6 行星齒輪排傳動(dòng)特性

發(fā)動(dòng)機(jī)直接輸出扭矩=-MG1扭矩×(0.72/0.28)

隨后讓最先計(jì)算得出的駕駛員請(qǐng)求扭矩減去發(fā)動(dòng)機(jī)的直接輸出扭矩，即為MG2作為電動(dòng)機(jī)時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩。即：

駕駛員請(qǐng)求扭矩 -發(fā)動(dòng)機(jī)直接輸出扭矩=MG2扭矩指令值

如圖7所示，根據(jù)工作條件和當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率判斷是否需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)未達(dá)到該確定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，僅靠HV蓄電池的電能輸出完成行駛(EV行駛稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)行駛的行駛狀態(tài))，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的動(dòng)力為零。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率判斷

回顧圖3，在HV CPU確認(rèn)MG2的扭矩指令值后，再往下為車(chē)輛再生制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制策略。純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)?yán)抿?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，因此可以獲得再生制動(dòng)力。另外，通過(guò)與液壓制動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制，可以達(dá)到與普通內(nèi)燃機(jī)以往車(chē)型同等的制動(dòng)感覺(jué)，而且通過(guò)再生制動(dòng)進(jìn)行能量回收得以降低油耗。圖8所示為雷克薩斯CT200h車(chē)型的混合動(dòng)力系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖，它包括松開(kāi)油門(mén)踏板時(shí)產(chǎn)生的與發(fā)動(dòng)機(jī)等效的制動(dòng)力以及操作踩下制動(dòng)踏板時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力部分。為了能夠使二者的制動(dòng)力像普通內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛一樣，駕駛員操作制動(dòng)踏板即可，這樣為了最大限度的得到再生，而使再生制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力得到合理的分配，這種控制稱(chēng)為再生制動(dòng)協(xié)調(diào)控制。

圖8 雷克薩斯CT200h車(chē)型的混合動(dòng)力系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖

當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，防滑控制ECU根據(jù)制動(dòng)調(diào)節(jié)器壓力傳感器和制動(dòng)踏板行程傳感器計(jì)算所需總制動(dòng)力。計(jì)算出所需總制動(dòng)力后，防滑控制ECU將再生制動(dòng)力請(qǐng)求發(fā)送至動(dòng)力管理控制ECU(即HV CPU)，HV CPU回復(fù)實(shí)際再生制動(dòng)量(再生制動(dòng)控制值)，同時(shí)利用電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2產(chǎn)生負(fù)扭矩(減速力)，從而進(jìn)行再生制動(dòng)，防滑控制ECU控制制動(dòng)執(zhí)行器電磁閥并產(chǎn)生輪缸壓力，產(chǎn)生的壓力是從所需總制動(dòng)力中減去實(shí)際再生制動(dòng)控制值后剩余的值。即：

總制動(dòng)力=液壓制動(dòng)力+再生制動(dòng)力

當(dāng)車(chē)速較高時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2的扭矩特性很難獲得足夠的再生制動(dòng)力，因此需要用摩擦制動(dòng)力來(lái)補(bǔ)充不足的這一部分。隨著車(chē)速的降低，再生制動(dòng)力得以不斷增加，同時(shí)又減少摩擦制動(dòng)力。當(dāng)車(chē)輛停車(chē)時(shí)，再生制動(dòng)力大幅度下降，此時(shí)利用摩擦制動(dòng)力來(lái)滿足駕駛員所需的制動(dòng)力(圖9)。

圖9 摩擦制動(dòng)力與駕駛員所需制動(dòng)力

和再生制動(dòng)之間的制動(dòng)力分配根據(jù)車(chē)速的不同而變化。盡量多采用再生制動(dòng)。但是，需要強(qiáng)制動(dòng)力時(shí)，采用液壓制動(dòng)。車(chē)速過(guò)低(低于約5km/h)時(shí)，系統(tǒng)切換至液壓制動(dòng)以提高制動(dòng)感。選擇N擋時(shí)由于逆變器斷開(kāi)，因此只能采用液壓制動(dòng)。液壓制動(dòng)和再生制動(dòng)之間的制動(dòng)力分配根據(jù)車(chē)速的不同而變化(圖10)。

