豐田THS-II(TOYOTA HYBRID SYSTEM-II)屬功率分流型混合動力架構(gòu)(圖1)，其關(guān)鍵部件是動力分配行星齒輪(Power Split Device簡稱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特性)，類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，才可實(shí)現(xiàn)沿機(jī)械路徑的功率傳輸，通過這種方式會持續(xù)產(chǎn)生電功率，因不可能將其全部存儲到HV蓄電池中，并且出于效率原因的考慮，這樣做也沒有意義。通過使用直接位于輸出軸上的電動機(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)動功率，根據(jù)由輪速和期望車輪驅(qū)動扭矩構(gòu)成的行駛需求產(chǎn)生一個發(fā)動機(jī)優(yōu)選轉(zhuǎn)速，并通過電動機(jī)/發(fā)電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使發(fā)動機(jī)達(dá)到該轉(zhuǎn)速。車輪所需的驅(qū)動扭矩由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生，其中一部分通過機(jī)械路徑，另一部分通過電力路徑傳輸至車輪。

圖1 THS-II混合動力架構(gòu)

同其他混合動力汽車一樣，HV蓄電池通常被用于對驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生有針對性的影響，借助于HV蓄電池的幫助，可使發(fā)動機(jī)在期望的車輪扭矩下不工作在過高或過低的負(fù)荷狀態(tài)下，利用存儲在HV蓄電池里的能量可實(shí)現(xiàn)關(guān)閉發(fā)動機(jī)，僅由電動機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2單獨(dú)用于驅(qū)動車輛，以避免發(fā)動機(jī)工作于極差的工作區(qū)域。THS-II通過2條路徑使串聯(lián)和并聯(lián)混合驅(qū)動的基本原理得到組合，因此功率分流也被稱為串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該方案的一大優(yōu)點(diǎn)在于無級可調(diào)的傳動比(E-CVT)和與此相關(guān)的發(fā)動機(jī)最佳工作點(diǎn)的自由選擇。此外，傳動系統(tǒng)可以在沒有傳統(tǒng)變速器，特別是沒有換擋與離合元件的情況下實(shí)現(xiàn)無級變速，且變速時沒有牽引力中斷，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，豐田公司就已對該架構(gòu)申請了產(chǎn)權(quán)專利，當(dāng)前該混合動力架構(gòu)搭載于國內(nèi)的一豐、廣豐部分混合動力車型，諸如：卡羅拉、雷凌、亞洲龍、凱美瑞、RAV4，以及Lexus的全系混合動力車型，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)行控制策略隨時確定所需的總驅(qū)動扭矩和分配給發(fā)動機(jī)和電機(jī)的驅(qū)動扭矩，并使發(fā)動機(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)上層的混合動力控制策略，以Lexus CT200h車型為例，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)通過自身的控制實(shí)現(xiàn)各自的控制功能，如發(fā)動機(jī)控制、啟停控制、驅(qū)動力控制、再生制動控制、帶轉(zhuǎn)換器的逆變器控制、電動機(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，而處于核心的動力管理控制策略(HV CPU)協(xié)調(diào)控制整個動力系統(tǒng)。下面我們將以Lexus CT200h車型為例對各個子系統(tǒng)的工作原理和控制策略一一進(jìn)行深入研習(xí)。

一、驅(qū)動力控制系統(tǒng)

如圖3所示，驅(qū)動力控制的輸入信號有加速踏板開度、車速、換擋桿位置、HV蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)等控制輸出信號包括發(fā)動機(jī)的要求動力、發(fā)電機(jī)扭矩以及電動機(jī)扭矩等。首先根據(jù)加速踏板開度以及車速求得駕駛員請求的驅(qū)動扭矩(圖4)，根據(jù)該扭矩和解析器傳感器所測得的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)算所得的駕駛員請求輸出功率的總和即可確定所需的發(fā)動機(jī)輸出功率(如式2)。

圖4 無級變速驅(qū)動力及目標(biāo)驅(qū)動功率MAP圖

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

接下來要計(jì)算出為產(chǎn)生這一所需發(fā)動機(jī)輸出功率而對應(yīng)的最佳效率時的發(fā)動機(jī)扭矩(節(jié)氣門開度)和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，并將其作為發(fā)動機(jī)的目標(biāo)扭矩和目標(biāo)轉(zhuǎn)速。這里需要引入發(fā)動機(jī)萬有特性的知識概述。即當(dāng)一款發(fā)動機(jī)在被研發(fā)的過程中，技術(shù)人員會對該款發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架試驗(yàn)，通過對發(fā)動機(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)動機(jī)的萬有特性(又稱全特性)圖，它可以表示發(fā)動機(jī)在整個工作范圍內(nèi)主要參數(shù)的變化關(guān)系，還可以確定發(fā)動機(jī)最經(jīng)濟(jì)高效的工作區(qū)域。在發(fā)動機(jī)萬有特性圖中，利用發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合最佳發(fā)動機(jī)動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性，標(biāo)定出發(fā)動機(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，由此繪制出發(fā)動機(jī)最佳動力性能工作線。也就是說，任一發(fā)動機(jī)輸出功率曲線都有與之對應(yīng)的唯一的發(fā)動機(jī)扭矩(節(jié)氣門開度)和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳工作點(diǎn)(圖5)，再配合上THS-II的ECV-T混合動力變速器實(shí)現(xiàn)無級傳動，確保發(fā)動機(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，無論是整車的動力性還是燃油經(jīng)濟(jì)性都能達(dá)到最佳狀態(tài)。