圖10 液壓制動(dòng)與再生制動(dòng)之間制動(dòng)力分配變化

根據(jù)HV蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)，電池可以接受的再生制動(dòng)力會(huì)發(fā)生變化，因此需要根據(jù)具體情況對(duì)摩擦制動(dòng)功率進(jìn)行調(diào)整，該摩擦制動(dòng)力是由車(chē)輪制動(dòng)液壓缸的液壓控制而產(chǎn)生。除此之外，再生協(xié)調(diào)控制協(xié)調(diào)還要滿足以下要求：

1.發(fā)動(dòng)機(jī)停止不影響制動(dòng)力；

2.制動(dòng)時(shí)需要實(shí)時(shí)調(diào)整車(chē)輪液壓缸液壓，液壓制動(dòng)時(shí)要盡量避免操作噪聲和振動(dòng)的產(chǎn)生；

3.液壓控制對(duì)制動(dòng)踏板行程感覺(jué)沒(méi)有影響；

4.由于要實(shí)時(shí)進(jìn)行制動(dòng)力電子控制，要求具有安全警示功能。

二、帶轉(zhuǎn)換器的逆變器控制

以雷克薩斯CT200h車(chē)型為例，其采用與 MG ECU、逆變器、轉(zhuǎn)換器和DC-DC轉(zhuǎn)換器集成于一體的緊湊、輕量化的帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成，如圖11、圖12所示。逆變器和轉(zhuǎn)換器主要由智能動(dòng)力模塊(IPM)、電抗器和電容器組成。2套IPM共有14個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)分別構(gòu)成各自的集成動(dòng)力模塊，包括信號(hào)處理器、保護(hù)功能處理器。帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成采用了獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的水冷型冷卻系統(tǒng)，從而確保了散熱。配備了互鎖開(kāi)關(guān)作為安全防護(hù)措施(由于帶有高壓)，在拆下逆變器端子蓋或斷開(kāi)HV蓄電池電源電纜連接器時(shí)，此開(kāi)關(guān)通過(guò)動(dòng)力管理控制ECU(HV CPU)斷開(kāi)系統(tǒng)主繼電器。

圖11 逆變器示意圖

圖12 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成1

逆變器將來(lái)自 HV 蓄電池的直流轉(zhuǎn)換為交流提供給 MG1和 MG2，反之亦然。此外，逆變器將 MG1 產(chǎn)生的電能提供給MG2。然而，MG1 產(chǎn)生的電流在逆變器內(nèi)轉(zhuǎn)換為直流后，再被逆變器轉(zhuǎn)換回交流供 MG2 使用。這是必要的，因?yàn)?MG1輸出的交流頻率不適合控制 MG2。如圖13所示，MG ECU根據(jù)接收來(lái)自動(dòng)力管理控制ECU(HV CPU) 的等效PWM波形控制信號(hào)控制智能動(dòng)力模塊(IPM) 內(nèi)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。IGBT 用于切換電動(dòng)機(jī)的U、V和W 相。6個(gè)IGBT在ON和OFF間切換，控制電動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速。同時(shí)動(dòng)力管理控制ECU(HV CPU)接收來(lái)自MG ECU所反饋的電動(dòng)機(jī)的實(shí)際扭矩、實(shí)際轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)過(guò)熱、過(guò)電流及電壓故障信號(hào)，一旦觸發(fā)故障，動(dòng)力管理控制ECU(HV CPU)切斷至MG ECU的PWM波形控制信號(hào)以斷開(kāi)IPM智能動(dòng)力模塊。

圖13 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成2

審核編輯 ：李倩