如圖5所示，通過當(dāng)前發(fā)動機(jī)輸出功率曲線與最佳發(fā)動機(jī)工作線的交點(diǎn)可以得出當(dāng)前工況下發(fā)動機(jī)的最佳扭矩(節(jié)氣門開度)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)動機(jī)ECM，由發(fā)動機(jī)ECM去控制燃油噴射量、點(diǎn)火正時、ETCS-i(電子節(jié)氣門)和 VVT-i(智能配氣相位)等。

圖5 發(fā)動機(jī)最佳動力性能工作線

當(dāng)知曉發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和電動機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2轉(zhuǎn)速(由解析器傳感器測得)后，HV CPU根據(jù)行星齒輪排的傳動特性(圖6)，可以計(jì)算出電動機(jī)/發(fā)電機(jī)MG1的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，再結(jié)合HV CPU內(nèi)存儲的目標(biāo)驅(qū)動功率脈譜圖，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(既不放電也不充電)，MG1的發(fā)電/用電功率實(shí)時等于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，HV CPU可通過目標(biāo)驅(qū)動功率脈譜圖和行星齒輪排的傳動特性分別計(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)動機(jī)的直接輸出扭矩，即：

圖6 行星齒輪排傳動特性

發(fā)動機(jī)直接輸出扭矩=-MG1扭矩×(0.72/0.28)

隨后讓最先計(jì)算得出的駕駛員請求扭矩減去發(fā)動機(jī)的直接輸出扭矩，即為MG2作為電動機(jī)時的驅(qū)動扭矩。即：

駕駛員請求扭矩 -發(fā)動機(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)動機(jī)輸出功率判斷是否需要啟動發(fā)動機(jī)。當(dāng)未達(dá)到該確定值時，發(fā)動機(jī)停止工作，僅靠HV蓄電池的電能輸出完成行駛(EV行駛稱為電動機(jī)行駛的行駛狀態(tài))，此時發(fā)動機(jī)所需的動力為零。

圖7 發(fā)動機(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，再往下為車輛再生制動的協(xié)調(diào)控制策略。純電動汽車、混合動力汽車?yán)抿?qū)動電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，因此可以獲得再生制動力。另外，通過與液壓制動力的協(xié)調(diào)控制，可以達(dá)到與普通內(nèi)燃機(jī)以往車型同等的制動感覺，而且通過再生制動進(jìn)行能量回收得以降低油耗。圖8所示為雷克薩斯CT200h車型的混合動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖，它包括松開油門踏板時產(chǎn)生的與發(fā)動機(jī)等效的制動力以及操作踩下制動踏板時產(chǎn)生的制動力部分。為了能夠使二者的制動力像普通內(nèi)燃機(jī)的車輛一樣，駕駛員操作制動踏板即可，這樣為了最大限度的得到再生，而使再生制動力與摩擦制動力得到合理的分配，這種控制稱為再生制動協(xié)調(diào)控制。

圖8 雷克薩斯CT200h車型的混合動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖

當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，防滑控制ECU根據(jù)制動調(diào)節(jié)器壓力傳感器和制動踏板行程傳感器計(jì)算所需總制動力。計(jì)算出所需總制動力后，防滑控制ECU將再生制動力請求發(fā)送至動力管理控制ECU(即HV CPU)，HV CPU回復(fù)實(shí)際再生制動量(再生制動控制值)，同時利用電動機(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，防滑控制ECU控制制動執(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力中減去實(shí)際再生制動控制值后剩余的值。即：

總制動力=液壓制動力+再生制動力

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

圖9 摩擦制動力與駕駛員所需制動力

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

圖10 液壓制動與再生制動之間制動力分配變化

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力會發(fā)生變化，因此需要根據(jù)具體情況對摩擦制動功率進(jìn)行調(diào)整，該摩擦制動力是由車輪制動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)動機(jī)停止不影響制動力；

2.制動時需要實(shí)時調(diào)整車輪液壓缸液壓，液壓制動時要盡量避免操作噪聲和振動的產(chǎn)生；

3.液壓控制對制動踏板行程感覺沒有影響；

4.由于要實(shí)時進(jìn)行制動力電子控制，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)換器主要由智能動力模塊(IPM)、電抗器和電容器組成。2套IPM共有14個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)分別構(gòu)成各自的集成動力模塊，包括信號處理器、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HV蓄電池電源電纜連接器時，此開關(guān)通過動力管理控制ECU(HV CPU)斷開系統(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)接收來自動力管理控制ECU(HV CPU) 的等效PWM波形控制信號控制智能動力模塊(IPM) 內(nèi)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。IGBT 用于切換電動機(jī)的U、V和W 相。6個IGBT在ON和OFF間切換，控制電動機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速。同時動力管理控制ECU(HV CPU)接收來自MG ECU所反饋的電動機(jī)的實(shí)際扭矩、實(shí)際轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)過熱、過電流及電壓故障信號，一旦觸發(fā)故障，動力管理控制ECU(HV CPU)切斷至MG ECU的PWM波形控制信號以斷開IPM智能動力模塊。

圖13 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成2

審核編輯 ：李倩